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1、 脉冲式光电新型传感器 前言 传感器技术是探测与获取外界信息的重要手段，在当代科学技术中占有十分重要的地位。随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为 90 年代的关键技术之一受到普遍重视，其应用几乎渗透到每一个角落。由于利用某一原理可以作出检测各种不同对象的传感器，而对于同一物理量又可以用很多不同原理的传感器来检测，故而传感器的种类繁杂。正是这么众多的传感器品种，反映出传感器在当今科学技术中活跃的程度。深入研究传感器的原理和应用，对于社会生产、经济交往、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自然的深度和广度都有重要的实际意义。 现在
2、，所有以计算机为基础的测控系统，都需要传感器提供赖以作出实时决策的数据。随着系统的自动化程度和复杂性的增加，对传感器的精度、可靠性和响应，要求的越来越高。而许多传统的传感器，在使用上已经很难再做进一步改善来满足对他们的高要求，特别在缩小体积、减轻重量等方面几乎已无潜力可挖。因此，近些年来，国际上在传感器技术方面，开展了许多探索性的预研工作，非常明显的发展趋势是：沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料（硅、石英、蓝宝石、陶瓷等），采用微机械加工技术和微电子技术，从传统的结构设计转向微机械加工工艺的微结构设计，研制开发出各种机理的集成化、数字化和智能化新型传感器及其系统。1、传感器的定义
3、传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受( 或响应) 与检出功能, 并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器一般被认为由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成, 有时还需外加辅助电源1。传感器可以直接接触被测对象, 也可以不接触。通常对传感器设定了许多技术要求, 有一些是对所有类型传感器都适用的, 也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是: 高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量
4、轻和高强度、宽工作范围等。图一 传感器构成2、下面介绍下脉冲式光电传感器原理及其应用 （1）脉冲式光电传感器原理“脉冲式光电传感器的作用原理是光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是通与断的开关状态，即光电器件受光照时，有电信号输出；光电器件不受光照时，无电信号输出。主要用来测量线位移、线速度、角位移、角速度（转速）等物理量”原理图如图四、图五。2图二 脉冲式数字转速表 图三 调制盘正面示图（2） 这种传感器在电子水表中的运用 -该电子水表的结构该种电子水表的构造主要有测量计数模块、信号分析处理模块、终端统计模块，各部分主要功能介绍： a 测量计数模块 该模块是提高精度方面最重要的模块之一，主要
5、由螺旋式旋转装置，有机玻璃腔（用于装螺旋转轮同时便于红外光线的穿过）计数电路，记录总转数，需要在不同的地方设置3组，测量之后取其平均值，以便结果更准确，原理图见图六 图四 测量计数模块 b 信号分析处理模块 此模块主要用于对测量到的数据进行加工，得到更加直观的显示值，由于有3组螺旋叶片，所以必须对数据进行计算，因为每个螺旋上有3个可以通过光线的孔，所以对每一组螺旋叶片来讲，其计算过程如下：r1=(n1-1)/3 (一天24小时内，r1螺旋叶片转过的圈数，n1表示螺旋叶片1计数器测出的计量次数，其初始值为0)同理可得r2、r3 则，一天24小时内3组螺旋转过的平均总圈数r为r=(r1+r2+r3
6、)/3 若在当前工艺下该螺旋叶片转动80000圈为1吨水，那么每天所用的水的吨数为t=r/80000 (吨)将每日计算的结果存储于存储器中，并在当日凌晨0点自动清零计数模块，在每月的月末的固定时间将该月的用水信息发送给统计终端，由终端进一步计算从而为每个用户提供准确的用水依据。整个设计模块分布如图七所示 图五 信号分析处理模块示意图 c 终端统计模块 该模块功能的实现依赖于无线发送端的准确发送以及计算模块的正常工作，在小范围内实现无线传输同样要重视干扰，通常将发送时间设置在凌晨0点，这样从环境方面降低了干扰的可能性。在终端由操作人员对传来的数据进行统计计算，最终计算出该区域内各个用户使用水的费
7、用，并打印各个用户的使用详情（以日为最小统计单位）作为收费依据图六 终端统计模块示意图 3、传感器的发展动向大致如下： 1、开发新型传感器新型传感器，大致应包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等诸方面。它们之间是互相联系的。传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般来说，它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感
8、器方面投入大量人力、 物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。其中利用量子力学诸效应研制的地灵敏阈传感器，用来检测微弱信号，是发展新动向之一。例如，利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将灵敏阈提高到地磁强度的10-7；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测10-6K的超低温；利用光子滞后效应，做出了响应速度极快的红外传感器等。此外，利用化学效应和生物效应开发的、可供实用的化学传感器和生物传感器，更是具有待开拓的新领域。2、开发新材料近年来对传感器材料的开发研究有较大进展，用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。 （1）半导体敏感材料 半导体敏感材料在传感器技术中具
9、有较大的技术优势，在今后相当长时间内仍占主导地位。半导体硅在力敏、热敏、光敏、磁敏、气敏、离子敏及其它敏感元件，具有广泛用途。 （2）陶瓷材料陶瓷敏感材料在敏感技术中具有较大的技术潜力。陶瓷材料可分为多种。具有电功能的陶瓷又叫电子陶瓷。电子陶瓷可分为绝缘陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷和半导体陶瓷。这些陶瓷在工业测量方面都有广泛的应用。其中以压电陶瓷、半导体陶瓷应用最为广泛。陶瓷敏感材料的发展趋势是继续探索新材料，发展新品种，向高稳定性、高准确度、长寿命和小型化、薄膜化、集成化和多功能化方向发展。半导体陶瓷是传感器应用常用材料，其尤以热敏、湿敏、气敏、电压敏最为突出。热敏淘瓷的主要
10、发展方向是高温陶瓷，如填加不同成分的BaTiO3、ZrO2、Mg(AlCrFe)2O4和ZnO-TiO2-NiO2等；湿敏材料的发展方向是不需要加热清洗的材料；气敏陶瓷的发展方向是不使用催化剂的低温材料和高温材料；电压敏陶瓷材料的发展方向是低压用材料和高压用材料，如ZnO-TiO2为低压用材料，而ZnO-Sb2O2为高压用材料。（3）磁性材料 不少传感器采用磁性材料正向非晶化、薄膜化方向发展。非晶磁性材料具有磁导率高、矫顽力小、电阻率高、耐腐蚀、硬度大等特点，因而将获得越来越广泛的应用。由于非晶体不具有磁的各向同性，因而是一种高磁导率和低损耗的材料，很容易获得旋转磁场，而且在各个方向都可得到高
11、灵敏度的磁场，故可用来制作磁力计或磁通敏感元件，也可以利用应力-磁效应制得高灵敏度的应力传感器，基于磁致伸缩效应的力敏元件也得到发展。由于这类材料灵敏度比坡莫合金高几倍，这就可大大降低涡流损耗，从而获得良好的磁特性，这对高频更为可贵。利用这一特点，可以制造出用磁性晶体很难获得的快速响应型传感器。合成物可用在任意高于居里温度（约200300K）下产生，这就使得发展快速响应的温度传感器成为可能。（4）智能材料 智能材料是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数，研制出生物材料所具有的特性或者优于生物材料性能的人造材料。有人认为，具有下述功能的材料可称之为智能材料：具备对环境的判断可自适应功能
12、；具备自诊断功能；具备自修复功能；具备自增强功能（或称时基功能）。生物体材料的最突出特点是具有时基功能，因此这种传感器特性是微分型的，它对变化分部分比较敏感。反之，长期处于某一环境并习惯了此环境，则灵敏度下降。一般来说，它能适应环境调节其灵敏度。除了生物体材料外，最引人注目的智能材料是形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物。3、新工艺的采用在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称为机械加工技术，是今年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越
13、来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体沉积（CVD）、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。以应变式传感器为例。应变片可分为体型应变片、金属箔式应变片、扩散性应变片和薄膜应变片，而薄膜应变片则是今后的发展趋势，这主要是由于近年来薄膜工艺发展迅速，除采用真空淀积、高频溅射外，还发展了磁控溅射、等离子体增强化学汽相淀积、金属有机化合物汽相淀积、分子束外延、光CVD技术，这些对传感器的发展起了很大推动作用。如目前常见的溅射型应变计，是采用溅射技术直接在应变体即产生应变的柱梁、振动片等弹性体上形成的。这种应变计厚度很薄，大约为传统的箔式应变
14、计的1/10以下，故又称薄膜应变计。溅射型应变计的主要优点是：可靠性好，准确度高，容易做成高阻抗的小型应变计，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和抗冲击性等性能。用化学汽相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低（50300）、可靠性好、系统简单等优点而发展很快，在制备多晶硅微晶硅传感器方面有许多报道。硅杯是力敏元件中非常重要的结构。目前已极少采用机械加工方法加工硅杯，而改为可控的化学腐蚀方法。化学腐蚀方法，可做到工艺稳定，硅杯尺寸很小，膜片均匀度很高，结构从C形、E形、双岛发展到梁膜式，性能和生产率都有很大提高。4、集成化、多功能化与智能化传感器集成化包括两种定义：一是同一功能的多元件并列化，即将同一
15、类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图像传感器就属于这种情况；集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。目前，各类集成化传感器已有许多系列产品，有些已得到广泛应用。集成化已经成为传感器技术发展的一个重要方向。随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。集成化压力传感器有压阻式、电容式、MOSFET等类型。其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。自从压阻效应发现后，有人把四个力敏电阻构成的全桥做在硅膜上，就成为一个集成化压力传感器。国内在80年代就研制出了把压
16、敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器，其性能与国外同类产品相当。由于采用了集成工艺，将压敏部分和集成电路分为几个芯片，然后混合集成为一体。提高了输出性能及可靠性，有较强的抗干扰能力，完全消除了二次仪表带来的误差。传感器的多功能化也是其发展方向之一。所谓多功能化的典型实例，美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度（角速度）和3个角加速度。主要元件是由4个正确安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。多功能化不仅可以降低成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性
17、能指标。为同时测量几种不同的被测参数，可将不同的传感器元件复合在一起，做成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多参数的测量外。还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。由上还可以看出，集成化给固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能传感器。可以
18、说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，可以肯定地说，是传感器重要的发展方向之一。 总之，随着电子技术的发展和各种电子控制系统应用的日益广泛，新型传感器市场需求将保持高速增长，微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为传感器的主流。参考文献1徐科军 传感器与检测技术 M.北京：电子工业出版社，2008年第二版2百度图库 传统水表结构示意图3 曾光宇、杨湖、李博、王浩全M.现代传感器技术与应用基础北京理工大学出版社 (2006-03出版) 4邵培革等. 微机械元件和仪器新进展 J . 光学精密工程. 1999, (7) .
