传感器技术基础重点优秀PPT.ppt

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1、传感器技术基础课件重点2023/2/161第1页，本讲稿共98页第一章 传感器技术基础2023/2/162第2页，本讲稿共98页第一节第一节 传感器的一般数学模型传感器的一般数学模型 (重点重点)第二节第二节 传感器的特性与指标传感器的特性与指标 (重点重点)第三节第三节 改善传感器性能的技术途径改善传感器性能的技术途径 (了解了解)第四节第四节 传感器的标定与校准传感器的标定与校准 (了解了解)第五节第五节 传感器材料与工艺传感器材料与工艺 (补充补充)2023/2/163第3页，本讲稿共98页5、分辨力与阈值、分辨力与阈值 6、稳定性与漂移、稳定性与漂移7、误差表达、误差表达（一（一）、传

2、感器的静态特性）、传感器的静态特性（二）、传感器的动态特性（二）、传感器的动态特性(二二)、动态模型、动态模型(一一)、静态模型、静态模型新课1、微分方程、微分方程 2、传递函数、传递函数1、频率响应特性、频率响应特性 2、阶跃响应特性、阶跃响应特性3、典型环节的动态响应、典型环节的动态响应8、精确度等级、精确度等级1、线性度、线性度 2、回差（滞后或迟滞）、回差（滞后或迟滞）3、重复性、重复性4、灵敏度、灵敏度第一节第一节 传感器的一般数学模型传感器的一般数学模型第二节第二节 传感器的特性与指标传感器的特性与指标代数方程代数方程 2023/2/164第4页，本讲稿共98页第一节第一节 传感器

3、的一般数学模型传感器的一般数学模型建立传感器的数学模型的建立传感器的数学模型的必要性必要性传感器数学模型的传感器数学模型的静态静态与与动态动态之分之分 2023/2/165第5页，本讲稿共98页静态模型是指在静态模型是指在静态条件静态条件下得到的传感器数学模型。下得到的传感器数学模型。传感器的静态模型可用一代数方程表示，即：传感器的静态模型可用一代数方程表示，即：输入量对时间输入量对时间t t的的各阶导数为零各阶导数为零一、静态模型一、静态模型2023/2/166第6页，本讲稿共98页表示表示输出量输出量与与输入量输入量之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为特性曲线特性曲线。理想情况下，传感器数

4、学模型为：理想情况下，传感器数学模型为：2023/2/167第7页，本讲稿共98页二、动态模型（1 1）微分方程）微分方程 传感器的动态模型用传感器的动态模型用线性常系数微分方程线性常系数微分方程来表示：来表示：2023/2/168第8页，本讲稿共98页用微分方程作为传感器数学模型的特点：用微分方程作为传感器数学模型的特点：优点：优点：通过求解微分方程容易分清通过求解微分方程容易分清暂态响应暂态响应与与稳态响应稳态响应。缺点：缺点：求解微分方程很麻烦，尤其当需要通过求解微分方程很麻烦，尤其当需要通过增减环节来改变传感器的性能时显得很不方便。增减环节来改变传感器的性能时显得很不方便。2023/2

5、/169第9页，本讲稿共98页（2 2）传递函数）传递函数由控制理论可知，对于用线性常系数微分方程表示的传感器，其由控制理论可知，对于用线性常系数微分方程表示的传感器，其传递函数为传递函数为：框图表示法为框图表示法为：xyS=+jw，称为拉氏变换的自变量。2023/2/1610第10页，本讲稿共98页对于对于n个环节的个环节的串联串联系统：系统：对于对于n个环节的个环节的并联并联系统：系统：H1(S)H2(S）转换电路X(S)Y(S)H1(S)H2(S）转换电路X(S)Y(S)2023/2/1611第11页，本讲稿共98页采用传递函数法的优点：1、容易看清各个环节对系统的影响，因而便、容易看清

6、各个环节对系统的影响，因而便于对传感器或测量系统进行改进。于对传感器或测量系统进行改进。2、当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，、当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传递函数。可以通过实验求得传递函数。2023/2/1612第12页，本讲稿共98页传感器特性：传感器特性：主要是指输出与输入之间的关系。主要是指输出与输入之间的关系。静态特性：静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时，当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间的输出与输入之间的关系关系称为称为；静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态稳定状态时的输时的输出

7、出输入关系。输入关系。研究静态特性主要应考虑其研究静态特性主要应考虑其非线性非线性与与随机变化随机变化等因素。等因素。一、传感器的静态特性一、传感器的静态特性第二节 传感器的特性与指标2023/2/1613第13页，本讲稿共98页1 1、线性度：又称非线性、线性度：又称非线性定义：表征传感器定义：表征传感器输出输出输入校准曲线输入校准曲线与与所选定的所选定的拟合直线拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。的指标。通常用通常用相对误差相对误差来表示线性度，即来表示线性度，即2023/2/1614第14页，本讲稿共98页目前常用的拟合方法有：

8、目前常用的拟合方法有：A A、理论拟合：、理论拟合：B B、过零旋转拟合：、过零旋转拟合：C C、端点连线拟合：、端点连线拟合：D D、端点连线平移拟合：、端点连线平移拟合：2023/2/1615第15页，本讲稿共98页a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合2023/2/1616第16页，本讲稿共98页0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法E E、最小二乘法拟合最小二乘法拟合（重点）（重点）y=kx+b最小二乘法拟合直线的最小二乘法拟合直线的原理原理就是就是使使 为最为最小值小值，即，即i=yi-(kxi+b)2023/2/1617第17页，本讲稿共98页得到

9、得到k和和b的表达式的表达式2023/2/1618第18页，本讲稿共98页2023/2/1619第19页，本讲稿共98页最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精密度高即误差小。将几组x分别带入以上五式，与y值相差最小的就是所求，（5）为所求。2023/2/1620第20页，本讲稿共98页2 2、回差（或称迟滞、滞后）、回差（或称迟滞、滞后）定义：传感器在定义：传感器在正反正反行程中行程中输出输入曲线的不重合程度输出输入曲线的不重合程度称称为迟滞。为迟滞。迟滞特性一般是由迟滞特性一般是由实验方法实验方法测得。测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即20

10、23/2/1621第21页，本讲稿共98页 y0 xHmaxyFS迟滞特性迟滞特性2023/2/1622第22页，本讲稿共98页3 3、重复性、重复性定义：指传感器在输入按定义：指传感器在输入按同一方向同一方向作作全量程连续多次全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致变动时所得特性曲线不一致的程度。的程度。重复性误差可用重复性误差可用正反行程的最大偏差正反行程的最大偏差表示，即表示，即2023/2/1623第23页，本讲稿共98页 yx0Rmax2Rmax1 Rmax1正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。2023/2/1624第24页，本讲稿共98页4 4、灵敏度与灵敏度误

11、差、灵敏度与灵敏度误差定义：定义：传感器输出的变化量传感器输出的变化量y与引起该变化量的与引起该变化量的输入变化量输入变化量 x之比即为其之比即为其静态灵敏度静态灵敏度，其表达式，其表达式为为灵敏度误差用灵敏度误差用相对误差相对误差表示，即表示，即2023/2/1625第25页，本讲稿共98页5 5、分辨力与阈值、分辨力与阈值分辨力：分辨力：是传感器在规定测量范围内所能检测出是传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的被测输入量的最小变化量最小变化量，用，用绝对值绝对值表示。表示。分辨率：分辨率：分辨力用分辨力用与满量程的百分数表示时与满量程的百分数表示时称为称为分辨率。分辨率。阈值：阈值：

12、在传感器在传感器输入零点附近输入零点附近的分辨力称为阈值。的分辨力称为阈值。2023/2/1626第26页，本讲稿共98页6 6、稳定性与漂移、稳定性与漂移稳定性：稳定性：指传感器在长时间工作的情况下输出量发指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化。有时称为生的变化。有时称为长时间工作稳定性长时间工作稳定性或或零点漂移零点漂移。漂移：漂移：指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着有与被测输入量无关的、不需要的变化。有与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括漂移包括零点漂移零点漂移与与灵敏度漂移灵敏度漂移，两者又可分为，两者又可分为时时间漂移间漂移（时漂

13、）和（时漂）和温度漂移温度漂移（温漂）。（温漂）。2023/2/1627第27页，本讲稿共98页 7 7、误差表达、误差表达（1）绝对误差）绝对误差测量结果与被测参量真值之间的差值的绝对值称为绝测量结果与被测参量真值之间的差值的绝对值称为绝对误差。对误差。绝对误差只能评估绝对误差只能评估同一被测值同一被测值的测量精度。的测量精度。被测参量的测量值 被测参量的真值 2023/2/1628第28页，本讲稿共98页（2）相对误差）相对误差测量的绝对误差与被测量真值的比值称为相对测量的绝对误差与被测量真值的比值称为相对误差，通常以百分数表示，即误差，通常以百分数表示，即相对误差可用来评价相对误差可用来

14、评价不同被测值不同被测值的精度。的精度。2023/2/1629第29页，本讲稿共98页（3）引用误差）引用误差测量的绝对误差与仪表的满量程之比称为引用误差，它常测量的绝对误差与仪表的满量程之比称为引用误差，它常以百分数表示，即以百分数表示，即这一指标通常用来表征这一指标通常用来表征仪器本身的精度仪器本身的精度，而不是测量的，而不是测量的精度。精度。2023/2/1630第30页，本讲稿共98页例例2、某电压表刻度为、某电压表刻度为010V，在，在5V处计量定值为处计量定值为4.995V，求在，求在5V处的绝对误差处的绝对误差，相对误差，相对误差，引用误差，引用误差m。2023/2/1631第3

15、1页，本讲稿共98页0.1级量程为级量程为10A电流经标定，最大绝对误差为电流经标定，最大绝对误差为8mA，问该表是否合理？问该表是否合理？精确度等级A：其数值是传感器和测量仪表在规定条件下，允许的最大绝对误差值相对于测量范围的百分数，即 8 8、精确度等级、精确度等级故，合理故，合理2023/2/1632第32页，本讲稿共98页二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性动态特性动态特性指传感器对指传感器对随时间变化随时间变化的输入量的响应特的输入量的响应特性。它是传感器的输出值能够真实地再现随时间变化着性。它是传感器的输出值能够真实地再现随时间变化着的输

16、入量能力的反映。的输入量能力的反映。对于连续时间系统，用数学模型来描述动态特性，对于连续时间系统，用数学模型来描述动态特性，主要有三种形式：主要有三种形式：时域中的微分方程时域中的微分方程复频域中的传递函数复频域中的传递函数H(S)频率域中的频率特性频率域中的频率特性H(j)2023/2/1633第33页，本讲稿共98页标准输入有三种标准输入有三种（经常使用的是前两种）。经常使用的是前两种）。正弦变化正弦变化的输入的输入阶跃变化阶跃变化的输入的输入线性输入线性输入2023/2/1634第34页，本讲稿共98页（一）传感器的频率响应特性（一）传感器的频率响应特性（一）传感器的频率响应特性（一）传

17、感器的频率响应特性频率响应特性：频率响应特性：将各种将各种频率不同频率不同而而幅值相等幅值相等的的正正弦信号弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率之间的关系称为。输入量为：输入量为：获得的输出量为：获得的输出量为：代入动态模型表达式（微分方程）得：代入动态模型表达式（微分方程）得：2023/2/1635第35页，本讲稿共98页称之为称之为传感器的频率响应特性传感器的频率响应特性，简称，简称频率特性频率特性。物理意义：当正弦信号作用于传感器时，在稳定物理意义：当正弦信号作用于传感器时，在稳定状态下的输出量与输入量的复数比。状态

18、下的输出量与输入量的复数比。又称为又称为频率传递函数频率传递函数。其指数形式为其指数形式为2023/2/1636第36页，本讲稿共98页称为传感器的称为传感器的动态灵敏度（或称增益），动态灵敏度（或称增益），又称为又称为幅频特性幅频特性。模模频率特性的相位角：频率特性的相位角：(w)(w)代表输出量超前于输入的角度，表示代表输出量超前于输入的角度，表示 随随w w而变，称之为而变，称之为相频特性相频特性。通常为通常为负值负值，即，即输出输出滞后滞后于输入。于输入。2023/2/1637第37页，本讲稿共98页（二）传感器的阶跃响应特性（二）传感器的阶跃响应特性（二）传感器的阶跃响应特性（二）传

19、感器的阶跃响应特性当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号：当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号：其输出信号称为其输出信号称为阶跃响应阶跃响应。衡量阶跃响应的指标参见教材衡量阶跃响应的指标参见教材P17P17图图1-71-72023/2/1638第38页，本讲稿共98页1 1零阶环节：零阶环节：微分方程：微分方程：传递函数：传递函数：（三）传感器典型环节的动态响应（三）传感器典型环节的动态响应（三）传感器典型环节的动态响应（三）传感器典型环节的动态响应2023/2/1639第39页，本讲稿共98页微分方程：微分方程：传递函数传递函数频率特性频率特性2 2一阶环节：一阶环节：a1(dy/dt)+a0

20、y(t)=b0 x(t)时间常数 越小，系统的频率特性越好幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：负号表示相位滞后2023/2/1640第40页，本讲稿共98页例3、以热电偶测温元件为例，如图。当热电偶接点温度T0低于被测介质温度Ti时，T0Ti，则有热流q流入热偶结点，它与Ti和T0的关系可表示为 式中，R-介质的热阻；C-热偶的比热。若令=RC，上式可写为：TiT0q热流2023/2/1641第41页，本讲稿共98页例4，弹簧-阻尼器组成的机械系统如图，也属于一阶传感器系统。其微分方程为 式中，c-阻尼系数；k-弹簧刚度。上式可写为：kcy(t)F=b0 x(t)2023/2/1642第4

21、2页，本讲稿共98页二阶传感器的方程为：二阶传感器的方程为：也可写成也可写成则其传递函数则其传递函数：3 3二阶环节：二阶环节：2023/2/1643第43页，本讲稿共98页频率响应：频率响应：幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：幅频特性与相频特性参见教材幅频特性与相频特性参见教材P20P20图图1-101-10。2023/2/1644第44页，本讲稿共98页例5，质量-弹簧-阻尼器组成的机械系统如图，属于二阶传感器系统。其微分方程为 式中，m-运动质量；c-阻尼系数；k-弹簧刚度；F(t)-作用力；可改写为一般通式：式中，y(t)-位移；n-系统固有频率；-系统阻尼比；K-静态灵敏度。k

22、cy(t)F(t)m2023/2/1645第45页，本讲稿共98页为理解二阶系统幅值误差和相位误差的概念，可参考下面例题：例：一个二阶系统的力传感器，其固有频率为800rad/s,阻尼比为0.4，用它测量频率为400rad/s的正弦变化力，求振幅误差及相位偏移各为多少？若采用固有频率为1000rad/s，阻尼比为0.6的力传感器，测量结果将有多大的改善？2023/2/1646第46页，本讲稿共98页二阶系统的传递函数与频率响应函数分别为：二阶系统的传递函数与频率响应函数分别为：2023/2/1647第47页，本讲稿共98页因此，二阶系统的幅频响应和相频响应分别为：因此，二阶系统的幅频响应和相频

23、响应分别为：2023/2/1648第48页，本讲稿共98页将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中（k0=1=1），得：），得：即幅值误差为即幅值误差为18%18%，相位滞后为，相位滞后为28280 02023/2/1649第49页，本讲稿共98页将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中（k0=1=1），得：），得：即幅值误差降低为即幅值误差降低为3%3%，相位滞后为，相位滞后为30300 0。一般相位误。一般相位误差对测量结果无影响，故测量结果得到较大改善。差对测量结果无影响，故测量结果得

24、到较大改善。2023/2/1650第50页，本讲稿共98页第二次作业：第二次作业：教材教材P33页习题页习题1-1、1-3、1-8、1-92023/2/1651第51页，本讲稿共98页当堂练习：当堂练习：1、有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方、有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数程描述，试求这两个系统的时间常数和静态灵敏度和静态灵敏度K。1）2）2、一压电式加速度传感器的动态特性可以用如下的微分方程来描述，、一压电式加速度传感器的动态特性可以用如下的微分方程来描述，试求其固有振荡频率试求其固有振荡频率n和阻尼比和阻尼比。

25、3、教材、教材P33页习题页习题1-62023/2/1652第52页，本讲稿共98页yB=0.39883x+0.00288 yC=0.39906x+0.00176yD=0.39866x+0.00243 yE=0.3984x+0.00367yF=0.39823x+0.00305yG=0.39809x+0.00398 2023/2/1653第53页，本讲稿共98页（一）、线性度（一）、线性度（二）、迟滞（二）、迟滞（三）、重复性（三）、重复性一一、传感器的静态特性、传感器的静态特性二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性（二）、传感器的动态特性参数（二）、传感器的动态特性参数（三）、传感器典型环节

26、的动态响应（三）、传感器典型环节的动态响应传感器的一般特性复习1、频率响应特性、频率响应特性 2、阶跃响应特性、阶跃响应特性1、传递函数、传递函数 2、幅频特性、幅频特性3、相频特性、相频特性（一）、动态模型的三种表示方式（一）、动态模型的三种表示方式（四）、灵敏度（四）、灵敏度1 1、时域中的微分方程、时域中的微分方程2 2、复频域中的传递函数、复频域中的传递函数H(S)H(S)3 3、频率域中的频率特性、频率域中的频率特性H(j)H(j)2023/2/1654第54页，本讲稿共98页1、静态标定、静态标定 2、动态标定、动态标定3、传感器的互换性、传感器的互换性二二、传感器的标定与校准、传

27、感器的标定与校准一、改善传感器性能的技术途径一、改善传感器性能的技术途径新课1、差动技术、差动技术2、平均技术、平均技术1、传感器材料、传感器材料 2、传感器工艺、传感器工艺简简要要介介绍绍三、传感器材料与工艺三、传感器材料与工艺补充补充知识知识3、稳定性处理、稳定性处理4、屏蔽、隔离与干扰抑制、屏蔽、隔离与干扰抑制5、补偿与修正技术、补偿与修正技术2023/2/1655第55页，本讲稿共98页一、差动技术一、差动技术二、平均技术二、平均技术三、稳定性处理三、稳定性处理四、屏蔽、隔离与干扰抑制四、屏蔽、隔离与干扰抑制五、补偿与修正技术五、补偿与修正技术第三节 改善传感器性能的技术途径2023/

28、2/1656第56页，本讲稿共98页原理：设有一个传感器，其输出为多项式：原理：设有一个传感器，其输出为多项式：用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反（用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反（例如位移传感器使之例如位移传感器使之反向移动反向移动），则输出为：），则输出为：使二者相减，即使二者相减，即目前这种技术广泛应用于消除或减小由于结构原因引起的目前这种技术广泛应用于消除或减小由于结构原因引起的共模误共模误差差（如温度误差）上。（如温度误差）上。一差动技术一差动技术一差动技术一差动技术2023/2/1657第57页，本讲稿共98页二平均技术常用的平均技术：误差平均效应和数据平均处理。常用

29、的平均技术：误差平均效应和数据平均处理。误差平均效应误差平均效应原理原理：利用：利用n个传感器单元同时感受被测量，因而个传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单输出的总和。总的误差将减小为：其输出将是这些单输出的总和。总的误差将减小为：如果将相同条件下的测量重复如果将相同条件下的测量重复n次或进行次或进行n次采样，然后进行数据次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也将减小平均处理，随机误差也将减小 倍。倍。2023/2/1658第58页，本讲稿共98页三、稳定性处理提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性

30、处理。进行必要的稳定性处理。如：永磁材料的时间如：永磁材料的时间老化老化、温度老化、机械老化及交流、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。稳磁处理、电气元件的老化筛选等。2023/2/1659第59页，本讲稿共98页四屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽主要针对电磁干扰；屏蔽主要针对电磁干扰；对于一些非电量器件则往往采用相应的隔离措施。对于一些非电量器件则往往采用相应的隔离措施。方法有：方法有：A、减小传感器对影响因素的灵敏度、减小传感器对影响因素的灵敏度B、降低外界因素对传感器实际作用的程度、降低外界因素对传感器实际作用的程度2023/2/1660第60页，本讲稿共98页五补偿与修正技

31、术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：A、针对传感器本身特性、针对传感器本身特性B、针对传感器的工作条件或外界环境、针对传感器的工作条件或外界环境2023/2/1661第61页，本讲稿共98页第四节 传感器的标定与校准 标定：在明确输入输出变换对应关系的前提下，利用某种标准或标准器具有对传感器进行标度。校准：将传感器在使用中或储存后，进行的性能复测。标定与校准的本质相同。2023/2/1662第62页，本讲稿共98页一、静态标定一、静态标定主要用于检验、测试传感器（或传感器系统）的静态特性指标。如静态灵敏度、非线性、滞后、重复性等。对传感器进行静态特性的

32、标定，首先就是创造一个静态标准条件。其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定精度等级的标定用仪器设备，然后按一下步骤进行标定：所谓静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205），相对湿度不大于85%RH（Relative Humidity 湿温相对度）、大气压力为（76060）mmhg的情况。2023/2/1663第63页，本讲稿共98页1、将传感器全量程分成若干等间距点；2、根据传感器的量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；3、将输入值由大到小逐点减少下来，同时记录下与各输入值相对应的

33、输出值；4、按2、3所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出输入测试数据列成表格或绘成曲线；5、对测试数据进行必要的数据处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。静态标定的方法静态标定的方法2023/2/1664第64页，本讲稿共98页二、传感器的动态标定对于一阶传感器只有一个时间常数；对于二阶传感器则有固有频率n和阻尼比两个参数。主要是研究传感器的动态响应及与动态响应有关的参数。2023/2/1665第65页，本讲稿共98页传感器进行动态特性标定常用的标准激励源有两种：周期性函数，如正弦波、三角波等；瞬变函数，如阶跃函数阶跃函数、半

34、正弦波等。2023/2/1666第66页，本讲稿共98页三、传感器的互换性指被同样的传感器替换后，能保证误差不超过原来的范围，而在替换时并不需要对其尺寸与各项参数的标称值进行调整。2023/2/1667第67页，本讲稿共98页第五节 传感器材料与工艺材料材料、信息信息和和能源能源这三大资源是现代文明的这三大资源是现代文明的三大支柱三大支柱。传感器材料包括传感器材料包括结构材料结构材料和和敏感材料敏感材料。一、传感器材料2023/2/1668第68页，本讲稿共98页结构材料结构材料：能承受外加载荷而保持其形状和结构稳能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料。定的材料。敏感材料敏感材料（属（属功

35、能材料功能材料）：指对电、光、声、力、）：指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等场的微小变化而表现出性能明显改热、磁、气体分布等场的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。变的功能材料。2023/2/1669第69页，本讲稿共98页各种传感器的基础：各种传感器的基础：首先应具有良好的敏感特性。首先应具有良好的敏感特性。其次还应具有良好的重复性和互换性其次还应具有良好的重复性和互换性。2023/2/1670第70页，本讲稿共98页传感器材料主要包括以下六大类：6、特殊特殊功能材料功能材料5、生物体生物体功能材料功能材料4、热热功能材料功能材料3、光学光学功能材料功能材料2、磁学磁学功能材料功能材

36、料1、电学电学功能材料功能材料2023/2/1671第71页，本讲稿共98页1）导电材料）导电材料按导电机理可分为按导电机理可分为电子导电材料电子导电材料和和离子导电材料离子导电材料两大两大类。类。导电高分子材料导电高分子材料2）绝缘材料绝缘材料介电、铁电、压电等介电、铁电、压电等陶瓷功能材料陶瓷功能材料等均为绝缘体等均为绝缘体。1 1 1 1、电学功能材料电学功能材料电学功能材料电学功能材料材料按照其导电性可分为材料按照其导电性可分为导体导体、绝缘体绝缘体和介于二者和介于二者之间的之间的半导体半导体。2023/2/1672第72页，本讲稿共98页3)半导体材料半导体材料（1）、）、硅硅(Si

37、)是当前微电子技术的基础材料。是当前微电子技术的基础材料。（2）、基于）、基于量子尺度效应量子尺度效应、量子隧穿效应量子隧穿效应和和库仑阻效库仑阻效应应以及非线性光学效应等的以及非线性光学效应等的低维半导体材料低维半导体材料是一种人工构是一种人工构造的新型半导体材料。造的新型半导体材料。（3）、）、热敏电阻热敏电阻可分为可分为正温度系数正温度系数(PTC)和和负温度系负温度系数数(NTC)两大类两大类。（4）、）、压敏电阻压敏电阻：一种对外加电压敏感的：一种对外加电压敏感的非线性变阻非线性变阻器器。（5）、气敏和湿敏半导瓷材料）、气敏和湿敏半导瓷材料当体系的尺寸在纳米量级时的一种物理现象。一维

38、量子线、零维量子点材料当能级间距足够大时，会导致纳米粒子的光、电、磁、声、热、力学等特性发生显著的变化，出现若干奇异性质。这就是量子尺度效应。在粒子总能量低于势垒的情况下，粒子能穿过势壁甚至穿过一定宽度的势垒而逃逸出来的现象称为隧道效应。该效应无法用经典力学的观点来解释。2023/2/1673第73页，本讲稿共98页2 2 磁学功能材料磁学功能材料 人类对磁性材料的最早应用是中国人利用磁石能人类对磁性材料的最早应用是中国人利用磁石能够指示南北方向的特性，将天然磁石制成的够指示南北方向的特性，将天然磁石制成的司南司南。2023/2/1674第74页，本讲稿共98页1 1）磁性材料）磁性材料磁性材

39、料：常温下表现为强磁性的磁性材料：常温下表现为强磁性的亚铁磁性亚铁磁性和和铁磁性铁磁性材料。材料。2 2）有机磁体）有机磁体有机磁性化合物主要可以分为有机磁性化合物主要可以分为复合型复合型和和结构型结构型两大类。两大类。2023/2/1675第75页，本讲稿共98页3 光学功能材料 光功能材料光功能材料：指在外场，如力、声、热、电、磁、光等场的：指在外场，如力、声、热、电、磁、光等场的作用下，其光学性质会发生改变的材料。作用下，其光学性质会发生改变的材料。主要包括主要包括磁光磁光、声光声光、电光电光、压光压光及及激光激光材料。材料。2023/2/1676第76页，本讲稿共98页4 热功能材料

40、热功能材料有热电材料、磁热材料和高温材料等。热功能材料有热电材料、磁热材料和高温材料等。1）热电材料：一种将热能和电能进行转换的功能材料）热电材料：一种将热能和电能进行转换的功能材料。2）磁热材料）磁热材料磁热作用：磁性材料在交变的磁场下温度变化的一种物理现象。磁热作用：磁性材料在交变的磁场下温度变化的一种物理现象。3）高温材料高温材料 耐火材料：指耐火度大于耐火材料：指耐火度大于1580的无机非金属材料。的无机非金属材料。2023/2/1677第77页，本讲稿共98页5 生物体功能材料 1）生物材料必须具备以下几方面条件：）生物材料必须具备以下几方面条件：第一：生物相容性。第一：生物相容性。

41、第二：生物适应性和良好的化学稳定性。第二：生物适应性和良好的化学稳定性。第三：良好的物理性能，具有一定强度和较轻重量。第三：良好的物理性能，具有一定强度和较轻重量。2）仿生材料）仿生材料 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一是模仿天然纤维和人皮肤的接触感最早开始研究并取得成功的仿生材料之一是模仿天然纤维和人皮肤的接触感而制造的人造纤维。而制造的人造纤维。蜘蛛蜘蛛“黑寡妇黑寡妇”植物：西瓜、含羞草植物：西瓜、含羞草 2023/2/1678第78页，本讲稿共98页6 特殊功能材料 正在发展中的具有特殊性能或特殊用途的一类功能正在发展中的具有特殊性能或特殊用途的一类功能材料。材料。1）复合功能材料复

42、合功能材料 2）纳米材料纳米材料3）隐身材料隐身材料4）机敏机敏/智能材料智能材料2023/2/1679第79页，本讲稿共98页目前发展的方向是人为地将目前发展的方向是人为地将传感器传感器、信息传递信息传递与与执行器执行器嵌入材料中。嵌入材料中。2023/2/1680第80页，本讲稿共98页二、传感器工艺头发与头发与MEMS 注：人头发的直径大约是注：人头发的直径大约是7080m 2023/2/1681第81页，本讲稿共98页蜘蛛腿与蜘蛛腿与MEMS 2023/2/1682第82页，本讲稿共98页火柴与微汽车火柴与微汽车 2023/2/1683第83页，本讲稿共98页火柴与微传感器火柴与微传感

43、器 2023/2/1684第84页，本讲稿共98页应用不同的加工方法所能得到的加工精度应用不同的加工方法所能得到的加工精度 纳米世界纳米世界 2023/2/1685第85页，本讲稿共98页微加工工艺微加工工艺微加工工艺主要有微加工工艺主要有1、分离加工；、分离加工；2、附加加工；、附加加工；3、辅助工艺。、辅助工艺。2023/2/1686第86页，本讲稿共98页1、分离加工 1）腐蚀工艺腐蚀工艺主要有化学腐蚀（主要有化学腐蚀（湿法湿法）和离子刻蚀（）和离子刻蚀（干法干法）两大类）两大类（1）、湿法腐蚀：）、湿法腐蚀：（2）、干法腐蚀：一种利用粒子轰击对材料的某些部）、干法腐蚀：一种利用粒子轰击

44、对材料的某些部位进行选择性地剔除的工艺方法。位进行选择性地剔除的工艺方法。2023/2/1687第87页，本讲稿共98页2 2）牺牲层技术牺牲层技术牺牲层技术牺牲层技术:利用所谓利用所谓利用所谓利用所谓“牺牲层牺牲层牺牲层牺牲层”的分离层制造各种悬式结构。的分离层制造各种悬式结构。的分离层制造各种悬式结构。的分离层制造各种悬式结构。牺牺牲牲层层技技术术 2023/2/1688第88页，本讲稿共98页2 附加加工 1）薄膜工艺薄膜工艺镀膜工艺在电镀行业中也称为镀膜工艺在电镀行业中也称为“干镀干镀”。在电子、光学领域常叫薄膜淀在电子、光学领域常叫薄膜淀/沉积技术或真空镀膜沉积技术或真空镀膜技术。技

45、术。2023/2/1689第89页，本讲稿共98页真空镀膜技术按其成膜的基本原理可以分为：真空镀膜技术按其成膜的基本原理可以分为：物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）：包括热蒸发（蒸镀）、）：包括热蒸发（蒸镀）、溅射、离子镀和离子束。溅射、离子镀和离子束。化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）：利用气态物质在固体表）：利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的工艺过程。面进行化学反应，生成固态沉积物的工艺过程。等离子体刻蚀等。等离子体刻蚀等。2023/2/1690第90页，本讲稿共98页2）真空蒸镀）真空蒸镀 3）溅射成膜工艺）溅射成膜工艺：溅射方式有射频溅射、直流溅射和反应溅射等多种

46、，溅射方式有射频溅射、直流溅射和反应溅射等多种，其中射频溅射应用广泛。其中射频溅射应用广泛。2023/2/1691第91页，本讲稿共98页射频磁控溅射设备示意图射频磁控溅射设备示意图 2023/2/1692第92页，本讲稿共98页2）LIGA技术技术LIGA是德文是德文Lithografie Galvanoformung Abformung的缩写，即深度的缩写，即深度X射线刻蚀，电铸成型，射线刻蚀，电铸成型，塑铸等技术结合。塑铸等技术结合。2023/2/1693第93页，本讲稿共98页典型的典型的LIGA技术的工艺过程技术的工艺过程2023/2/1694第94页，本讲稿共98页3 辅助工艺辅助

47、工艺目前主要有四种粘接技术目前主要有四种粘接技术:1、聚合物粘接技术：、聚合物粘接技术：2、熔接技术：、熔接技术：3、阳极粘接技术：、阳极粘接技术：4、键合粘接技术：、键合粘接技术：2023/2/1695第95页，本讲稿共98页4 封装技术 机器或系统的封装层次结构图机器或系统的封装层次结构图2023/2/1696第96页，本讲稿共98页4 封装技术封封装装层层次次结结构构图图2023/2/1697第97页，本讲稿共98页5、微装配、微装配所谓微装配，主要指对亚毫米尺寸所谓微装配，主要指对亚毫米尺寸(通常在几通常在几微米到几百微米之间微米到几百微米之间)的零部件进行的装配作业。的零部件进行的装配作业。2023/2/1698第98页，本讲稿共98页