【文章內容簡介】 量的目的。探索已知材料的新功能和研究具有新功能的新材料對研究新型傳感器及具有十分重要的意義。~400K的超低溫。陶瓷材料：具有半導體材料的某些功能，但工作溫度極限有很大的擴展?？芍瞥蓽囟?、壓力、氣體傳感器等4) 微細加工技術的發(fā)展：傳感器的小型化為傳感器的使用帶來巨大的方便，微細加工可以制造出超小型而價格便宜的傳感器。5) 新領域、新原理的發(fā)展：新領域：極限參數(shù)(超高、超低)，特殊參數(shù)(嗅覺、味覺、顏色識別等)新的化學反應、仿生學等開發(fā)出新的傳感器新原理：激光、半導體、光導纖維、遙感技術、近代物理、信息論、自控理論等第2章 新型原理及新材料、新加工工藝一、 新型傳感效應傳感器利用看了諸多的效應(包括物理效應、化學反應和生物效應)和物理現(xiàn)象，如利用材料的壓阻、壓電、熱電、光電及應變等效應，把力、熱、光、磁或濕等被測量變換成電量。而新原理、新效應(如約瑟夫森效應)的發(fā)現(xiàn)和利用，新型材料的開發(fā)和應用，使傳感器得到很大的發(fā)展，并逐步成為傳感器發(fā)展的主流。因此，了解傳感器所基于的各種效應，對傳感器的深入理解、開發(fā)和使用是非常必要的。 (光效應、磁效應、力效應、化學效應、生物效應等)1） 光效應(光電導效應、光伏效應等光電效應，克爾效應、光彈效應等電光效應，光的多普勒效應)a) 光電導效應b) 光伏效應c) 科頓效應2） 磁效應(法拉第效應、克爾效應等磁光效應，霍爾效應、磁阻效應等磁電效應，磁致伸縮、威德曼效應等壓磁效應，約瑟夫效應，核磁共振等)a) 法拉第效應b) 霍爾效應3） 力效應(壓電效應、磁致伸縮、電致伸縮、壓阻效應等)4） 化學效應(表面吸附效應、可頓效應、飽和效應、電泳效應、彼德效應等)5） 多普勒效應二、 新型敏感材料1） 半導體敏材料2） 光導纖維3） 高分子材料4） 石英材料三、 新加工工藝1） 薄膜加工工藝2） 光學曝光微加工工藝3） 激光微細加工4） 光纖制造技術自然規(guī)律與傳感器傳感器之所以能正確傳遞信息、具有信號轉換的功能，是因為它利用了自然規(guī)律中的各種定律、法則和效應。因此對這些定律、法則、效應等的深入研究，無疑是理解、掌握和應用傳感器的理論基礎，而且有助于新型傳感器的開發(fā)。這些基本定律和法則可歸納為四個方面：守恒定律、場的定律、統(tǒng)計法則和物質定律。本部分討論這些定律和法則與傳感器的關系。一、守恒定律守恒定律是自然界的最基本的定律，它包括能量、動量員和電荷量等守恒定律。利用能量守恒定律構成的傳感器有空速管、孔板式和噴嘴式流量計等。例如，空速管或稱比托(Pitot)管，它是根據流體的差壓來測量非粘性流體(如空氣)的流速，如圖所示。它是由連在一起的兩層同軸細玻璃管和差壓傳感器組成。測量時，正對流體的小口2處形成一個停滯點，故其流速為零，壓力為P2(全壓)，而側口1由于與流體流動方向平行，由此該處的流速為待測流速，壓力為P1(靜壓)。如果水平流動的流體是不可壓縮的，且其流動是穩(wěn)定的、無旋的和非粘滯性的，那么對于水平流管的口1和口2處，可用能量守恒伯努利方程來表示12ρν2+P1=P2ν=2ρ0ghρρ被測流體的密度，ρ0壓力計內液體的密度，g重力加速度，h液位差實際使用時需要進行修正。二、場的定律場的定律是關于物質作用的定律，如動力場的運動定律、電磁場的感應定律和光的干涉現(xiàn)象等。物質在某時刻的作用與物休在空間的位置及分布狀態(tài)有關，一般可用物理方程給出，這些方程可作為某些傳成器工作的數(shù)學模型。而與這些定律有關的物理參數(shù)，通常與具體物質內部的結構(如成分、材質等)無關。例如，利用電磁感應定律和運動定律構成的磁電感應式(或稱電動式)傳感路，當其線圈以速度v垂直于磁場運動切割磁力線時，則在線圈中產生與運動速度成正比的感應電勢e=lNbv，其中l(wèi)為每匝線圈的平均長度，N為線圈匝數(shù)，B為磁感應強度。若用導電性的流體代替線圈，則可測得流體的流速。利用法拉第電磁感應定律構成的傳感器有自感式傳感器、互感式傳感器、感應同步器和渦流式傳感器。利用靜電場有關定律構成的傳感器有電容式傳感器。利用光的直線傳播定律、光波與光波之間的相互作用，即光的干涉、衍射現(xiàn)象、光的多普勒效應等，可以構成某些傳感器，如光柵、光碼盤、激光檢測裝置等，用來測量位移、轉速、長度、振幅、細絲直徑和速度等。 利用場的定律構成的傳感器，其形狀、尺寸等參數(shù)決定了傳感器的量程、靈敏度等性能，因此這類傳感器統(tǒng)稱為結構型傳感器。它們具有設計的自由度較大、選擇材料的限制較小等優(yōu)點，但體積一船較大，并且不易集成。三、統(tǒng)計法則統(tǒng)計法則是利用統(tǒng)計方法把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則。這些法則常常與傳感器的工作狀態(tài)有關，是某些傳感器的理論基礎。但這方面的研究尚持進一步深入。利用奈奎斯特定理。由統(tǒng)計物理可知，電子熱運動的漲落，在電阻R的兩端產生熱噪聲的電位波動。奈奎所特定理指出，電阻R兩端的熱噪聲電壓Un的方均值為Un2=4kRΔfTK波爾茲曼常數(shù)k=*1023J/K Δf熱噪聲或稱約翰遜噪聲的頻帶寬度T絕對溫度可見，利用熱噪聲和絕對溫度的關系可以構成熱噪聲型熱敏電阻。由于絕對溫度與熱噪聲電壓之間有確定的關系，因此它可作為標準溫度計，用來直接測量絕對溫度，而不需要用標準溫度計進行校準。熱噪聲溫度傳感器的特性與電阻材料無關，具有測溫范圍寬的特點，可在高溫高壓下，在原子反應堆的放射線等惡劣環(huán)境下使用；不發(fā)生時效變化；測溫精度高，測量1500℃以下的溫度，~%等優(yōu)點。但其輸出電壓極小，例如當T＝300K，R＝100Ω，Δf＝100kHz時，輸出Un只有4107V。四、物質定律物質定律是表示各種物質本身內在性質的定律(或法則或規(guī)律)。物質的內在性質通常以這種物質所固有的物理常數(shù)加以描述，如胡克定律，它表示在外力不超過一定限度時彈性體中力和形變之間的關系，其比例系數(shù)稱為彈性體的剛度系數(shù)，它就是彈性體所固有的物理常數(shù)。利用各種物質定律構成的傳感器統(tǒng)稱為物性型傳惑器。這些傳感器的主要性能在很大程度上受相應的物理常數(shù)所決定，也即與物質的材料密切相關。例如，利用半導體物質具有的壓阻、熱阻、光阻、濕度和霍爾等效應，可以分別制成力、壓力、溫度、光強、濕度和磁場等傳感器；利用壓電材料所具有的壓電效應可制成壓電式、聲表面波和超聲波等傳感器。由于利用物質定律的物性型傳感器具有構造簡單、體積小、無可動部件反應快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易集成等特點，因此是當代傳感技術領域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。與物質所固有的物理常數(shù)有關的各種現(xiàn)象可分為三大類：熱平衡現(xiàn)象、傳翰現(xiàn)象和量子現(xiàn)象。第3章 傳感器的能量變換和信號變換 信息與能量一、 信息能量理論基礎1．信息的概念 1)定義： 對于信息的含義，人們從不同的角度做出了多種描述：“信息就是談論的事情、新聞和知識”(《牛津辭典》)；“信息，就是在觀察或研究過程中獲得的數(shù)據、新聞和知識”(《韋氏字典》)；“信息是所觀察事物的知識”(《廣辭苑》)；“信息是通信系統(tǒng)傳輸和處理的對象，泛指消息和信號的具體內容和意義，通常需通過處理和分析來提取”(《辭?！?989年版)。盡管眾說紛紜，但廣義上可做如下概括：信息是能夠通過文字、圖像、聲音、符號、數(shù)據等為人類獲知的知識。然而，對信息的概念僅僅做這樣的描述是遠遠不夠的。那么，到底什么是信息呢？一般來說，信息是指與客觀事物相聯(lián)系，反映客觀事物的運動狀態(tài)，通過一定的物質載體被發(fā)出、傳遞和感受，對接受對象的思維產生影響并用來指導接受對象的行為的一種描述。從本質上說，信息是反映現(xiàn)實世界的運動、發(fā)展和變化狀態(tài)及規(guī)律的信號與消息。2)信息的十大特征信息有十個基本特征：[1] 可量度。信息可采用某種度量單位進行度量，并進行信息編碼。如現(xiàn)代計算機使用的二進制。[2] 可識別。信息可采取直觀識別、比較識別和間接識別等多種方式來把握。[3] 可轉換。信息可以從一種形態(tài)轉換為另一種形態(tài)。如自然信息可轉換為語言、文字和圖像等形態(tài)，也可轉換為電磁波信號或計算機代碼[4] 可存儲。信息可以存儲。大腦就是一個天然信息存儲器。人類發(fā)明的文字、攝影、錄音、錄像以及計算機存儲器等都可以進行信息存儲[5] 可處理。人腦就是最佳的信息處理器。人腦的思維功能可以進行決策、設計、研究、寫作、改進、發(fā)明、創(chuàng)造等多種信息處理活動。計算機也具有信息處理功能。[6] 可傳遞。信息的傳遞是與物質和能量的傳遞同時進行的。語言、表情、動作、報刊、書籍、廣播、電視、電話等是人類常用的信息傳遞方式。[7] 可再生。信息經過處理后，可以其他形式再生。如自然信息經過人工處理后，可用語言或圖形等方式再生成信息。輸入計算機的各種數(shù)據文字等信息，可用顯示、打印、繪圖等方式再生成信息。[8] 可壓縮。信息可以進行壓縮，可以用不同的信息量來描述同一事物。人們常常用盡可能少的信息量描述一件事物的主要特征。[9] 可利用。信息具有一定的實效性和可利用性。[10] 可共享。信息具有擴散性，因此可共享。3)信息的傳播信息需要傳播。信息如果不能傳播，信息的存在就失去了意義。那么什么是傳播呢？發(fā)出信息與接受信息就是信息的傳播。我們說話、寫文章、做事情，就是在進行傳播；我們聽別人講話，看別人寫的文章，了解別人所從事的工作，就是在接受傳播。我們所以有知識，是因為我們生活在一個信息傳播的社會里。在人類社會中，傳播似乎是一個幽靈，它無時不在，無處不在。因此，沒有傳播，也就沒有社會，人類也就無法生存下去。當一個人獨處時，傳播其實也在進行。沉思冥想是一種內心的傳播；思考是自己和自己進行討論，并傳達某種信息；寫日記或者閱讀書籍，那就更是一種傳播了。在人類社會中，傳播是普遍存在的。信息傳播的3種主要形式當人類有了語言、文字和繪畫等傳遞信息的手段之后，人類就脫離了動物的蒙昧狀態(tài)，進入到文明社會。因為信息的交流使人類可以掌握更多的經驗和知識，從而向前發(fā)展?！　≌Z言用聲音來傳遞信息，文字用書寫符號來傳遞信息，繪畫用圖像來傳遞信息。聲音、符號、圖像就成為人類傳播信息的主要形式。人類只有通過這種表達才能夠互相溝通和理解。因此我們可以說，聲音、符號和圖像是人類所特有的3種信息形式。4)人類信息活動經歷了5次巨大變革整個人類的進化史，同時也是一部人類信息活動的演進史。在人類的整個歷史發(fā)展中，經歷了次巨大的信息變革。每一次信息變革都對人類社會的發(fā)展產生巨大的推動力，帶來飛躍式的進步。這次信息革命依次為：語言的誕生、文字的誕生、印刷術的誕生、利用電磁波和計算機技術。它們將人類歷史劃分成種信息時代。216。 語言的產生標志著人類信息活動的范圍和效率的飛躍性提高人類的信息活動從具體走向抽象。216。 文字打破了時間和空間的限制，使信息可以傳得更久，傳得更遠。216。 印刷術的發(fā)明使人類信息傳遞的速度和范圍急劇地擴展，人類信息的存儲能力進一步加強，并初步實現(xiàn)了廣泛的信息共享。216。 電信革命的實現(xiàn)，是人類劃時代的進步?，F(xiàn)代意義上的信息技術，是在電信革命之后才產生和發(fā)展起來的。216。 新型計算機的出現(xiàn)，以及與通信技術的結合，使信息處理第一次達到了一體化和自動化，從而實現(xiàn)了人類歷史上第五次信息變革。 2．能量定義能量：是用以衡量所有物質運動規(guī)模的統(tǒng)一的客觀尺度。在物質的一切屬性中，運動是最基本的屬性，其他屬性都是運動屬性的具體表現(xiàn)。例如：空間屬性是物質運動的廣延性體現(xiàn)；時間屬性是物質運動的持續(xù)性體現(xiàn)；引力屬性是物質在運動過程由于質量分布不均所引起的相互作用的體現(xiàn)；電磁屬性是帶電粒子在運動和變化過程中的外部表現(xiàn)；等等。物質的運動形式是多種多樣的，對于每一個具體的物質運動形式存在相應的能量形式，例如：與宏觀物體的機械運動對應的能量形式是動能；與分子運動對應的能量形式是熱能；與原子運動對應的能量形式是化學能；與帶電粒子的定向運動對應的能量形式是電能；與光子運動對應的能量形式是光能；等等。當運動形式相同時，兩個物體的運動特性可以采用某些物理量或化學量來描述和比較。例如，兩個作機械運動的物體可以用速度、加速度、動量等物理量來描述和比較；兩股作定向運動的電流可以用電流強度、電壓、功率等物理量來描述和比較。但是，當運動形式不相同時，兩個物質的運動特性唯一可以相互描述和比較的物理量就是能量，即能量特性是一切運動著的物質的共同特性，能量尺度是衡量一切運動形式的通用尺度。3．信息能量理論基礎信息和能量是緊密相關的。(1)信息是由能量或物質形態(tài)表示的從信息的定義可知，信息需用一定的能量或物質形式來表示其確定合義。在自然科學范疇里，信息是客觀世界中物質運動的內容，例如物體受熱、發(fā)生地震等。它有明確的、確定的含義。但信息本身并非能量，或與能量沒有直接的關系，又非物質形態(tài)。因此，必須要用一定的能量或物質形式來表現(xiàn)這個信息的確定含義。例如物體受熱這一信息，是通過溫度上升、紅外線輻射強度加大等能量或體積膨脹、形態(tài)改變、磁導率和電導率變化等物質形式來表現(xiàn)的，檢測其中任一量的變化量都可用來判斷這一信息。從信息在時空上的傳輸可知，信息的傳輸必須依靠物質或能量：哲學觀點認為，信息的傳輸可分為時