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1 传感器传感器章节习题章节习题汇总汇总 第八章：光电式传感器：第八章：光电式传感器： 1.试简述三种光电效应原理及其应用试简述三种光电效应原理及其应用： 物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。 光电子发射效应（外光电效应） ：光电子发射效应（外光电效应） ：当物质受到光照射时，电子得到了 足够的光能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子发射。 应用：普通光电管和光电倍增管 光电导效应（内光电效应）光电导效应（内光电效应） ：当物质受到光的照射时，载流子的浓度 增加，电导率增大的现象，称为光电导效应。应用：光敏电阻 光生伏特效应（内光电效应）光生伏特效应（内光电效应） ：当物质受到光的照射时，两种材料的 界面上产生电动势的效应，称为光生伏特效应。应用：光电池 2 2.光电传感器有哪几种类型？光电传感器有哪几种类型？ 答：如果按光电传感器的输出量信号划分，可分为开关型和模拟型。 模拟型光电式传感器再按被测物、光源、光电元件三者的关系划分， 可以分为四种类型。 (1) 光源本身是被测物， 被测物发出的光投射到光电元件上， 光电元件 的输出反映了光源的某些物理参数。 (2) 恒光源发射的光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上， 吸收量决定于被测物的某些参数。 (3) 恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后被反射到光电元件上， 光电元件的输出反映了被测物的某些参数。 (4) 恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，被遮挡 了一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸。开关型光电式传感 器把被测量转换成断续变化的光电流， 而输出为开关量或数字的电信 号。这一类型主要用于转速测量、模拟开关、位置开关等 3 3.请简述请简述 CCD 传感器工作原理及其优点，列举三条以上：传感器工作原理及其优点，列举三条以上： 工作原理：工作原理： CCD（Charge Coupled Device） ，它使用一种高感光度的半导体材料制 成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。 优点：优点： (1)寿命长。CCD 摄像管的寿命约 20 到 30 年。 (2)成本低。用 CCD 摄像管构成的摄像机没有电子枪及其附属设备， 体积小，成本低。 (3)机械性能好，耐震、耐撞，不怕强光照射。 (4)重合精度高。摄像管与镜头固定牢固，匹配精确。 (5)暂留特性好，适于拍摄运动图像。 4 4.光纤传感器的工作原理，组成及特点和光纤传感器的工作原理，组成及特点和一种一种应用：应用： 工作原理工作原理： 被测量对光纤传输的光进行调制， 使传输光的强度 （振幅） 相位、频率或偏振态随着被测量变化而变化，再通过对被调制过的光 信号进行检测与解调，从而获得被测参数。 特点： （1）抗电磁干扰能力强； （2）灵敏度高。 （3）重量轻、体积小。 （4）适于遥测。可以利用光通讯技术组成遥测网。 应用：光纤流量计，光纤血流计，光纤加速度传感器等 5 第十第十三三章：章：MEMSMEMS 传感器：传感器： 1.集成电路集成电路工艺工艺与与 MEMS 器件器件工艺工艺特点比较？特点比较？ 答：集成电路：薄膜工艺；制作各种晶体管、电阻电容等；重视电参 数的准确性和一致性；MEMS：工艺多样化；制作梁、隔膜、凹槽、 孔、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构；更重视材料 的机械特性，特别是应力特性。集成电路技术拥有成熟设计方法学和 工业标准，加工制造技术是已经验证并规范成文的，能够实现大批量 生产，在封装技术上也相当完善；MEMS 缺乏工程设计方法学和工业 标准，其加工制造技术以集成电路加工技术为基础，拥有自己独特的 制造技术，而其封装技术尚处于萌芽时期，面临严峻挑战。 2.MEMS 与传统机械的区别：与传统机械的区别： (1)微尺寸效应：当纳米微粒的尺寸与光的波长、电子德布罗意波 长、超导相干波长和透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，体现出 传统固体所不具备的许多特殊性质； (2)量子尺寸效应： 指当粒子尺寸下降到某一数值时， 费米能级附近的 电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。 (3)加工方式： 起源于半导体和微电子工艺， 以光刻、 外延、 薄膜淀积、 氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步 骤来制造复杂三维形体的微加工技术。起源于半导体和微电子工艺， 以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、 划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。 6 3.MEMS 的的定义及其定义及其特点：特点： 定义：微机电系统（MEMS）是指用微机械加工技术制作的包括微传 感器、微致动器、微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线 路组成的微机电器件与装置。 特点：微小型、智能、集成、高可靠性 4.试简要论述试简要论述 MEMS 的发展的发展面临的挑战：面临的挑战： (1)商业化：MEMS 的商业化对加工设备和代工厂提出了很高的要求。 (2)CAD 工具：需要强大的 CAD 工具对 MEMS 器件设计进行仿真和模 拟。 (3)可靠性和功能测试： MEMS 器件的可靠性及功能测试包含众多领域， 相比 IC 器件的测试成本更高。 (4)封装：MEMS 器件的封装技术尚处于萌芽阶段，对于不同的 MEMS 器件，其封装方法各不相同，而且封装成本昂贵，在总成本中的比例 高达 70%。 (5)行业标准与规范：目前 MEMS 领域缺乏统一的行业标准，缺乏相 关贸易组织机构、MEMS 产业发展的路线等基本标准化体系建设。 7 5.试简要介绍几种常用的试简要介绍几种常用的 MEMS 加工工艺：加工工艺： (1)物理气相淀积(Physical Vapour Deposition ) 物理气相淀积是利用某种物理过程， 例如蒸发或溅射过程来实现物质 转移，即把原子或分子由源转移到衬底表面上，从而淀积形成薄膜， 整个过程不涉及化学反应，常用的有真空蒸发和溅射。 (2)化学气相淀积(Chemical Vapour Deposition) 指把含有构成薄膜元素的两种或两种以上的气态原材料导入到一个 反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉 积到晶片表面上。 (3)电镀（Electroplating） ； (4)旋转铸模 （Spin Casting） ； (5)溶胶-凝胶（SolGel Deposition） ； (6)光刻(Photolithography )； (7)刻蚀: 干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀； (8)键合技术。 8 6.请简要说明一种请简要说明一种 MEMS 传感器的传感器的结构，原理，及设计的优点结构，原理，及设计的优点： 答：开发性答案，下面只给出一种参考答案 对于横向梳齿驱动器件，忽略边缘电容 当自由叉指运动 x 距离后，这两个电容器的电容值变为： sl= 00 0x = 00 0+ 总电容 tot= sl+ 位移灵敏度 = tot = 00( 1 (0) 2 ( 1 0+) 2 优点：(1)传感器对于温度的敏感性不高； (2)结构简单易于通过半导体制造工艺加工。 9 第十第十四四章：章：MEMSMEMS 封装：封装： 1.MEMS 封装与封装与 IC 封装的区别，列举三点即可：封装的区别，列举三点即可： IC 封装有标准的封装类型；有标准封装工艺；有共同的失效模式；封 装成本较低。 MEMS 封装很多情况下是专用封装；难以形成标准封装工艺；失效模 式有其独特型；封装占 MEMS 的成本；30%-80%。 2.试试列举列举三种基本三种基本 MEMS 封装封装，并分别说明它们的特点，并分别说明它们的特点 金属封装： (1)优良的电磁屏蔽、 散热 、 电、 机械性能； (2)可靠性好。 陶瓷封装：(1) 电、热性能优良；(2)可靠性好。 塑料封装：(1) 介电特性优于陶瓷；(2)可靠性差。 3.试简要说明三种试简要说明三种 MEMS 封装的层次封装的层次 器件级封装：由 MEMS 器件、电源、信号调理和补偿、以及与系统的 机械和电的接口等几部分组成。 圆片级封装：在整个圆片上完成封装，再将器件从圆片上分割下来。 系统级封装：把两个或两个以上的芯片、无源元件或微机械组件等封 装在一个封装体内并能实现一定功能的系统或子系统 4.试列举几种测试封装可靠性的方法 X 射线照相，超声检测，温度循环 10 第十五章：智能传感器：第十五章：智能传感器： 1.什么是智能传感器，并举例说明什么是智能传感器，并举例说明 智能传感器： 带有微处理单元， 兼有信息检测、 信息处理、 信息记忆、 逻辑思维与判断功能的传感器。 美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在 1983 年开发的 ST3000 系列智能 压力传感器。它具有的多参数传感(差压、静压和温度)与智能化的信 号调理功能。 2.智能传感器需要实现的功能，列举三条以上智能传感器需要实现的功能，列举三条以上 (1)能提供更全面、更真实的信息，消除异常值、例外值。 (2)具有信号处理包括温度补偿、线性化等功能。 (3)随机调整和自适应。 (4)一定程度的存储、识别和自诊断。 (5)含有特定算法并可根据需要改变算法。 3.智能传感器的层次结构一般是怎样的？智能传感器的层次结构一般是怎样的？ (1)底层，分布并行传感过程，实现被测信号的收集。 (2)中间层，将收集到的信号融合或集成，实现信息处理。 (3)顶层，中央集中抽象过程，实现融合或集成后的信息的知识处理。 11 4.智能传感器的特点是什么，并简要说明智能传感器的特点是什么，并简要说明其中两点其中两点 （一）高精度 智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到 高精度指标。 （二）宽量程 智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载能力。 （三）多参数、多功能测量 （四）自适应（Self-adaptive）能力强 （五） 自校准和自标定 （六） 超小型化、微型化、微功耗 12 5.试根据所学知识，构建一个智能传感器系统，绘图并说明其工作原试根据所学知识，构建一个智能传感器系统，绘图并说明其工作原 理理。 解： 如图所示是一个检测环境参数的智能传感器系统： (1)红外传感器将被检测目标的温度转为电信号， AD 后输入单片机； (2)温度传感器将环境温度转换为电信号， 经AD变换后输入单片机； (3)单片机中存放有红外传感器的非线性校正数据； (4)红外传感器检测的数据经单片机计算处理，消除非线性误差后； (5)可获得被测目标的温度特性与环境温度的关系； (6)供记录、显示、存储备用。 13 第十六章：传感器网络：第十六章：传感器网络： 1. 现代传感器网现代传感器网络络的的特点特点： (1)传感器技术嵌入式计算技术分布式信息处理技术无线通信 技术 (2)传感器节点密集 (3)传感器节点静止或移动 (4)具有通信路径自组织能力(Ad Hoc) (5)感知信息通过多跳的方式传输给用户 2. 传感器网络的定传感器网络的定义义是是什么什么： 传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方 式构成的无线网络, 其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆 盖地理区域内感知对象的监测信息, 报告给用户。 3.物联网物联网的的定义定义是什么是什么？ 通过射频识别（ RFID） 、红外感应器、全球定位系统、激光扫描 器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来， 进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理 的一种网络。 14 4. WSN 路由协议特路由协议特点点： (1)自组织的网络（随