第13章 几种新型传感器

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1、几种新型传感器l随着技术的发展和新材料的出现，各种新型传 感器层出不穷。与传统传感器相比，新型传感 器的典型特征是微型化、数字化、智能化、网 络化。各种新型传感器被广泛应用于生物、医 学、环保化学、工业过程控制和汽车制造等领 域。一 非晶态合金传感器 非晶态合金是一种新型功能材料，它具有丰富而明显的物理效应 。现在非晶态合金广泛应用于各种物理检测领域。非晶态合金具有下面两种主要敏感功能：1非晶态合金的磁机转换功能非晶态合金的磁机变换功能主要指其将机械量转换成磁学量的 功能，也包括磁场对非晶态合金力学性能的影响。磁弹性效应是 非晶态合金实现磁机转换的核心。典型的磁弹性效应有磁致伸 缩效应与逆磁致

2、伸缩效应等，前者多应用于超声波发生元件；后 者是众多机械量、力学量和磁场传感器敏感机理的基础。利用该 效应可以检测的物理量包括磁场、应力应变、扭矩、冲击、声音 、压力、加速度等等。2非晶态合金的磁电变换功能非晶态合金的磁电变换功能主要指它将磁场变化转 换成电量的功能。根据不同的转换途径，其中主要物 理效应包括电磁感应效应和磁阻效应等。前者可以制 成检测转速、微小交变电流等物理量的无源传感器， 其中漏电保护器中的电流互感器是我国当前非晶态合 金材料应用的一个重点；后者可以用来制造磁泡存储 器中的磁场传感器，它具有电阻率温度系数小、耐辐 射等优点，因此比其他敏感材料更能胜任某些特殊环 境下的检测任

3、务。脉冲感应型磁场传感器 脉冲感应型磁场传感器的基本组成单元有三部分，即脉冲电流源、带有非 晶态合金磁心的检测线圈和感应电压检出器，如图所示。脉冲电流源向检测线圈提供一个受控的窄脉冲 电流，对非晶态合金磁心进行周期性的磁化。 同时，非晶态合金磁心也是敏感元件，它感受 被测磁场的变化，将这种变化调制到磁化状态 上去。当检测线圈两端的激励电流为零时（即 窄脉冲的下降沿），利用电磁感应效应把被测 磁场变化转化成感应电压。感应电压检出器则 把线圈所产生的感应电压的峰值取出来，向外 输出。非晶态合金膜片式压力传感器 该传感器利用非晶态合金的磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应制成。 磁致伸缩效应既磁性体在外加磁

4、场作用下发生机械形变；反之，外 力作用下的机械形变会改变该磁性体的磁化状态。图示为非晶态合 金膜片。膜片周围固定在方形框上。上面装有驱动磁头D1和检测磁 头D2 。D1产生正弦交变磁场，使膜片产生同频率的机械形变。同 时，该机械形变在D2端表现为交变的磁化状态，D2通过 一定方法（例如将非晶态合金膜片作为电 感传感器的磁心）将此交变磁化状态转换 为正弦电压信号。若垂直于膜片加静态压 强p，则膜片弯曲，膜片的磁化状态因此 发生改变。D2所检测电压幅值Em与膜片 所受压强p有线性关系。二 超导体传感器 1 超导红外传感器当红外辐射照射到超导体上时，其导电率发生变化。这样，根据 超导体导电率的变化，

5、可以检测红外辐射能量。超导红外探测器与传统红外探测器相比具有明显优势：更宽的 响应波段范围。在红外和可见光系统难以工作的雾、烟、尘环 境中,可继续正常工作。列阵器件适合红外热成像系统。相对于低温超导，高温超导具有更为广阔的应用前景。高温超导 红外探测器是红外至毫米波段的优良接收器，它可用于诸多领域 ： 军事上，作为红外（尤其是远红外）亚毫米波行扫描仪， 远红外激光器的接收器件，红外前视系统，热像仪（用于大于 20m至亚毫米波段的成像），用于精密制导、火控、红外； 民用上，用于低温测温仪、光谱仪、天文探测，特别是天文卫星 对外层空间的探测、长波地物辐射波谱检测、托克马克离子体电 子温度测量等。2

6、 超导可见光传感器超导可见光传感器多用超导陶瓷材料制成。若将绝缘 薄膜夹置于两不同超导陶瓷之间，即使不加电压也会 有电流从超导陶瓷1流向超导陶瓷2。该现象称为约瑟 夫逊效应，该结构称为约瑟夫逊结。若有光子入射，则在约瑟夫逊结中的电流也将发生变 化。因此，通过测量电流变化，可以检测光信号大小 ，这就是可见光超导传感器工作原理。3 超导微波传感器微波是波长为1m1mm的电磁波。微波相对于光波和红外线等电 磁波具有下列特点：遇到各种障碍物易于反射；传输过程中 受烟、火焰、灰尘、强光等的影响很小；介质对微波的吸收与 介质的介电常数成比例。以上特点构成了微波检测的基础。超导 微波检测的原理如下：将绝缘薄

7、膜夹置于两超导体之间，即构成了隧道结；若两超导体 之间存在电势差，则在隧道结中产生电流。当隧道结受到微波辐 射时，其电流电压特性改变。因此，可以利用这个特性检测微 波，而且具有超高灵敏性能，一般将用于测频率为10THz的微波 信号。4 超导磁场传感器图示为超导磁场传感器原理图。当 超导环受到磁场作用时，超导体内 部超导电流排斥磁场，环内磁场为 零。超导电流Is只与外磁场强度B 成正比。若测量出Is值的大小，则 可确定磁场强度B值。须指出，电 流Is并不与外加磁场强度B有严格 的正比关系，而与磁通（=BS ）成正比，其中S为超导环的面积 。5 超导温度传感器在低温工程和低温物理的研究中，常常会遇

8、到测量精 度要求较高和时间响应小的场合，超导温度传感器可 满足此类要求。超导材料的电阻值从常导转变为超导的过程是在一个 温度范围内完成的，该温度范围称为超导转变温度区 域。超导材料电阻的变化可用电压信号精确检出，故 其灵敏度很高。利用它的这种有利特性，并适当调节 超导转变温度范围的宽度可以制成不同量程的高精度 温度传感器。三 液晶传感器液晶受电场、磁场、热能及声能等作用时，能 引起双折射性、二色性、旋光性等光学效应， 利用这些效应，可以制成各种液晶传感器。1 液晶电磁场传感器液晶电磁场传感器的工作原理如 图所示。若将经过垂直排列处理 的液晶玻璃（使其分子成垂直排 列）放在一块集成电路板上，当

9、给电路通电工作时，有电流流过 的地方，液晶分子由于受到电磁 场的作用，立即变为无规则排列 ，这些地方可以透过光线变亮； 没有流过电流的地方难以透过光 线仍然为暗。利用这个特性，可 以对集成电路板质量进行检测， 也可对绝缘膜有无缺陷作检查。2 液晶电压传感器液晶电压传感器工作原理为：经过垂直排列处理的液晶分子，在 外加电压作用下，其分子排列向水平排列转换，而且转换分子的 数量随外加电压的大小而变化，光线仅仅能通过液晶分子水平排 列的那部分。因此，可以通过测量透光液晶容器的长度来确定外 加电压状况。 3 液晶超声波传感器当超声波射在液晶容器上时，液晶的光学性能发生变化。因此， 可以将超声波图像转换

10、成可见光图像。在超声源和液晶器件之间 放置要成像的物体，在液晶器上，受到超声辐射和未受超声辐射 部分的分子排列不同，因而在液晶器件上能显示出可见光的物体 轮廓图像。4 液晶温度传感器如图所示，由He-Ne激光器发出单色光，通过光纤投 射到液晶上，液晶的反射光又通过接受光纤照射到光 电管上。若入射光强为固定不变的，则反射光强是液 晶温度的函数，从而实现了温度电压的转换。若使 液晶与被测物体表面接触，则可根据输出电压确定被 测物表面温度。为了补偿光源不稳定及其他环境因素 的影响，传感器中增设一束参比光纤，其射入同一光 源的单色光，出射光照射到另一光电管上。两光电管 性能相同，它们的输出分别接到差动

11、放大器的两个输 入端，差动放大器输出电压信号与被测温度成一定关 系。四 薄膜传感器1 薄膜应变电阻传感器 合金薄膜传感器的基本结构如图所示。首先，在弹性 基底上溅射一层介质层(如Al2O3层)，再溅射敏感层( 如Ni-Cr层)；然后在其上蒸发一层金属，用光刻法刻 出电极端，在电极端用热压法焊上金丝作为电极引线 ；整个芯片密封在传感器壳体中，接入转换电路（如 惠斯登电桥）。当传感器承受压力时，Ni-Cr应变片承 受应变后，电阻值产生变化，接入惠斯登电桥中，电 桥失衡，产生输出电压。该传感器具有制作工 艺环节少、稳定性和 灵敏系数较高、量程 很大等优点，现已制 成了大量程称重、加 速度、压力传感器

12、等 。2 薄膜热敏传感器当薄膜材料吸收红外辐射或受热源直接加热后，将会 导致薄膜材料温度特性的变化，而测量这种变化就可 以作为红外辐射或热源能量的度量。最常用的热敏传 感器就是根据薄膜的电阻随温度变化的性质而进行测 量的。如果温度变化是由吸收红外辐射构成的，这种 传感器就称为辐射热传感器；如果温度变化是由直接 接触造成的，这种传感器可以通过淀积一层红外吸收 膜转变成薄膜辐射热传感器。该传感器的敏感元件(电 阻元件)是用具有高温度电阻率系数的材料制成的薄膜 。3 薄膜气敏传感器薄膜气敏传感器的工作原理类似于烧结型气敏传感器，都是利用 吸附被测气体分子从而改变自身导电能力的特性制成的。需指出 ，吸

13、附不同气体后其导电能力变化趋势不同。例如，吸附O2、 NO2等氧化性气体后电阻升高，吸附H2、CO等还原性气体后则 电阻降低。被吸附的氧分子又可再吸附还原性气体的分子。为了进一步提高薄膜气敏传感器性能，近年来，使用添加剂，特 别是使用稀土添加剂之后，气敏元件的性能得到了显著改善。当 气体与固体催化剂接触时，气体可以在催化剂表面发生吸附现象 ，且化学吸附比物理吸附更重要。因反应物在催化剂表面上化学 吸附成为活化吸附态，从而降低反应活化能，提高反应速度，控 制反应方向。4 薄膜磁敏传感器薄膜磁敏传感器的工作原理是建立在磁性金属薄膜的磁阻效应 基础上 的。其电阻的大小随薄膜的霍尔迁移率H及磁通密度B

14、 之积的平方而变化。在磁阻薄膜的应用中，最先得到重视的是制成磁阻磁头，用来 读取高密度磁记录信号。因为在高密度磁记录条件下，对应于每 个记录位的磁通量是十分微弱的。如果用常规的电感式磁头读取 信息，信噪比已经不能满足要求，若用薄膜磁阻磁头读取信息， 其输出电压与转速无关，这是读取高密度磁记录信号的理想手段 。为了检测或控制旋转物理量转速、角度、位置而使用旋转编 码器。目前广泛使用的是光编码器，这种器件在长期使用过程中 耐油污、粉尘的能力差。加上它的结构复杂，难于小型化，功耗 亦大，目前正在被磁性编码器取代。磁性编码器由磁阻传感器和 多极磁鼓构成，结构简单、安装方便、成本便宜、功耗低、使用 寿命

15、长。 5 压电薄膜传感器PVDF(Poly Vinyli Dence Floride)是一种有机高分子功能材料， 其化学名称为聚偏二氟乙烯。 PVDF材料可用热成形法加工成膜 状、管状和粒状,其中以薄膜状用得较多。PVDF薄膜厚度约为几 十微米，具有优良的柔性及压电特性，可用来代替压电陶瓷制作 机器人的触觉传感器。例如已采用PVDF作敏感材料制作了触觉 传感器，用于分析人手指纹的形状与功能，打破了传统的制作单 触觉传感器的局限。用普通橡胶制成有指纹状及有许多小凸点的 两种表皮，将其放在PVDF薄膜上形成触觉兼滑觉的复合传感器 ，当机器人的手爪（传感器）表面开始接触物体时，接触阶跃性 应力使PV

16、DF产生电荷，经电荷放大器，变为触觉信号。而工件 相对于传感器表层滑动时，摩擦力变化引起传感器表层的诱导振 动，该诱导振动使PVDF产生交变电压信号。五 微机械传感器微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造 出来的新型传感器。其中，用微机械加工技术 制作的传感器称为微机械传感器。 大部分微机械传感器都用半导体硅制作，不仅 因为硅具有极优越的机械和电性能，更重要的 是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚 微米到毫微米级微元件和微结构，且能达到很 高的加工精度。 1 微机械压力传感器从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两 类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感 膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。目前，压 阻式压力传感器的精度可达0.05%0.01，年稳定性达0.1 /F.S，温度误差为0.0002，耐压可达几百兆帕，过电压保护范 围可达传感器量程的20倍以上，并能进行大范围下的全温补偿。 微机械压力传感器的发展集中在高灵敏度的压力传感器和高温工 作的压力传感器两个方面。利用S