1.1傳感器
信息處理技術取得的進展以及微處理器和計算機技術的高速發展，都需要在傳感器的開發方面有相應的進展。微處理器現在已經在測量和控制系統中得到了廣泛的應用。隨著這些系統能力的增強，作為信息采集系統的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統和機器人技術中的關鍵部件，作為系統中的一個結構組成，其重要性變得越來越明顯。
最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:International
Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。
傳感器系統的原則框圖示于圖1-1，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號，并輸入到微處理器。
德國和俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分。
傳感器系統的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1-2(a))。
無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能(參閱圖1-2(b))。
傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態可以是靜態的，也可以是動態(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態參數轉換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統加以評測或標示。
各種物理效應和工作機理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加，其包含的處理過程日益完善。
常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：
光敏傳感器——視覺
聲敏傳感器——聽覺
氣敏傳感器——嗅覺
化學傳感器——味覺
壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺
與當代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。
對傳感器設定了許多技術要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只對特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結構在不同場合均需要的基本要求是：
高靈敏度
抗干擾的穩定性(對噪聲不敏感)
線性
容易調節(校準簡易)
高精度
高可靠性
無遲滯性
工作壽命長(耐用性)
可重復性
抗老化
高響應速率
抗環境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力
選擇性
安全性(傳感器應是無污染的)
互換性
低成本
寬測量范圍
小尺寸、重量輕和高強度
寬工作溫度范圍
1.2傳感器的分類
可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。
根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類，其分類示于圖1-3。
物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。
化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。
有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。
常見傳感器的應用領域和工作原理列于表1.1。
表1.1傳感器及其應用的可能性
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傳感器品種
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工作原理
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可被測定的非電學量
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敏力電阻，熱敏電阻(NTC)，PTC，半導體傳感器
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阻值變化
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力，重量，壓力，加速度，溫度，濕度，氣體
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電容傳感器
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電容量變化
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力，重量，壓力，加速度，液面，濕度
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感應傳感器
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電感量變化
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力，重量，壓力，加速度，旋進數，轉矩，磁場
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霍爾傳感器
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霍爾效應
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角度，旋進度，力，磁場
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壓電傳感器，超聲波傳感器
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壓電效應
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壓力，加速度，距離
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熱電傳感器
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熱電效應
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煙霧，明火，熱分布
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光電傳感器
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光電效應
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輻射，角度，旋轉數，位移，轉矩
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按照其用途，傳感器可分類為：
壓力敏和力敏傳感器
位置傳感器
液面傳感器
能耗傳感器
速度傳感器
熱敏傳感器
加速度傳感器
射線輻射傳感器
振動傳感器
濕敏傳感器
磁敏傳感器
氣敏傳感器
真空度傳感器
生物傳感器等。
以其輸出信號為標準可將傳感器分為：
模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。
數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。
膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。
開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀點出發可將傳感器分成下列幾類：
(1)按照其所用材料的類別分
金屬 聚合物
陶瓷 混合物
(2)按材料的物理性質分
導體 絕緣體
半導體 磁性材料
(3)按材料的晶體結構分
單晶 多晶
非晶材料
與采用新材料緊密相關的傳感器開發工作，可以歸納為下述三個方向：
(1)在已知的材料中探索新的現象、效應和反應，然后使它們能在傳感器技術中得到實際使用。
(2)探索新的材料，應用那些已知的現象、效應和反應來改進傳感器技術。
(3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應，并在傳感器技術中加以具體實施。
現代傳感器制造業的進展取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的開發強度。傳感器開發的基本趨勢是和半導體以及介質材料的應用密切關聯的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術的、能夠轉換能量形式的材料。
按照其制造工藝，可以將傳感器區分為：
集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器
表1.2半導體和介質材料的能量轉換(調制)
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能量轉換(調制)
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轉換元件
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材料
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機械→電(電壓)
機械→電(阻抗)
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壓電元件
力敏電阻
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PbTiO3
,PbZrO3,PZT(PbZr1-xTixO3)
Si,Ge,InSb
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熱→電（電壓）
熱→電（阻抗）
熱→電（容抗）
熱→電（電壓）
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熱點偶
熱敏電阻
電容器
熱電效應元件
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Bi2Te3,Sb2Te3
NiO,CoO,MnO
BaSrTiO3
LiTaO3,PbTiO3
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光→電（電壓）
光→電（電流）
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光能電池
光電轉換器
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CbS
Si,GaAa
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磁→電（電壓）
磁→電（阻抗）
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霍爾元件
磁阻元件
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InSb,InAs
Ge,Si
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氣體→電（阻抗）
濕度→電（阻抗）
濕度→電（容抗）
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氣敏元件
濕敏電阻
電容器
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SnO2,ZnO
MgCr2O4-TiO2
Al2O3
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集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。
薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。
厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。
陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。
完成適當的預備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。
從列于表1.3中的比較中可知，每種工藝技術都有自已的優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入較低，以及傳感器參數的高穩定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。
表1.3
傳感器制造工藝的比較
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特性
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集成傳感器
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薄膜傳感器
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厚膜傳感器
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陶瓷傳感器
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參數的可重復性
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高
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高
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中
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中
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參數的穩定性
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高
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很高
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高
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高
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工作溫度范圍
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150oC以下
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600oC以下
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600oC以下
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700～800oC以下
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開發和生產所需的資金投入
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很高
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高
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中
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低
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規模生產時每只傳感器的生產投資
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很低
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低
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低
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低
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小批量生產時每只傳感器的投資
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很高
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高
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低
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底
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研究和開發投資
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很高
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很高
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中
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中
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工藝技術的靈活性（變通的可能性）
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低
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高
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中等
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高
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生產規模量（年產只數）
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105～106
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104～106
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105～107
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105～107
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