传感器分类：探究各种传感器类型

一般来说,测量同一种被测参数可以采用的传感器有多种。反过来,同一个传感器也可以用来测量多种被测参数。而基于同一种传感器原理或同一类技术可制作多种被测量的传感器,因此传感器产品多种多样。传感器的分类方法有很多种,例如,可按照转换原理、被测量、输出信号类型、用途、制作材料及工艺等不同方式对传感器进行分类。

(1)按传感器的工作原理分类

按传感器的工作原理可将传感器分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器、MEMS传感器和集成传感器五大类。

物理量传感器应用的是物理效应,如压电、磁致伸缩、离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。可以将传感器分为电阻式传感器(被测对象的变化引起了电阻的变化)、电感式传感器(被测对象的变化引起了电感的变化)、电容式传感器(被测对象的变化引起了电容的变化)、应变电阻式传感器(被测对象的变化引起了敏感元件的应变,从而引起电阻的变化)、压电式传感器(被测对象的变化引起了电荷的变化)、热电式传感器(被测对象温度的变化引起了输出电压的变化)等。

化学量传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化将转换成电信号。将各种化学物质的特性(如气体、离子、电解质浓度、空气湿度等)的变化定性或定量地转换成电信号,如离子敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器和电化学传感器。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学量传感器技术问题较多,如可靠性问题、规模生产的可能性问题、价格问题等,解决了这类难题,化学量传感器的应用将会有巨大增长。而有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类,即为生物类。

常见传感器的品种和工作原理列于表1.1。

表1.1　传感器的品种及工作原理

(2)按检测过程中对外界能源的需要与否分类

传感器系统的性能主要取决于传感器,传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。依据检测过程中是否需要外界能源,传感器可分为有源传感器和无源传感器。

有源传感器也称为能量转换型传感器或换能器,能将一种能量形式直接转变成另一种,不需要外接的能源或激励源〔见图1.2(a)〕,如超声波换能器、热电偶、光电池等。

与有源传感器相反,无源传感器不能直接转换能量形式,但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能〔见图1.2(b)〕,故其也称为能量控制型传感器。大部分传感器(如湿敏电容传感器、热敏电阻传感器等)都属于这类。由于需要为敏感元件提供激励源,无源传感器通常比有源传感器有更多的引线,传感器的总体灵敏度受到激励信号幅度的影响。此外,激励源的存在可能增加在易燃易爆气体环境中引起爆炸的风险,在某些特殊场合应用的话需要引起足够的重视。

图1.2　传感器的信号流程

(3)按传感器输出信号的类型分类

按照传感器输出信号的类型,传感器可分为模拟式与数字式两类。

①模拟式传感器

模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号,其输出信号中的信息一般以信号的幅度表达。

②数字式传感器(www.xing528.com)

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。数字传感器不仅重复性好,可靠性高,而且不需要模数转换器(ADC),比模拟信号更容易传输。由于敏感机理、研发历史等多方面的原因,目前真正的数字传感器种类非常少,许多所谓的数字传感器实际只是输出为频率或占空比的准数字传感器。

准数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号输出(包括直接或间接转换)。准数字传感器输出为矩阵波信号,其频率或占空比随被测参量变化而变化。由于这类信号可以直接输入微处理器内,利用微处理器的计数器即可获得相应的测量值,因此准数字传感器与数字集成电路具有很好的兼容性。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

(4)按材料分类

在外界因素的作用下,所有材料都会做出相应的、具有特征性的反应。它们中那些对外界作用最敏感的材料(即那些具有功能特性的材料)被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发,可将传感器分成下列几类。

· 按照其所用材料的类别,传感器可分为金属传感器、聚合物传感器、陶瓷传感器和混合物传感器;

· 按材料的物理性质,传感器可分为导体传感器、绝缘体传感器、半导体传感器和磁性材料传感器;

· 按材料的晶体结构可分为单晶材料传感器、多晶材料传感器和非晶材料传感器。

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作可以归纳为下面三个方向。

· 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能在传感器技术中得到实际使用;

· 探索新的材料,应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术;

· 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感器技术中加以具体实施。现代传感器制造业的进展取决于用于传感器的新材料和敏感元件的开发进度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

(5)按传感器制造工艺分类

不同的传感器制造工艺不尽相同,按照制造工艺,可将传感器分类为MEMS集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器等。

MEMS集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的,通常还将用于初步处理被测信号的部分电路都集成在同一芯片上。

薄膜传感器是由沉积在介质衬底(基板)上相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是由Al2O3制成的,需要进行热处理,使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

厚膜传感器和陶瓷传感器这两种工艺之间有许多共同特性,在某些方面,可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变形。每种工艺技术都有优点和缺点。由于研究、开发和生产所需的资本不同等原因,可以根据实际情况选择不同类型的传感器。本书所罗列的只是一部分传感器的类型,随着我国工业化程度的提高,又出现了许多新型的传感器,在此本书不做更深的探讨。