微型感測器

針對微感測器技術發展速度快，一些理論、方法及實現技術尚未成熟的特點，本書緊密結合微感測器的最新發展動態，對熱、輻射、機械、磁、化學量微感測器的基本理論及實現技術進行分類闡述，同時介紹了微感測器系統及其數據獲取與處理方面的知識，旨在為讀者提供一本微感測器方面的入門讀物。本書幫助讀者在掌握微感測器基礎知識的基礎上，建立微感測器設計、研究、製作及實驗分析等方面的基本概念。當遇到具體的微感測器問題時，能查到專業文獻，能讀懂文獻內容，能自行設計實驗，能對實驗結果進行分析總結。

本書可供高等工科院校微機電系統、測控技術與儀器、自動化工程、機電一體化及儀器儀錶等專業師生使用，也可供從事儀器相關專業的研究、設計、製造、使用的工程技術人員學習和參考。

1 引言

1.1　微電子與微感測器

1.1.1 微電子與微器件

1.1.2　微感測器

1.1.3 微機電系統

1.1.4　微器件的相關理論與技術

1.2　微感測器與測量系統

1.2.1 測量系統

1.2.2　微感測器的分類

1.2.3 微感測器系統

1.3 本書內容的學習

1.3.1 專業文獻的查找

1.3.2 專業文獻的閱讀

1.3.3　數據的總結與表達

推薦閱讀

練習與思考34

2微感測器與信號36

2.1微感測器的理想特性及實用中的局限性36

2.1.1微感測器的誤差36

2.1.2微感測器的靜態特性38

2.1.3微感測器的動態特性44

2.2微感測器的標定48

2.2.1微感測器標定的基本概念48

2.2.2精度、精密度、誤差、不確定度49

2.2.3微感測器的標定與數據處理51

2.2.4微感測器標定實驗的設計53

2.3微感測器信號的數據獲取55

2.3.1微感測器的信號調理56

2.3.2介面與數域57

2.3.3電阻的檢測59

2.3.4電容的檢測65

推薦閱讀75

練習與思考75

3微感測器的常用材料及加工工藝78

3.1材料的基本知識78

3.1.1材料的基本物理特性78

3.1.2導體、半導體和電介質材料81

3.1.3MEMS常用材料84

3.2微感測器的常用材料86

3.2.1半導體敏感材料86

3.2.2敏感陶瓷材料87

3.2.3高分子敏感材料94

3.2.4磁性材料101

3.2.5微感測器的封裝104

3.3常用的微加工技術106

3.3.1硅的刻蝕技術106

3.3.2表面膜的加工工藝111

3.3.3硅的平面微加工工藝119

3.3.4三維結構的微加工工藝121

推薦閱讀123

練習與思考124

4熱學量微感測器125

4.1基本知識及定義125

4.1.1基本的熱學量126

4.1.2溫度及其標定127

4.1.3熱學量微感測器的分類131

4.2熱電偶132

4.2.1熱電效應132

4.2.2熱電偶的材料及其製作133

4.3熱電阻138

4.3.1金屬熱電阻138

4.3.2半導體熱敏電阻140

4.4熱敏二極體和熱敏三極體142

4.4.1熱敏二極體142

4.4.2熱敏三極體143

4.5其他形式的熱學量感測器144

4.5.1石英體聲波溫度感測器144

4.5.2聲表面波溫度感測器147

4.5.3光纖溫度感測器150

推薦閱讀153

練習與思考153

5輻射量微感測器155

5.1輻射量微感測器的基本概念與定義155

5.1.1核輻射與電磁輻射155

5.1.2輻射的計量參數157

5.1.3輻射量微感測器的分類159

5.2核輻射微感測器160

5.2.1核輻射的類型及其計量161

5.2.2閃爍探測器163

5.2.3固態探測器166

5.3紫外光、可見光與近紅外光微感測器168

5.3.1電導型光敏微感測器168

5.3.2光電型光敏微感測器173

5.4紅外輻射微感測器179

5.4.1紅外輻射的基本知識179

5.4.2紅外光敏微感測器181

5.4.3紅外熱敏微感測器184

推薦閱讀188

練習與思考188

6機械量微感測器190

6.1機械量的測量190

6.1.1常見機械量及機械量微感測器190

6.1.2微機械元件192

6.1.3微機械諧振器197

6.1.4諧振式微感測器204

6.2壓力微感測器209

6.2.1壓力測量的基本概念209

6.2.2壓阻式壓力微感測器211

6.2.3電容式壓力微感測器216

6.2.4硅諧振式壓力微感測器221

6.3加速度微感測器225

6.3.1加速度微感測器的基本概念225

6.3.2壓阻式加速度微感測器227

6.3.3電容式加速度微感測器231

6.3.4諧振式加速度微感測器236

6.4流量微感測器241

6.4.1機械式流量微感測器241

6.4.2熱式流量微感測器243

推薦閱讀244

練習與思考244

7磁微感測器246

7.1磁微感測器的基本知識246

7.1.1磁場的描述246

7.1.2微感測器中的磁效應247

7.2霍爾感測器250

7.2.1霍爾效應250

7.2.2基於霍爾效應的微感測器251

7.2.3霍爾感測器的檢測電路254

7.3磁阻效應與磁敏電阻257

7.3.1磁阻效應257

7.3.2各向異性磁敏電阻258

7.3.3巨磁阻微感測器260

7.4磁敏二極體及磁敏三極體263

7.5磁微感測器的典型應用264

推薦閱讀271

練習與思考271

8化學量微感測器常用技術273

8.1電化學檢測技術273

8.1.1電極電位與電極過程273

8.1.2電化學分析方法284

8.1.3離子選擇電極290

8.2石英晶體微天平297

8.2.1石英晶體諧振器298

8.2.2石英晶體諧振器對錶面負載的敏感特性301

8.2.3石英晶體微天平在化學量檢測方面的應用304

8.3表面等離子體諧振檢測技術308

8.4主元分析方法313

8.4.1多元數據分析中的特徵提取313

8.4.2主元分析原理315

8.4.3主元分析實例317

推薦閱讀321

練習與思考322

9化學量微感測器326

9.1化學量微感測器的基本概念326

9.1.1化學量微感測器的基本原理326

9.1.2化學量微感測器的分類328

9.2氣體微感測器331

9.2.1氣體的檢測與氣體微感測器332

9.2.2電化學氣體微感測器335

9.2.3半導體氣體微感測器338

9.2.4濕度敏感元件343

9.2.5基於MEMS技術的氣體微感測器348

9.3生物微感測器350

9.3.1生物微感測器概述351

9.3.2生物微感測器的特性353

9.3.3分子識別與生物探針358

9.3.4生物探針的固定361

9.3.5電化學生物微感測器368

9.3.6熱量型生物微感測器372

9.3.7聲表面波生物微感測器374

9.3.8懸臂樑式生物微感測器377

9.3.9基於MOSFET器件的生物微感測器380

推薦閱讀385

練習與思考385

10微感測器的數據獲取387

10.1准數字感測器387

10.1.1感測器輸出信號的類型及其離散化388

10.1.2准數字感測器中的參數轉換391

10.1.3幾種准數字微感測器392

10.2時間調製信號的數字編碼轉換396

10.2.1頻率測量法397

10.2.2周期測量法399

10.2.3混合測量方法401

10.2.4基於傅里葉變換的頻率-編碼轉換403

10.2.5相位-編碼轉換405

10.3微感測器系統的數據獲取技術407

10.3.1數據獲取系統的基本概念407

10.3.2靈巧感測器的結構及數據獲取409

10.3.3多通道數據獲取系統的主要誤差411

10.4微感測器數據獲取系統的軟硬體協同設計412

10.4.1數據獲取系統的構成及虛擬儀器412

10.4.2數據獲取系統的軟硬體協同設計416

推薦閱讀420

練習與思考421

參考文獻423

⑴就單一感測器而言，微感測器是指尺寸微小的感測器，如敏感元件的尺寸從微米級到毫米級、甚至達到納米級，主要採用精密加工、微電子以及微機電系統技術，實現感測器尺寸的縮小。

⑵就集成的感測器而言，微感測器是指將微小的敏感元件、信號處理器、數據處理裝置封裝在一塊晶元上而形成的集成的感測器。

⑶就感測器系統而言，微感測器是指感測系統中不但包括微感測器，還包括微執行器，可以獨立工作，甚至由多個微感測器組成感測器網路，或者可實現異地聯網。

(1)體積小、重量輕

⑵功耗低

⑶性能好

⑷易於批量生產、成本低

⑸便於集成化和多功能化

⑹提高感測器化智能化水平

按照被測量的物理性質，將微型感測器分為化學微感測器、生物微感測器、物理微感測器等，簡要介紹一下每種類型中典型的微感測器：

（1）離子感測器——化學型

離子感測器是將溶液中的離子活度轉換為電信號的感測器。基本原理是利用固定在敏感膜上的離子識別材料有選擇性的結合被感測的離子，從而發生膜電位或膜電壓的改變，達到檢測目的。離子敏感測器廣泛用在化學、醫藥、食品以及生物工程等行業中。

（2）基因感測器——生物型

基因感測器通過固定在感受器表面上的已知核苷酸序列的單鏈脫氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid,DNA）分子（也稱為ssDNA探針），和另一條互補的ssDNA分子（也稱為目稱DNA或靶DNA）雜交，形成雙鏈DNA（dsDNA），換能器將雜交過程或結果所產生的變化轉換成電、光、聲等物理信號，通過解析這些響應信號，給出相關基因的信息。基因感測器也稱DNA感測器。

（3）聲表面波感測器——物理型

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)感測器是利用聲表面波技術和微機電系統技術，將各種非電量信息，如壓力、溫度、流量、磁場強度、加速度、角速度等的變化轉換為聲表面波振器振蕩頻率的變化的裝置。

微型感測器是目前最為成功並最具實用性的微型機電器件，主要包括利用微型膜片的機械形變產生電信號輸出的微型壓力感測器和微型加速度感測器；此外，還有微型溫度感測器、磁場感測器、氣體感測器等，這些微型感測器的面積大多在1 mm2以下。

隨著微電子加工技術，特別是納米加工技術的進一步發展，感測器技術還將從微型感測器進化到納米感測器。這些微型感測器體積小，可實現許多全新的功能，便於大批量和高精度生產，單件成本低，易構成大規模和多功能陣列，這些特點使得它們非常適合於汽車方面的應用。

汽車用感測器是用於汽車顯示和電控系統的各種感測器的統稱。它涉及到很多的物理量感測器和化學量感測器。這些感測器要麼是使司機了解汽車各部分狀態的；要麼是用於控制汽車各部分狀態的。

汽車用溫度感測器主要用於檢測發動機溫度、吸人氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度感測器有熱敏電阻式、線繞電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。這三種類型感測器各有特點，其應用場合也略有區別。熱敏電阻式溫度感測器靈敏度高、響應特性較好，但線性差、適應溫度較低。

其中，通用型的測溫範圍為-50℃～30℃，精度為1.5%，響應時間為10 ms；高溫型為600℃～1000℃，精度為5%，響應時間為10ms；線繞電阻式溫度感測器的精度高，但響應特性差；熱偶電阻式溫度感測器的精度高，測量溫度範圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。其他已實用化的產品有鐵氧體式溫度感測器（測溫範圍為-40℃～120℃，精度為2.0%）、金屬或半導體膜空氣溫度感測器（測溫範圍為-40℃～150℃，精度為2.0%，5%，響應時間約20 ms）等。

微型感測器應用於提高員工工作效率，感測器通常內置於徽章，或者放在辦公傢具上，它們會記錄員工從辦公桌起立、諮詢其它團隊和舉行會議的頻率。讓數據帶來了難以從其它途徑獲得的有關員工工作情況的見解。為了推動協作和提高員工工作效率，它們正利用相關信息作出大大小小的改變，從確定休息時間，到編排工作小組。感測器還能夠揭示員工對辦公空間的使用方式。