传感器简介9.1 气体传感器气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体中的特定成分，并将其变成相应的电信号输出。

气体传感器的应用很广，在日常生活中，有检测饮酒者呼气中的酒精含量的传感器；测量汽车空燃比的氧气传感器；家庭和工厂用的煤气泄漏传感器；火灾之后检测建筑材料发出的有毒气体传感器；坑内沼气警报器等。

9.1.1 气体传感器的分类气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器和组合电位型传感器等多种类型，其中最常见的是半导体气体传感器。

气体传感器的类型虽然很多，但对它们有以下几个基本要求：(1) 对被测气体要有高的灵敏度；(2) 选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感；(3) 能够长期稳定地工作；(4) 检测和报警要迅速。

9.1.2 半导体气体传感器对于半导体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种。

电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气体传感器则是根据对气体的吸附和反应，使半导体的某些特性发生变化，对气体进行直接或间接检测。

下面简单介绍电阻型半导体气体传感器的基本原理。

半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。

9.2 湿度传感器湿度传感器是用于感受大气湿度并转换成适当电信号输出的传感器。

湿度传感器的分类常见的湿度传感器主要有两大类，一类是水分子亲和力型湿度传感器；另一大类是非水分子亲和力型湿度传感器。

具体分类见表9-1。

表9-1 湿度传感器分类9.2.2 水分子亲和力型湿度传感器9.2.2.1 氯化锂湿度传感器氯化锂湿度传感器是电解质湿度传感器的代表。

它是利用电阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的。

氯化锂湿度传感器的结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配置的氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成了氯化锂湿度传感器，其结构如图9-1所示。

氯化锂湿度传感器的优点是检测滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高。

缺点是耐热性差，不能用于露点以下测量。

若用作露点检测，氯化锂湿度传感器必须3个月左右清洗一次和涂敷(浸渍)氯化锂，故维护麻烦。

9.2.2.2 半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器通常用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷，ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等。

前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿度半导瓷；最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿度半导瓷。

9.2.2.3 高分子电容式湿度传感器高分子电容式湿度传感器是利用湿度元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的。

具有感湿的高分子聚合物，例如，乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素等，做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力。

薄膜覆盖在叉指形金电极上(下电极)，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，如此就构成一个平行板电容器。

结构如图9-2所示。

当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿度元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系。

9.2.2.4 石英振动式湿度传感器在石英晶片的表面涂敷聚胺脂高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量发生变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不同的湿度。

9.2.3 非水分子亲和力型湿度传感器水分子亲和力型湿度传感器，因为响应速度低，可靠性差，不能很好地满足人们使用的要求。

随着其他技术的发展，现在人们正在开发非水分子亲和力型的湿度传感器。

例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗而制成的微波型湿度传感器；利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象构成的红外湿度传感器等。

它们都能克服水分子亲和力型湿度传感器的缺点。

因此，开发非水分子亲和力型湿度传感器是湿度传感器重要的研究方向。

9.3 微波传感器9.3.1 微波的基本知识微波是波长很短(1m～1mm)、频率很高300MHz～300GHz的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。

微波具有以下特点：遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘和强光等的影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。

9.3.2 微波传感器的结构和工作原理微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。

微波振荡器是产生微波的装置。

由于微波波长很短，频率很高，要求振荡回路非常小的电感和电容，因此，不能用普通晶体管构成微波振荡器。

构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。

小型微波振荡器也可以采用场效应管。

由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管，波长在10cm以上可用同轴线传输，并通过天线发射出去，为了使发射的微波信号具有一致的方向性，天线应具有特殊的结构和形状。

常用的天线有喇叭形天线和抛物面天线等。

如图9-3所示为几种形式的微波天线。

图9-3 微波天线由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使其功率发生变化。

若利用接收天线接收透过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。

9.3.3 微波传感器的分类1.反射式传感器这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置和厚度等参数。

2.遮断式传感器这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等。

9.3.4 微波传感器的应用9.3.4.1 微波液位计如图9-4所示为微波液位计检测示意图，相距为S的发射天线和接收天线间构成一定的角度。

波长为的微波从被测液位反射后进入接收天线。

接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。

接收天线接收的功率，可表示为(9-1)图9-4 微波液位计检测示意图9.3.4.2 微波物位计如图9-5所示为微波开关式物位计示意图。

当被测物位较低时，发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信号。

当被测物位升高到天线所在的高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号。

当被测物低于设定物位时，接收天线接收到的功率P0为(9-2)被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率Pr为(9-3)图9-5 微波开关式物位计示意图9.3.4.3 微波湿度(水份)传感器水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布在物质中。

在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。

当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量储能，又不断释放能量放能，前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波的衰减。

这种特性可用水分子自身的介电常数 来表征，即(9-4)9.3.4.4 微波测厚仪9.4 图像传感器机械量测量中有关形状和尺寸的信息以图像方式表达最为方便，目前较实用的图像传感器是用电荷耦合器件构成的，简称CCD(Charge Coupled Device)。

它分为一维的和两维的，前者用于位移、尺寸的检测，后者用于平面图形、文字的传递。

CCD器件具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗及自扫描能力等一系列优点，已广泛应用于工业检测、电视摄像、高空摄像及人工智能等领域。

9.4.1 感光原理图像是由像素组成行，由行组成帧。

对于黑白图像来说，每个像素应根据光的强弱得到不同大小的电信号，并且在光照停止之后仍能把电信号的大小保持记忆，直到把信息传送出去，这样才能构成图像传感器。

所以CCD图像传感器主要由光电转换和电荷读出转移两部分组成，光电转换的功能是把入射光转变成电荷，按像素组成电荷包存储在光敏元件之中，电荷的电量反映该像素元的光线的强弱，电荷是通过一段时间积累起来的。

CCD器件是MOS金属-氧化物-半导体电容构成的MOS电容光敏元件，能实现像素的光电转换。

在P型硅衬底上通过氧化形成一层二氧化硅，然后再淀积小面积的金属铝作为电极(称栅极)，其结构虽是金属-氧化物-半导体，但没有扩散源极和漏极，如图9-8所示。

P型硅里的多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

当金属电极上施加正电压超过金属电极与衬底间的开启电压时，其电场能够透过二氧化硅绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引，于是空穴被排斥到远离电极处，电子被吸引到紧靠二氧化硅层的表面上来。

由于没有源极向衬底提供空穴，在电极下形成一个P型耗尽区，这对带负电的电子而言是一个势能很低的区域——陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。

当器件受到光照射(光可从各电极的缝隙间经过二氧化硅层射入，或经衬底的薄P型硅射入)，光子的能量被半导体吸收，由于内光电效应产生电子—空穴对，这时出现的电子被吸引存储在势阱中。

光越强，势阱中收集的电子越多；光弱则反之。

这样就把光的强弱变成电荷的数量多少，实现了光电转换。

而势阱中的电子是被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

总之，上述结构实质上是一个微小的MOS电容，用它构成像素，既可感光又可留下潜影，感光作用是靠光强产生的电子积累电荷，潜影是各个像素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容器里的电荷依次传送到他处，再组成行和帧并经过显影，就实现了图像的传递。

图9-8 CCD基本结构示意图9.4.2 转移原理由于组成一帧图像的像素总数太多，只能用串行方式依次传送，在常规的摄像管里是靠电子束扫描的方式工作的，在CCD器件里也需要用扫描实现各像素信息的串行化。

不过CCD器件并不需要复杂的扫描装置，只需外加如图9-9(a)所示的多相脉冲转移电压依次对并列的各个电极施加电压就能办到。

图中 1、 2、 3是相位依次相差120°的3个脉冲源，其波形都是前沿陡峭后沿倾斜。

若按时刻t1～t5分别分析其作用，可结合图9-9(b)讨论其工作原理。

(a) 转移电压(b) 转移过程图9-9 CCD电荷转换原理在排成直线的一维CCD器件里，电极1～9分别接在三相脉冲源上。

将电极1～3视为一个像素，在 1为正的t1时刻里受到光照，于是电极1之下出现势阱，并收集到负电荷电子。

同时，电极4和7之下也出现势阱，但因光强不同，所收集到的电荷不等。

在时刻t2，电压 1已下降，然而 2电压最高，所以电极2、5、8下方的势阱最深，原先储存在电极1、4、7下方的电荷部分转移到2、5、8下方。

到时刻t5，上述电荷已全部向右转移一步。

如此类推，到时刻t5已依次转移到电极3、6、9下方。