第1章 现代检测技术概述-2012

1、1力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度温度电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换器阻抗变换器 笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 实验结果实验结果

2、处理装置处理装置 激发装置激发装置 1.1.1检测系统的基本组成 第一章第一章 现代检测技术概述现代检测技术概述2号31.1.2 检测仪表性能指标 仪表的性能指标：技术、经济及使用等三方面的指标。衡量仪表检测能力的是技术指标。 量程 基本误差与附加误差 精度等级 灵敏度与分辨力 变差 线性度 漂移 可靠性4u量程：用仪表测出被测参数的最高值和最低值，分别称为仪表测量范围的上限和下限。测量范围的上限值和下限值的代数差即为仪表的量程B。 maxminBXXu基本误差与附加误差：基本误差是指仪表在规定的工作条件(参比工作条件)下的误差。附加误差是指仪表未能在规定的工作条件下，使用而产生的另外增加的误

3、差。 0 xx最大引用误差最大引用误差5u精度等级：仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差，记为Q。maxqQ 工业仪表以允许引用误差值大小来划分精度等级，并规定用允许引用误差去掉百分号引用误差去掉百分号( () )后的数字来表示精度等级。后的数字来表示精度等级。 国家规定精度等级分0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七级。 表 仪表的准确度等级和基本误差u灵敏度与分辨力：灵敏度与分辨力：灵敏度：指稳态时仪表的单位输入量变化所引起的输出量的变化。灵敏度K可表示为： yKx6仪表灵敏度高，精度可以提高，但过高的灵敏度会带来读数不稳定的影

4、响。 a) 静态特性曲线是直线 b) 静态特性曲线不是直线 图 仪表的灵敏度静态特性曲线u 分辨率：指测量仪表能够检测出被测信号最小变化量的能力。模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半；模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半；数字式仪表的分辨率则指末位数字所代表的值。数字式仪表的分辨率则指末位数字所代表的值。为了保证检测精度，测量仪表的分辨率应小于系统允许误差为了保证检测精度，测量仪表的分辨率应小于系统允许误差的的l/3l/3或或1/51/5或或1/101/10。例如，右图所示的数字式温度计分辨力为0.1。7u变差变差：指当输入量上升和下降时，对于同一输入值的仪表两相应输出示值之间

5、的代数差。变差又称回差，它表明仪表检验时所得输入量增大的上升曲线和返回的下降曲线出现的不重合现象。这种现象可能是由于仪表内某些元件吸收能量所引起，例如弹性变形的滞后现象，磁性元件的磁滞现象；或者是由于仪表内传动机构的摩擦、间隙等造成的。u线性度：线性度用来说明仪表静态特性对一条指定的直线的吻合程度。 8maxmaxiieyyEy例如：采用连接特性曲线上、下限值两端点的直线作基准，以特性曲线与端基直线之间的最大偏差值 与上限值 之比来衡量线性度，称为端基线性度。 maxy作图法求端基直线线性度演示 1拟合曲线（端基直线）拟合曲线（端基直线） 2实际特性曲线实际特性曲线9u漂移：保持仪表输入量不变

6、时，输出示值随时间或温度的改变而缓慢变化称之为漂移。随时间变化的漂移称为时漂。随环境温度变化的漂移称为温漂。 漂移反映仪表工作的稳定性，对于需要长时间运行的仪表，这个指标更为重要。u可靠性：可靠性指仪表在规定工作条件下和规定工作时间内，保持原有技术性能的能力。 *平均无故障时间MTBF (Mean Time Between Failures)：是仪表连续运行时发生一次故障的时间间隔的平均值。假设某仪表在90000h的运行中发生了12次故障，则该仪表的MTBF为7500h。*仪表的平均故障率 ：单位时间内仪表发生故障平均次数。 101.随机误差的正态分布： 设在一定条件下，对一个量（真值为X0）

7、进行N次的等精度重复测量，得到一组测量结果 ，则各值出现的概率密度分布为： 12,Nx xx202()1( )exp22xxP x在正态分布的概率密度函数中包含着随机变量的一些重要信息。一个随机变量具有两个重要的参数：数学期望（被测量真值）x0和方差2。被测量真值x0体现了测量值取值平均的大小，它反映了测量值取值的集中位置，而用方差2来衡量测量值取值在被测量真值x0附近的散布程度。1.1.3 数据处理方法u对测量数据的误差处理：随机误差112.随机误差的特点： (1)集中性(2)对称性(3)有限性(4)抵偿性大量重复测量时所得到的数值，均集中分大量重复测量时所得到的数值，均集中分布在其平均值附

8、近。布在其平均值附近。当测量的次数足够多时，符号相反、绝对当测量的次数足够多时，符号相反、绝对值相等的误差，出现的机会值相等的误差，出现的机会( (或称概率或称概率) )大大致相等致相等 。绝对值很大的误差，出现的机会极少。因绝对值很大的误差，出现的机会极少。因此在有限次的测量中，误差绝对值不超过此在有限次的测量中，误差绝对值不超过一定的范围。一定的范围。从对称性中可以推论出，当测量次数趋于从对称性中可以推论出，当测量次数趋于无穷多时，随机误差的平均值的极限将趋无穷多时，随机误差的平均值的极限将趋于零。于零。121.被测量真值x0的最佳估计在一定条件下对同一待测量进行多次重复测量，获得个测量值

9、，这个测量值的集合称为样本或测量列。可以证明样本的算术平均值 是被测量真值的最佳估计。 服从正态分布的随机变量有两个重要参数：数学期望x0和方差2，即被测量真值x0和标准误差。一般情况下,x0和是未知的并无法知道。x222212111NNNiNNiixx设残余误差 2. 标准误差估计在有限次测量中取: 3.随机误差的处理方法： 133.平均值 的标准偏差的最佳估计前面已经介绍样本平均值 是被测量真值的最佳估计，一般情况下重复若干次测量后，可以由样本平均值来表示测量结果。虽然平均值是样本统计量，但是它本身也是一个随机变量。 xx4. 测量结果的表示xN 对于一组数据进行N次等精度测量，在不考虑系

10、统误差和粗大误差的情况下，所得的数据表示为：xxxzxzN14算术平均值的均方根误差 x算术平均值 121NNiixxxxxnNix每次测量所得测量值 z 置信系数，一般取1，2，3 xxNN测量次数均方根误差 222212111NNNiNN 5.式中各参数含义：iiixx残余误差 xxxzxzN15例：例：对某量进行多次重复的等精度测量，测量次数为10次，在不考虑系统误差和粗大误差的情况下，测量结果如下，试求标准误差和极限误差，并写出测量结果表达式。123.95, 123.45, 123.60, 123.60, 123.87, 123.88, 123.00, 123.85, 123.82,

11、123.6016传感器特性的拟合直线方程式为 假定实际校准点有n个，对应的输出值是y，则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为： ybkx()iiiybkx 最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使 为最小值。 21nii22()()0iiiiybkxxk22()( 1)0iiiybkxb22()iiiiiinx yxyknxx222()iiiiiiixyxx ybnxx从以上二式求出k和b为可得最小二乘法最佳拟合直线方程 bykx11niixxn11niiyynu传感器特性线性拟合：最小二乘法。 17 电子信息科学给人类社会和国民经济带来巨大的、广泛的、深刻的影响!现代检测技术的三大支柱：

12、传感技术信息获取 通信技术信息传输 计算机技术信息处理现代检测技术特点及标志： 长期连续监测事物状态 大量信息分析 自动化、智能化信息处理是核心1.2.1 现代检测技术基础及特点18现代检测系统的处理能力：系统硬件：大规模集成电路、计算机算法程序：快速变化算法、数字滤波、信号卷积、相关分 析、频谱分析、图像处理、信息融合、人工 网络、模糊处理、人工智能等检测系统：自动补偿、自动校准、自诊断等现代检测技术与系统和传统检测方法的主要区别：大范围、多层次的测试设备间进行通讯完成复杂的检测任务现代信息传输特点即实现方法：特点：快速性、有效性基础：高效标准化通信协议接口总线：GPIB,VXI,USB 工

13、业现场总线19SCXI1140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI-1001MAINFRAME SCXISCXI1100 Control PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperatureGPIBSerialDAQ传感器单元传感器单元VXI图象采集图象采集运动控制运动控制PXI硬件硬件应用软件应用软件驱动软件驱动软件1.2.2 现代检测系统基本构成 现代测控系统不仅包括结构集成，还包括功能集成、信息集成和集成环境。系统充分发挥3C优势集控制(Control)、运算(Computing)、通信(communication

14、)于一体。 201.基本型：基于DAQ体系的结构模型传感器1信号调理数据采集卡计算机显示被测量X1传感器2信号调理被测量X2传感器n信号调理被测量Xn被测量X电气参量非电气测量获取信号信号变换预滤波A/D转换多路转换信号分析、处理212.标准通用接口型： 各种仪器模块由数据总线通过标准接口卡组成大型测试系统。包括RS232、GPIB(IEEE488 通用接口测试系统)、VXI、PXI等总线。以GPIB总线为例说明标准通用接口测试系统框图：仪器1子系统仪器n子系统GPIB接口卡计算机仪器2子系统数据总线接口特点：1.在功能上、电气上、机械接插上都按国际标准设计2.内含16条信号线22标准通用接口

15、型标准通用接口型 标准化总线：标准化总线：利用总线技术，能够大大简化系统利用总线技术，能够大大简化系统结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护性，便于实行标准化以及组织规模化的生产，维护性，便于实行标准化以及组织规模化的生产，从而显著降低系统成本。从而显著降低系统成本。 接口的机械结构遵循统一规范，包括接插件的结接口的机械结构遵循统一规范，包括接插件的结构和几何尺寸、引脚定义和数量、插件板的结构构和几何尺寸、引脚定义和数量、插件板的结构和几何尺寸等。通过和几何尺寸等。通过标准总线标准总线将各个台式仪器模将各个台式仪器模块连接起来，也可将有关插板部

16、件模块插入标准块连接起来，也可将有关插板部件模块插入标准机箱扩展槽，即可方便的构成测试系统。机箱扩展槽，即可方便的构成测试系统。23 所谓所谓总线总线是指计算机、测量仪器、自动测试是指计算机、测量仪器、自动测试系统内部以及相互之间系统内部以及相互之间信息传递的公共通路信息传递的公共通路，是计算机和内部测试系统的重要组成部分，是计算机和内部测试系统的重要组成部分，是计算机、自动测试系统乃至网络系统的基是计算机、自动测试系统乃至网络系统的基础。础。 总线的类别很多，分类方式多样，仅按应用总线的类别很多，分类方式多样，仅按应用的场合可分为的场合可分为芯片总线、板内总线、机箱总芯片总线、板内总线、机箱

17、总线、设备互连总线、现场总线及网络总线线、设备互连总线、现场总线及网络总线等等多种类型。多种类型。24 计算机与测控机箱之间互连总线计算机与测控机箱之间互连总线 与计算机相对独立的测控机箱或机柜需要用相与计算机相对独立的测控机箱或机柜需要用相应的总线应的总线(或标准接口或标准接口)与计算机连接，以组成与计算机连接，以组成计算机控制的自动测试系统或网络。计算机控制的自动测试系统或网络。 串行总线串行总线串行总线是指按位传送数据的通串行总线是指按位传送数据的通路。其连接线少、接口简单、成本低、传送距路。其连接线少、接口简单、成本低、传送距离远，被广泛用于离远，被广泛用于PC与外设的连接和计算机网与

18、外设的连接和计算机网络。常用的串行总线有络。常用的串行总线有RS-232C、RS-422A、RS-485、USB及及IEEE-1394等。等。 并行总线并行总线为提高数据传输速率，在集成式为提高数据传输速率，在集成式自动测试系统中大多采用并行总线进行连接。自动测试系统中大多采用并行总线进行连接。并行总线分为标准的和非标准两类。常用的并并行总线分为标准的和非标准两类。常用的并行标准总线有通用接口总线行标准总线有通用接口总线GPIB(IEEE 488)和和SCSI总线。总线。 253.基于网络的测控系统模型：基于现场总线基于现场总线 系统支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统； 可用于过程控制

19、传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信； 可以与工厂自动化的PLC实现互连。261.2.3 现代检测技术发展趋势 检测技术与计算机技术同步、协调向前发展。VXI、compact PCI、PXI技术在未来10年的测试领域中将扮演重要角色。以现场总线(Field Bus)、IEEE 1394(Fire wire)、Internet分布、高速、互连体系等为特征的测试系统将得到广泛应用，总线和网络将是热点问题。对综合测试技术的发展，软件比硬件更重要。系统开放化、通信多元化、远程智能化、人机交互形式多样化、测控系统大型化和微型化、数据处理网络化等将成为工业仪器与测控系统新的发展方向。27 u测量信号处

20、理发展信号处理芯片的出现： 对简化信号处理系统的结构，提高运算速度，加快信号处理的实时能力等，有很大影响。 如：美国Texas公司1986年推出的TMS320(：25芯片，运算速度达1000万次每秒，用其进行1024复数点FFT运算，只需14 ms便可完成。信号分析技术的发展目标是： 进一步提高在线实时能力；提高分辨力和运算精度；扩大和发展新的专用功能；专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉。u开发平台发展趋势 基于网络平台的应用开发环境将成为主流，网络技术、虚拟现实技术、三维成像技术将成为新一代软件应用平台的新特点。 28u传感器技术发展开发新材料 半导体敏感材料发展趋势为：从单晶体到多晶体

21、、非晶体，从单一型材料到复合型材料，原子(分子)型材料的人工合成。另外陶瓷材料、智能材料的研究探索也在不断地深入。研制集成化、多功能化传感器 集成化：在同一芯片上，单个传感器集成一维、二维或三维阵列性传感器，实现“点一线一面一体”的多维图像化(如CCD)；实现单参数检测到多参数检测；将传感器与测量电路等处理电路集成一体化。实现传感器的数字化和智能化 智能化：把传感器与微处理器相结合，使之不仅具有检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自诊断、自补偿等功能。研制开发仿生传感器传感器融合 把各个微传感器的单一功能加以融合，得出综合的输出信息会变得越来越重要。29传感器传感器（Transduce

22、r/Sensor）是能够感受规定的被测量并按一定是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的组成：传感器的组成：电信号电信号电量电量中间量中间量转换元件转换元件转换电路转换电路被测量被测量敏感元件敏感元件1-1-弹簧管弹簧管 2-2-电位器电位器1.3.1 传感器基本组成传感器基本组成例：测量压力的电位器式压力传感器例：测量压力的电位器式压力传感器 传感器名称：变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、传感器名称：变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等探头等30* * *敏感元件敏感元件: :在传感

23、器中直接感受被测量，并转换成与被测在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。量有确定关系、更易于转换的非电量。 在图中，弹簧管将压力转换为角位移在图中，弹簧管将压力转换为角位移材质材质铜合金、不锈钢铜合金、不锈钢结构形式结构形式椭圆管、圆管椭圆管、圆管直径系列直径系列202080mm80mm迟滞迟滞1%1%非线性非线性2%2%31* * *传感元件：传感元件：被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量。成电参量。 图中，图中， 电位器为传感元件，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量它将角位移转换为电参量电阻的

24、变化电阻的变化（RR） * * *测量转换电路：测量转换电路：作用是将传感元件输出的电参量转换成易于作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。处理的电压、电流或频率量。 在图中，当电位器的两端加上电源在图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压输出量是与压力成一定关系的电压UoUo 。 32u按传感器的工作机理，按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等分为物理型、化学型、生物型等 u按构成原理，按构成原理，结构型与物性型两大类结构型与物性型两大类 u 根据传感器的能量转换情况，根据传感

25、器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器量转换型传感器u按照传感器的用途分类按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器位移、压力、振动、温度传感器u根据传感器输出信号：根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 u根据转换过程可逆与否根据转换过程可逆与否 ：单向和双向单向和双向u根据传感器使用电源与否：根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器有源传感器和无源传感器 1.3.2 传感器分类传感器分类331.1.结构型传感器：结构型传感器：依赖依赖结构参数的变化结构参数的变化实现信息转换实现信息转换 利用物理学中场的定律构成

26、的，包括动力场的运动利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是传感定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是传感器的工作原理是器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。，而不是以材料特性变化为基础。 u按构成原理：按构成原理：34举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别: :（1 1）电容式传感器）电容式传感器结构型传感器结构型传感器00rllbCCCd （）01ClllCll 化简得：化简得：00rCCbSlld 输

27、出灵敏度输出灵敏度结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，与构成传感器的结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，与构成传感器的物质的性质无关。物质的性质无关。00rl bCd 352.2.物性型传感器：物性型传感器：依赖敏感元件的依赖敏感元件的物理特性物理特性的变化实现的变化实现信息转换信息转换 利用物质定律构成的利用物质定律构成的, ,如虎克定律、欧姆定律等。如虎克定律、欧姆定律等。物性型传感器的性能随材料的不同而异物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。所有半导体传感器，它利用了物质法则中的外光电效应。所有半导体传感器，以及所有利用各种

28、环境变化而引起的金属、半导体、陶以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。 36（2 2）压敏传感器）压敏传感器物性型传感器物性型传感器物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。压阻效应压阻效应371.1.能量控制型传感器：能量控制型传感器：在信息变化过程中，传感器将从被测对在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信

29、号，的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部这类传感器必须由外部提供激励源，提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。 2.2.能量转换型传感器：能量转换型传感器：又称有源型或发生器型，传感器将从被又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量主要由能量

30、变换元件构成，它不需要外电源。变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。u 根据传感器的能量转换情况根据传感器的能量转换情况38u按照物理原理分类按照物理原理分类n电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； n磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； n压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； n光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式

31、、光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；光导纤维式、红外式、摄像式等；n气电式传感器：电位器式、应变式；气电式传感器：电位器式、应变式； n热电式传感器：热电偶、热电阻；热电式传感器：热电偶、热电阻； n波式传感器：超声波式、微波式等；波式传感器：超声波式、微波式等；n射线式传感器：热辐射式、射线式传感器：热辐射式、射线式；射线式；n半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；n其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式有些传感器的工作

32、原理具有两种以上原理的复合形式, ,如不如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。 391.3.3 现代传感器功能材料现代传感器功能材料功能材料的特点：功能材料的特点：u在性能上以材料的电、磁、声、光等物理、化学和生物学特性在性能上以材料的电、磁、声、光等物理、化学和生物学特性为主，并对最终产品、系统的功能特性起举足轻重的作用；为主，并对最终产品、系统的功能特性起举足轻重的作用；u在用途上常制成元、器件，材料与器件一体化；在用途上常制成元、器件，材料与器件一体化；u在生产制造上，常常是知识密集、多学科交叉、技术含量高的在生产制造上，常常是知识密集、

33、多学科交叉、技术含量高的产品，具有品种多、批量小、更新换代快的特点；产品，具有品种多、批量小、更新换代快的特点；u在微观结构上，功能材料常有超纯、超低缺陷密度、结构高度在微观结构上，功能材料常有超纯、超低缺陷密度、结构高度精细等特点。精细等特点。结构材料：结构材料：人们利用人们利用某些材料具有抵抗外力作用某些材料具有抵抗外力作用而保持自己的形而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能，制造用具、车辆和修状、结构不变的优良力学性能，制造用具、车辆和修建房屋、桥梁等，这些材料称为结构材料。建房屋、桥梁等，这些材料称为结构材料。功能材料：功能材料：人们利用人们利用某些材料优良的物理、化学和生物学性能某

34、些材料优良的物理、化学和生物学性能来来制造具有传导信息、存储或记录、转化或变换能量的制造具有传导信息、存储或记录、转化或变换能量的功能元、器件。具有特定光学、电学、声学、磁学、功能元、器件。具有特定光学、电学、声学、磁学、热学、力学、化学、生物学功能及其相互转化功能，热学、力学、化学、生物学功能及其相互转化功能，并应用于现代高新技术中材料称为并应用于现代高新技术中材料称为功能材料功能材料。40功能材料分类：功能材料分类： 综合材料的化学成分及其物理性质和功能，功能材料大致可综合材料的化学成分及其物理性质和功能，功能材料大致可按图所示分类：按图所示分类：在现代传感器中，用得较多的是：在现代传感器

35、中，用得较多的是：贵金属材料、半导体材料、功能陶贵金属材料、半导体材料、功能陶瓷材料和功能高分子材料。瓷材料和功能高分子材料。413.半导体材料在传感器中的应用半导体材料在传感器中的应用 半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、小型、轻量，而且便于实现传感器的集成化和多功能化。如目前较先进的固态传感器，在一块芯片上可同时集成差压、静压、温度三个传感器，这样的传感器具有温度和压力补偿功能。42功能陶瓷分类：功能陶瓷分类： 陶瓷大体上可分为陶瓷大体上可分为压电陶瓷压电陶瓷、磁性陶瓷磁性陶瓷及及半导体陶瓷半导体陶瓷等，它等，它们可以广泛地应用于热敏、气敏、湿敏、光敏等类型的传感器。们可以广泛地应用于热

36、敏、气敏、湿敏、光敏等类型的传感器。 压电陶瓷压电陶瓷 正压电效应正压电效应是指在某些晶体材料上施加机械应力时，晶体的是指在某些晶体材料上施加机械应力时，晶体的某些表面会产生电荷；某些表面会产生电荷；逆压电效应逆压电效应是指在晶体的某些方向施加电是指在晶体的某些方向施加电场时，晶体会产生几何形状的变化。场时，晶体会产生几何形状的变化。 按晶体结构的特点，压电效应只能存在于没有对称中心按晶体结构的特点，压电效应只能存在于没有对称中心( (即非即非各向同性各向同性) )的晶体中。的晶体中。 陶瓷是由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体，这些多晶陶瓷是由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体，这些多晶体在

37、陶瓷烧结后，通常是无规则地排列的，在实现上表现为各向体在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列的，在实现上表现为各向同性。一般来说，它们是不显示压电效应的。同性。一般来说，它们是不显示压电效应的。43单晶电畴的无规则排列一定温度下对其施加强直流电场 极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性。 44 功能高分子材料在传感器中的应用功能高分子材料在传感器中的应用 由于功能高分子材料成分的可设计性、质轻、加工方便等优由于功能高分子材料成分的可设计性、质轻、加工方便等优点，将其作为传感器的敏感器件材料，已获得多方面的应用。点，将其作为传感器的敏感器件材料，已获得多方面的应用。

38、45四四 功能材料纳米结构功能材料纳米结构1.1.纳米技术纳米技术 纳米科技是纳米科技是9090年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在指在1-100nm1-100nm尺度空内，研究电子、原子和分子运动规律、特尺度空内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。性的高新技术学科。2.2.纳米材料纳米材料 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1 1100nm100nm（1010-9-9m m）间的粒）间的粒子，是处在原

39、子簇和宏观物体交界的过渡区域。它具有子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。它具有表面表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。当。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。463.3.几种典型纳米材料几种典型纳米材料 纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一也称纳

40、米粉末，一般指粒度在般指粒度在100nm100nm以下的粉末或颗以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。规固体的新特性。 用途：用途：单晶硅和精密光学器件抛光单晶硅和精密光学器件抛光材料、微电子封装材料、光电子材材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料等。感元件、高韧性陶瓷材料等。47纳米固体材料纳米固体材料 纳米固体材料通常指由尺纳米固体材料通常指由尺寸

41、小于寸小于1515纳米的超微颗粒纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。生成的致密型固体材料。Fe-B纳米棒48纳米膜材料纳米膜材料 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。 纳米膜分为颗粒膜与致密纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸

42、为纳米级的薄密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。超导材料等。49碳纳米管，是碳纳米管，是19911991年由日本电镜学家年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几

43、纳米至几十纳米，长度可达直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。数微米甚至数毫米。 碳纳米管碳纳米管碳纳米管本身有非常完美碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。能、导热性能和电性能。50 碳纳米管尺寸尽管只有碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的的导电率是铜的1万倍，它的万倍，它的强度是钢的强度是钢的100倍而重量只有

44、倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。中最高的。 如果用碳纳米管做绳索，是唯一如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球地球-月球乘人的电梯，人们在月球定月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏。厘米厚的壁挂式电视屏。

45、514.4.纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术 利用纳米材料制成传感器的敏感元件，必须严格控制工艺过利用纳米材料制成传感器的敏感元件，必须严格控制工艺过程中的工艺条件和工艺方法，才能保证材料一直处于纳米量程中的工艺条件和工艺方法，才能保证材料一直处于纳米量级，纳米材料的优异特性才能发挥出来。级，纳米材料的优异特性才能发挥出来。 纳米材料的制备方法划分为纳米材料的制备方法划分为物理方法物理方法和和化学方法化学方法两大类。两大类。l真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好

46、、粒度可控，但子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。技术设备要求高。l物理粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。l机械球磨法机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。粒分布不均匀。52l气相沉积法

47、气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。纯度高，粒度分布窄。l沉淀法沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。物。l水热合成法水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。理得纳米粒子。其特点纯度高，分

48、散性好、粒度易控制。l溶胶凝胶法溶胶凝胶法 l微乳液法微乳液法 化学方法化学方法53u光刻技术基本流程光刻技术基本流程涂胶：涂胶：在硅等基体材料上涂覆在硅等基体材料上涂覆 光刻胶；光刻胶；前烘：前烘：涂好胶层的样品用烘烤涂好胶层的样品用烘烤 的方式使胶层中的溶剂挥发，的方式使胶层中的溶剂挥发， 使胶层干燥；使胶层干燥；对位与曝光：对位与曝光：一个器件的完整一个器件的完整 图形，常常是通过多种掩模，图形，常常是通过多种掩模， 按先后次序复印在衬底上。按先后次序复印在衬底上。 曝光也称感光。决定图形精确曝光也称感光。决定图形精确 形状和尺寸。形状和尺寸。显影：显影：把已曝光的硅片样品放入到显影液中

49、，使胶层溶解。把已曝光的硅片样品放入到显影液中，使胶层溶解。坚膜：坚膜：把显影后的样品放在一定温度下烘烤，使其硬化。把显影后的样品放在一定温度下烘烤，使其硬化。淀积和去胶：淀积和去胶：坚膜后的样品分为两种情况：一种是用于蚀刻下面的材料；另坚膜后的样品分为两种情况：一种是用于蚀刻下面的材料；另一种则是在样品上淀积所需要的材料，然后去除作为保护膜的光刻胶，形成一种则是在样品上淀积所需要的材料，然后去除作为保护膜的光刻胶，形成所需要的器件图形。所需要的器件图形。 54u光学光刻光学光刻 光学光刻的原理与印光学光刻的原理与印像片相同，只是用涂像片相同，只是用涂覆了感光胶覆了感光胶( (抗蚀剂抗蚀剂)

50、)的硅片取代了相纸，的硅片取代了相纸，掩模版取代了底片。掩模版取代了底片。 光学光刻存在着极限光学光刻存在着极限分辨率较低和焦深不分辨率较低和焦深不足两大问题。足两大问题。UV光光学光刻工艺母板掩膜光刻胶SiO2光刻胶SiO255u电子束光刻电子束光刻n 电子束加工是指利用高能电子束电子束加工是指利用高能电子束流轰击材料，使其产生热效应或流轰击材料，使其产生热效应或辐照化学和物理效应，以达到预辐照化学和物理效应，以达到预定工艺目的。定工艺目的。n 电子束加工根据其所产生的效应电子束加工根据其所产生的效应可分为电子束热加工和电子束非可分为电子束热加工和电子束非热加工两类。热加工两类。n 利用电子

51、束热效应的加工方法，利用电子束热效应的加工方法，称之为电子束热加工称之为电子束热加工n 电子束非热加工是基于电子束的电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用功率密度比较低非热效应，利用功率密度比较低的电子束和电子胶（又称电子抗的电子束和电子胶（又称电子抗蚀剂，由高分子材料组成）相互蚀剂，由高分子材料组成）相互作用，产生的辐射化学或物理效作用，产生的辐射化学或物理效应应56u电子束光刻电子束光刻 电子束光刻与传统意义的光电子束光刻与传统意义的光刻刻( (区域曝光区域曝光) )加工不同，是加工不同，是用束线刻蚀进行图形的加工。用束线刻蚀进行图形的加工。 电子束光刻的主要缺点在于电子束光刻的主要缺

52、点在于产出量，加工过程较慢，不产出量，加工过程较慢，不能用于制造大多数集成电路。能用于制造大多数集成电路。57u离子束光刻离子束光刻 用离子束进行抗蚀剂的曝光始于用离子束进行抗蚀剂的曝光始于8080年代液态金属离子源的年代液态金属离子源的出现。离子束曝光在集成电路工业中主要用于出现。离子束曝光在集成电路工业中主要用于光学掩模的光学掩模的修补修补和和集成电路芯片的修复集成电路芯片的修复。 离子束加工是在真空条件下，将离子束加工是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之具有高的动能能量，轰击工件表面，利用加速聚焦，使之具有高的动能能量，轰击工件表面，利用离子的微观

53、机械撞击实现对材料的加工离子的微观机械撞击实现对材料的加工。 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应撞击效应、溅射效应和注入效应。 58离子束加工原理图59离子束加工工艺示意图（a） 离子束刻蚀（b） 溅射镀膜（c） 离子镀膜（d） 离子注入1-离子流；2-吸极；3-离子束；4-工件；5靶材601.4.2 蚀刻技术蚀刻技术l蚀刻技术就是将不需要的薄膜利用化学溶液或者其他方法去蚀刻技术就是将不需要的薄膜利用化学溶液或者其他方法去除掉。是实现除掉。是实现集成电路图形转移集成电路图形转移的主要技术手段。的主要技

54、术手段。l蚀刻技术分为两类：蚀刻技术分为两类： 一类是湿法蚀刻一类是湿法蚀刻，包括各向同性湿法腐蚀和各向异性湿法，包括各向同性湿法腐蚀和各向异性湿法腐蚀；腐蚀； 另一类是干法蚀刻另一类是干法蚀刻，包括以物理作用为主的离子溅射蚀刻、，包括以物理作用为主的离子溅射蚀刻、以化学反应为主的等离子体蚀刻，以及兼有物理、化学作用的以化学反应为主的等离子体蚀刻，以及兼有物理、化学作用的反应溅射蚀刻。反应溅射蚀刻。61u干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀是利用干法刻蚀是利用高能束或某些气体高能束或某些气体对基体进行去除材料的对基体进行去除材料的加工，被刻蚀表面粗糙度较低，刻蚀效果好，但对工艺条件加工，被刻蚀表面粗糙度较

55、低，刻蚀效果好，但对工艺条件要求较高，加工方式可分为要求较高，加工方式可分为溅射加工溅射加工和和直写加工直写加工，加工工艺，加工工艺主要包括主要包括离子束刻蚀离子束刻蚀和和激光刻蚀激光刻蚀。离子束刻蚀离子束刻蚀离子刻蚀也称溅射刻蚀或去除加工。离子束刻蚀又分为聚离子刻蚀也称溅射刻蚀或去除加工。离子束刻蚀又分为聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀。焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀。激光刻蚀激光刻蚀利用激光对气相或液相物质的良好的透光性利用激光对气相或液相物质的良好的透光性62u湿法刻蚀湿法刻蚀 湿法刻蚀工艺是通过湿法刻蚀工艺是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间化学反化学刻蚀液和被刻蚀物质之间化学反应应，将被刻蚀

56、物质剥离下来，包括，将被刻蚀物质剥离下来，包括各向同性各向同性与与各向异性各向异性刻蚀。刻蚀。各向同性刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等的加工；各向同性刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等的加工；而各向异性刻蚀则是与被刻蚀晶片的结构方向有关的一种而各向异性刻蚀则是与被刻蚀晶片的结构方向有关的一种刻蚀方法，它在特定方向上刻蚀速度大，其它方向上几乎不刻蚀方法，它在特定方向上刻蚀速度大，其它方向上几乎不发生刻蚀。发生刻蚀。631 1扩散扩散 扩散是指将一定数量和种类的杂质掺入到硅片或其他晶体中扩散是指将一定数量和种类的杂质掺入到硅片或其他晶体中去，以改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满去，以改变其

57、电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。足要求。 粒子由高浓度区域向低浓度区域的运动，称为扩散运动。粒子由高浓度区域向低浓度区域的运动，称为扩散运动。浓浓度差的存在度差的存在是扩散运动的必要条件，温度的高低、粒子的大小、是扩散运动的必要条件，温度的高低、粒子的大小、晶体结构初缺陷浓度及粒子运动方式都是决定扩散运动的重要晶体结构初缺陷浓度及粒子运动方式都是决定扩散运动的重要因素。因素。 如果按原始杂质源在室温下的相如果按原始杂质源在室温下的相态加以分类，则可分为固态源扩散、态加以分类，则可分为固态源扩散、液态源扩散和气态源扩散。液态源扩散和气态源扩散。 1.4.3 半导体掺杂半导体掺杂642 2离子注入离子注入 离子注入就是先使待掺杂的原子离子注入就是先使待掺杂的原子( (或分子或分子) )电离，再加速到电离，再加速到一定能量使之注入到晶体中，然后经过退火，使杂质激活达到一定能量使之注入到晶体中，然后经过退火，使杂质激活达到掺杂的目的。掺杂的目的。离子注入原理离子注入原理 离子注入过程是一个非平衡过程。高能离子注入过程是一个非平衡过程。高能离子进入靶后，不断与原子核及核外电子离子进入靶后，不断与原子核及核外电子碰撞，逐步损失能量