第9章幾種新型傳感器

1、第9章 幾種新型傳感器 9.1 生物傳感器生物傳感器 9.2 微波傳感器微波傳感器 9.3 超聲波傳感器超聲波傳感器 9.4 機(jī)器人傳感器機(jī)器人傳感器 9.5 指紋傳感器指紋傳感器 9.6 觸摸屏觸摸屏 9.7 微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng) 9.8 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)9.1 生物傳感器生物傳感器v9.1.1 概述概述v1. 生物傳感器及其分類(lèi)v 生物傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)做成的，用以檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成份的傳感器。v 生物或生物物質(zhì)是指酶、微生物、抗體等，它們的高分子具有特殊的性能，能精確地識(shí)別特定的原子和分子。 v 生物傳感器一般是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個(gè)生物敏感膜，也就是說(shuō)生物傳感器是半導(dǎo)體技

2、術(shù)與生物工程技術(shù)的結(jié)合。v 溶液中被測(cè)定的物質(zhì)，經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)。v 產(chǎn)生的信息可通過(guò)相應(yīng)的化學(xué)或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號(hào)，就可知道被測(cè)物質(zhì)的濃度。 v2. 分子識(shí)別功能及信號(hào)轉(zhuǎn)換v 表9-1列出了具有分子識(shí)別能力的主要生物物質(zhì)。v 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換方式主要有：v（）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式；v（）熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式；v（）光變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式； v（）直接誘導(dǎo)電信號(hào)方式 。表9-1 具有分子識(shí)別功能的生物物質(zhì)生物物質(zhì)被識(shí)別的分子酶底物，底物類(lèi)似物抑制劑輔酶抗體抗原，抗原類(lèi)似物結(jié)合蛋白質(zhì)維生素H ,維生素A等植物凝血素糖鏈，具有糖鏈

3、的分子或細(xì)胞激素受體激素v3. 生物物質(zhì)的固定化技術(shù)v 使生物敏感物質(zhì)附著于膜上或包含于膜之中，在技術(shù)上稱(chēng)為固定化。v（1）化學(xué)固定法v 化學(xué)固定法是在感受體與載體之間、或感受體相互之間至少形成一個(gè)共價(jià)鍵，能將感受體的活性高度穩(wěn)定地固定。v（2）物理固定法v 物理固定法是感受體與載體之間、或感受體相互之間，根據(jù)物理作用即吸附或包裹進(jìn)行固定。 v9.1.2 生物傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)生物傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)v1. 酶?jìng)鞲衅?v 是用電化學(xué)裝置檢測(cè)酶在催化反應(yīng)中生成或消耗的物質(zhì)（電極活性物質(zhì)），將其變換成電信號(hào)輸出。v 固定化酶?jìng)鞲衅饔蒔t陽(yáng)極和Ag陰極組成的極譜記錄式H2O2電極與固定化酶膜構(gòu)

4、成。v 通過(guò)電化學(xué)裝置測(cè)定由酶反應(yīng)生成或消耗的離子，通過(guò)電化學(xué)方法測(cè)定電極活性物質(zhì)的數(shù)量，以測(cè)定被測(cè)成分的濃度。 v2. 葡萄糖傳感器 v 測(cè)定血液和尿中葡萄糖濃度對(duì)糖尿病患者做臨床檢查是很必要的。v 現(xiàn)已研究出對(duì)葡萄糖氧化反應(yīng)起一種特異催化作用的酶葡萄糖氧化酶（GOD），并研究出用它來(lái)測(cè)定葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器。如圖9-1所示。 圖9-1 葡萄糖酶?jìng)鞲衅?v3. 微生物傳感器 v 酶?jìng)鞲衅魇抢脝我坏拿?，而微生物傳感器是利用多種酶有關(guān)的高度機(jī)能的綜合即復(fù)合酶。v 微生物的種類(lèi)是非常多的，菌體中的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)、輔助酶再生系統(tǒng)、微生物的呼吸及新陳代謝為代表的全部生理機(jī)能都可以加以利用。

5、 v 用微生物代替酶，有可能獲得具有復(fù)雜及高功能的生物傳感器。v 微生物傳感器是由固定化微生物膜及電化學(xué)裝置組成，如圖9-2所示。v 微生物膜的固定化法與酶的固定方式相同。微生物微生物固定化固定化膜膜封閉式封閉式氧電極氧電極或或CO2電極電極被被測(cè)測(cè)物物質(zhì)質(zhì)氧消耗氧消耗變化變化(呼吸呼吸機(jī)能機(jī)能)電電信信號(hào)號(hào)圖9-2 微生物傳感器基本結(jié)構(gòu)(a)微生物微生物固定化固定化膜膜電化學(xué)電化學(xué)敏感電極敏感電極被被測(cè)測(cè)物物質(zhì)質(zhì)新陳代新陳代謝變化謝變化(代謝代謝機(jī)能機(jī)能)電電信信號(hào)號(hào)圖9-2 微生物傳感器基本結(jié)構(gòu)(b)v 由于微生物有好氣（O2）性與厭氣（O2）性之分（也稱(chēng)好氧反應(yīng)與厭氧反應(yīng)），所以傳感器也

6、根據(jù)這一物性而有所區(qū)別。v 好氣性微生物傳感器將微生物呼吸量轉(zhuǎn)化為電流值來(lái)測(cè)定。v 厭氣性微生物傳感器，利用CO2電極或離子選擇電極測(cè)定代謝產(chǎn)物。 v4. 免疫傳感器 v 抗原是能夠刺激動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。v 抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱(chēng)免疫球蛋白。v 免疫傳感器是利用抗體對(duì)抗原結(jié)合功能研制成功的，如圖9-3所示。 圖9-3 免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理 v 抗原與抗體一經(jīng)固定于膜上，就形成具有識(shí)別免疫反應(yīng)強(qiáng)烈的分子功能性膜。v 根據(jù)抗體膜的膜電位的變化，就可測(cè)定抗原的吸附量。 v5. 半導(dǎo)體生物傳感器v 半導(dǎo)體生物傳感器是由半導(dǎo)體傳感器與生物分子功能膜、識(shí)別器件所組

7、成。v 通常用的半導(dǎo)體器件是酶光電二極管和酶場(chǎng)效應(yīng)管（FET），v 如圖9-4和圖9-5所示。v 因此，半導(dǎo)體生物傳感器又稱(chēng)生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（BiFET）。 圖9-4 酶光電二極管 圖9-5 酶場(chǎng)效應(yīng)管 v 最初是將酶和抗體物質(zhì)（抗原或抗體）加以固定制成功能膜，并把它緊貼于FET的柵極絕緣膜上，構(gòu)成BiFET ，v 現(xiàn)已研制出酶FET、尿素FET、抗體FET及青霉素FET等。v6. 多功能生物傳感器 v 要求傳感器能象細(xì)胞檢測(cè)味道一樣能分辨任何形式的多種成分的物質(zhì)，v 同時(shí)測(cè)量多種化學(xué)物質(zhì)，具有這樣功能的傳感器稱(chēng)為多功能傳感器。v 實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的前提是各親和物質(zhì)的固定化方法。 v 目前按電子學(xué)

8、方法論進(jìn)行生物電子學(xué)的種種嘗試，這種新進(jìn)展稱(chēng)為第三代產(chǎn)品。 v9.1.3 生物芯片生物芯片v 進(jìn)入21世紀(jì)，電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合，誕生了生物芯片。v 生物芯片原名叫“核酸微陣列”，是通過(guò)微加工技術(shù)和微電子技術(shù)，在一塊1cm2大小的硅片、玻璃片、凝膠或尼龍膜上，構(gòu)建密集排列的生物分子微陣列（micro arrays）。v 微陣列中每個(gè)生物分子的序列及位置都是已知和預(yù)先設(shè)定的。v 生物芯片的模樣五花八門(mén)，外觀五彩斑斕。v 有的和計(jì)算機(jī)芯片一樣規(guī)矩、方正，有的是一排排微米級(jí)圓點(diǎn)或一條條的蛇形細(xì)槽，還有的是一些不同形狀頭發(fā)粗細(xì)的管道和針孔大小的腔體。生物芯片的外觀五彩斑斕不同形狀頭發(fā)粗細(xì)的管道和針

9、孔大小的腔體v 生物芯片提供一次性使用，根據(jù)生物分子之間特異性相互識(shí)別的原理，如DNADNA、DNARNA、抗原抗體、受體配體之間可發(fā)生的復(fù)性與特異性識(shí)別。v 讓樣品（血液、尿液、唾液、組織、細(xì)胞等）中的生物分子與生物芯片序列中的生物探針?lè)肿影l(fā)生相互作用。 v 利用專(zhuān)用檢測(cè)儀器和計(jì)算機(jī)對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析。v 就可得到樣品中的DNA、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞及其他生物組分的有無(wú)、多少、序列變異等大量信息。圖9-6 生物芯片用于獲取樣品中的生物信息v 例如從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交（相互作用），就可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜。v 從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交，就可以得出

10、病變圖譜。v 經(jīng)過(guò)比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。v 例如Gene Logic公司設(shè)計(jì)制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對(duì)其加入熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過(guò)固定于柵欄狀微通道內(nèi)的寡核苷酸探針時(shí)，便可捕獲與之互補(bǔ)的靶核酸序列。v 應(yīng)用相應(yīng)檢測(cè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜交結(jié)果的檢測(cè)與分析。v 這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測(cè)到稀有基因的變化。同時(shí)，由于該芯片設(shè)計(jì)的微通道具有濃縮和富集作用，可以加速雜交反應(yīng)。v 生物芯片分為三類(lèi)：第一類(lèi)為檢測(cè)用微陣列芯片，第二類(lèi)為微流控芯片，第三類(lèi)為微型集成化分析系統(tǒng)，也叫芯片實(shí)驗(yàn)室。v 生物芯片廣泛用于基因檢

11、測(cè)，基因診斷、藥物篩選、疾病診斷、生物信息研究等方面，給生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、新藥開(kāi)發(fā)、司法鑒定、食品與環(huán)境監(jiān)督等領(lǐng)域帶來(lái)巨大變革。9.2 微波傳感器微波傳感器v9.2.1 概述概述v1. 微波的性質(zhì)與特點(diǎn)v微波是波長(zhǎng)為1mm1m的電磁波，具有以下特點(diǎn)：v(1)可定向輻射，空間直線傳輸；v(2)遇到各種障礙物易于反射；v(3)繞射能力差；v(4)傳輸特性好；v(5)介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。 v2. 微波振蕩器與微波天線v 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。微波波長(zhǎng)很短，頻率很高（300MHz 300GHz）。v 構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固態(tài)器件。小

12、型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。 v 為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖9-7所示，另外還有介質(zhì)天線與隙縫天線等。 圖 9-7 常見(jiàn)微波天線 (a)扇形喇叭天線； (b)圓錐喇叭天線； (c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線； (d)拋物柱面天線v9.2.2 微波傳感器及其分類(lèi)微波傳感器及其分類(lèi)v 微波傳感器就是指利用微波特性來(lái)檢測(cè)一些物理量的器件或裝置。v1. 反射式微波傳感器v 反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。 v2. 遮斷式微波傳感器v 遮斷式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線接收到的微波功率大小，v 來(lái)判斷，v

13、 發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物及被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。 v 微波傳感器的敏感元件是微波電磁場(chǎng)。v 它的其他部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接受器，如圖9-8所示。圖中，MS是微波源；T是轉(zhuǎn)換器；R是接收器。v 轉(zhuǎn)換器可以是微波電磁場(chǎng)的有限空間，被測(cè)物即處于其中。 MSTR圖9-8 微波傳感器的構(gòu)成 v 如果MS 與 T合二為一，稱(chēng)之為有源微波傳感器；v 如果MS與R合二為一，則稱(chēng)其為自振式微波傳感器。 v 微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)v（1）實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。因此可以進(jìn)行活體檢測(cè)，大部分測(cè)量不需要取樣。v（2）測(cè)量速度快、靈敏度高，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制。v（3）可以在惡劣環(huán)境條件下檢測(cè)，

14、如高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件。v（4）便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙控。v9.2.3 微波溫度傳感器微波溫度傳感器v 任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都能向外輻射熱量。v 當(dāng)輻射熱到達(dá)接收機(jī)輸入端口時(shí)，若仍然高于基準(zhǔn)溫度（或室溫），在接收機(jī)的輸出端將有信號(hào)輸出，這就是輻射計(jì)或噪聲溫度接收機(jī)的基本原理。v 微波頻段的輻射計(jì)就是一個(gè)微波溫度傳感器。如圖9-9所示。圖9- 9 微波溫度傳感器原理框圖 v9.2.4 非接觸式公交非接觸式公交IC卡和閱讀器卡和閱讀器v 比微波信號(hào)頻率低的無(wú)線電波信號(hào)可用于能量和信息的傳遞。v 非接觸IC卡是一種借助無(wú)線電波進(jìn)行讀寫(xiě)的IC卡，最大操作距離達(dá)2030mm，主要

15、用于公交、輪渡、地鐵的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，也應(yīng)用在門(mén)禁管理、身份證明和電子錢(qián)包。v 非接觸IC卡采用國(guó)際公認(rèn)的mifare標(biāo)準(zhǔn)，其卡號(hào)在世界上是唯一的。v 非接觸公交IC卡的組成包括感應(yīng)天線和IC芯片，如圖所示。v 嵌入符合ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)的卡片中，與讀寫(xiě)器之間通過(guò)頻率為13.56MHz7kHz的無(wú)線電波來(lái)完成讀寫(xiě)。v 數(shù)據(jù)傳輸率為13.56M128106kbs，不易受溫度、紫外線、X射線、交流電磁場(chǎng)等外界因素影響。非接觸公交非接觸公交IC卡卡結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)v 感應(yīng)天線是幾圈繞線線圈，便于封裝到PVC卡片中。 v IC芯片由RF接口、IC芯片接口電路、微處理器、RAM、ROM和一個(gè)1KB的E2PROM

16、組成，如圖9-10所示。v RAM提供微處理器操作系統(tǒng)COS用于存放數(shù)據(jù)，通常不超過(guò)256B，ROM用于存放程序。E2PROM用于存放各種信息、密碼和應(yīng)用文件。 圖9-10 非接觸公交IC卡組成框圖v 當(dāng)IC卡靠近讀寫(xiě)器時(shí)，卡內(nèi)天線接收讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁波，轉(zhuǎn)換為高頻電流。v RF接口有一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，對(duì)高頻電流諧振，獲得諧振電壓輸出。 v 輸出電壓通過(guò)一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，轉(zhuǎn)換為直流電壓，對(duì)另一個(gè)電容充電。 IC卡借助無(wú)線電波進(jìn)行讀寫(xiě)v 該電容充電電壓達(dá)到2V時(shí)，可作為電源向卡上其他電路提供工作電壓。v 將卡內(nèi)數(shù)據(jù)通過(guò)RF接口轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)射出去；v 接受讀寫(xiě)器發(fā)射來(lái)的數(shù)據(jù)送微處理器；

17、v 對(duì)E2PROM存放的各種信息進(jìn)行讀寫(xiě)操作。v 非接觸公交IC卡讀寫(xiě)器由天線和1片Mifare卡專(zhuān)用的讀寫(xiě)處理芯片組成。v 讀寫(xiě)處理芯片包括RF接口、IC卡接口、讀寫(xiě)單元、微處理器、RAM、ROM、E2PROM，與主機(jī)的接口，如圖9-11所示。v 功能包括射頻信號(hào)處理、秘鈅安全管理、防多卡沖突、對(duì)IC卡信息讀寫(xiě)、讀寫(xiě)信息存入存儲(chǔ)器，通過(guò)RS232串行接口與主機(jī)信息交換。全部工作可在0.1秒時(shí)間里完成。圖9-11 非接觸公交IC卡讀寫(xiě)器組成框圖9.3 超聲波傳感器超聲波傳感器v9.3.1 超聲波傳感器的物理基礎(chǔ)超聲波傳感器的物理基礎(chǔ)v 人們能聽(tīng)到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，頻率在20Hz20kH

18、z范圍內(nèi)。超過(guò)20KHz稱(chēng)為超聲波，低于20Hz稱(chēng)為次聲波。v 檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為幾十kHz幾十MHz。v 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，它的波形有縱波、橫波、表面波三種。 BgC11. 傳播速度 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，也與環(huán)境條件有關(guān)。對(duì)于液體，其傳播速度為 在氣體中，傳播速度與氣體種類(lèi)、壓力及溫度有關(guān)，在空氣中傳播速度為： C = 331.5 + 0.607t (m/s) 對(duì)于固體，其傳播速度C為)21)(1 (1EC2. 反射與折射現(xiàn)象 超聲波在通過(guò)兩種不同的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖9-12所示，并有如下的關(guān)系：21sinsinCC3. 傳播中

19、的衰減 隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加，由于介質(zhì)吸收能量而使超聲波強(qiáng)度有所衰減。 AdeII0 折射波 反射波 入射波 C22C1 1圖9-12 超聲波的反射與折射C2 2v 介質(zhì)中的能量吸收程度與超聲波的頻率及介質(zhì)的密度有很大關(guān)系。v 介質(zhì)的密度越小，衰減越快，尤其在頻率高時(shí)則衰減更快。v 在空氣中通常采用頻率較低（幾十kHz）的超聲波。v 在固體、液體中則采用頻率較高的超聲波。v 利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器。超聲波在遇到移動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，可以做成多普勒測(cè)距系統(tǒng)。 v 常用超聲波傳感器的中心頻率有30kHz、40 kHz、75 kHz、200 kHz和400 kHz

20、等。v 超聲波傳感器配上不同的電路，可制成各種超聲波儀器及裝置，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、家電等行業(yè)中。 v 例如，國(guó)產(chǎn)TC40系列超聲波傳感器，可以作超聲波發(fā)射，也可以作超聲波接收用，中心頻率為40 kHz，有效傳輸距離15m，方向角60，反射接收的有效距離為47m，工作溫度范圍為20+70。v TC40系列超聲波傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示：型號(hào)靈敏度dB聲壓dB方向角（）溫度范圍TC4016TR681146020+70TC4012TR681126020+70TC4010TR721076020+70TC4018D801005520+70TC4016D821026020+70TC40系列超聲波

21、傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)v9.3.2 超聲波換能器及耦合技術(shù)超聲波換能器及耦合技術(shù)v 超聲波換能器有時(shí)也稱(chēng)為超聲波探頭。v 超聲波換能器可根據(jù)其工作原理不同分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種。v 在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。v 根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其它專(zhuān)用探頭等。 v1. 以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的探頭v 用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱(chēng)直探頭）的結(jié)構(gòu)如圖9-13（a）所示。v 雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖9-13（b）所示。在雙探頭中，一只壓電晶片擔(dān)任發(fā)射超聲脈沖的任務(wù)，而另一只擔(dān)任接收超聲脈沖的任務(wù)。 v 有時(shí)為了使超聲波能傾斜入射到被測(cè)介

22、質(zhì)中，可選用斜探頭，如圖9-13（c）所示。 圖9-13 超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖 a)單晶直探頭；b) 雙晶直探頭；c) 斜探頭1-插頭；2-外殼；3-阻尼吸收塊；4-引線；5-壓電晶體；6-保護(hù)膜；7-隔離層；8-延遲塊；9-有機(jī)玻璃斜楔塊 v2. 耦合劑v 必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。v 在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱(chēng)為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿(mǎn)在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。v 常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄些，以減小耦合損耗。 v3. 以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接收器v 此類(lèi)發(fā)射器和接收器一般是分開(kāi)設(shè)置的

23、，兩者的結(jié)構(gòu)也略有不同。v 圖9-14 所示為空氣傳導(dǎo)用的超聲波發(fā)射器和接收器結(jié)構(gòu)圖。v 發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤(pán)，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器的共振盤(pán)上增加了一只阻抗匹配器，以提高接收效率。 圖9-14 空氣傳導(dǎo)型超聲波發(fā)射、接收器結(jié)構(gòu) a)超聲波發(fā)射器；b) 超聲波接收器 1-外殼；2-金屬絲網(wǎng)罩；3-錐形共振盤(pán)；4-壓電晶片；5-引線端子；6-阻抗匹配器v9.3.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用v 有兩種基本類(lèi)型，如圖9-15所示。v 當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類(lèi)型稱(chēng)為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。v 當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器置

24、于同側(cè)時(shí)為反射型，反射型可用于接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或料位、金屬探傷以及測(cè)厚等。 a) 2 1 3 1 2 3b) 圖9 -15 超聲應(yīng)用的兩種基本類(lèi)型 a) 透射型 b)反射型 1 超聲發(fā)射器 2 被測(cè)物 3 超聲接收器v1. 超聲波探傷v 主要用于檢測(cè)板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、測(cè)定材料的厚度、檢測(cè)材料的晶粒、配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)等。v（1）縱波探傷v 使用直探頭。探傷儀面板上有一個(gè)熒光屏，通過(guò)熒光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷的位置。如圖9-16所示。 T Bt 缺陷 T B F t tF 圖9- 16 超聲波探傷 a)無(wú)缺陷時(shí)反

25、射及顯示的波形 b)有缺陷時(shí)反射及顯示波 a)b)v（2）橫波探傷v 多采用斜探頭進(jìn)行探傷。v 超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：超聲波波束中心線與缺陷截面積垂直時(shí)，探頭靈敏度最高。v 遇到如圖9-17所示的缺陷時(shí)，用直探頭探測(cè)雖然可探測(cè)出缺陷存在，但并不能真實(shí)反映缺陷大小。v 如用斜探頭探測(cè)，則探傷效果較佳。 TF圖9-17 橫波單探頭探傷 v（3）表面波探傷v 如圖9-18所示。當(dāng)超聲波的入射角超過(guò)一定值后，折射角可達(dá)到90 o，這時(shí)固體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近作橢圓軌跡振動(dòng)，這種振動(dòng)稱(chēng)為表面波。v 當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，表面波被反射回探頭，可以在

26、熒光屏上顯示出來(lái)。缺陷 T F圖9-18 表面波探傷 v2. 超聲波流量計(jì)v 如圖9-19所示。在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2）。v 其中（F1，T1）的超聲波是順流傳播的，而（F2，T2）的超聲波是逆流傳播的。v 根據(jù)這兩束超聲波在流體中傳播速度的不同，采用測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差或頻率差等方法，可測(cè)量出流體的平均速度及流量。圖9-19 超聲波流量計(jì)原理圖 22212cos2cossincossincctgdcdcdtttctgcdt22ttgdc22ttgdcdqV2284則體積流量約為時(shí)間差法：9.4 機(jī)器人傳

27、感器機(jī)器人傳感器v9.4.1 機(jī)器人與傳感器機(jī)器人與傳感器v 機(jī)器人可以被定義為計(jì)算機(jī)控制的能模擬人的感覺(jué)、手工操縱，具有自動(dòng)行走能力而又足以完成有效工作的裝置。v 機(jī)器人傳感器可以定義為一種能將機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置。被稱(chēng)為機(jī)器人的電五官。 v9.4.2 機(jī)器人傳感器的分類(lèi)機(jī)器人傳感器的分類(lèi)v 機(jī)器人傳感器類(lèi)型很多。v 圖9-20所示為安裝在機(jī)器人手臂上的一個(gè)智能手爪，其上的傳感器信號(hào)處理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)由其上的傳感器電路完成，并由兩根信號(hào)傳輸線同外部連接。v 可將機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部檢測(cè)傳感器和外界檢測(cè)傳感器。 圖9-20 機(jī)器人智能手爪上的傳感器配置v 內(nèi)部檢測(cè)傳感器是

28、以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來(lái)確定其位置，它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。v 外界檢測(cè)傳感器用于機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。v 外界檢測(cè)傳感器通常包括觸覺(jué)、接近覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等傳感器。v9.4.3 觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器v1. 人的皮膚的感覺(jué)v 皮膚內(nèi)分布著多種感受器，能產(chǎn)生多種感覺(jué)。一般認(rèn)為皮膚感覺(jué)主要有四種，即觸覺(jué)、冷覺(jué)、溫覺(jué)和痛覺(jué)。v. 機(jī)器人的觸覺(jué)v 機(jī)器人觸覺(jué)，實(shí)際上是人的觸覺(jué)的某些模仿。它是有關(guān)機(jī)器人和對(duì)象物之間直接接觸的感覺(jué)，包括的內(nèi)容較多，通常指以下幾種： v（1）觸覺(jué)。手指與被測(cè)物是否接觸，接觸圖形的檢測(cè)。

29、v（2）壓覺(jué)。垂直于機(jī)器人和對(duì)象物接觸面上的力傳感器。v（3）力覺(jué)。機(jī)器人動(dòng)作時(shí)各自由度的力感覺(jué)。v（4）滑覺(jué)。物體向著垂直于手指把握面的方向移動(dòng)或變形。 v 1. 機(jī)器人的觸覺(jué)主要有兩方面的功能：v（1）檢測(cè)功能v 對(duì)操作物進(jìn)行物理性質(zhì)檢測(cè)，如光滑性、硬度等，其目的是：v 感知危險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)施自我保護(hù)；v 靈活地控制手爪及關(guān)節(jié)以操作對(duì)象物；v 使操作具有適應(yīng)性和順從性。v（2）識(shí)別功能v 識(shí)別對(duì)象物的形狀（如識(shí)別接觸到的表面形狀）。 v 人們進(jìn)行了所謂“人工皮膚”的研究。這種“皮膚”實(shí)際上也是一種由單個(gè)觸覺(jué)傳感器按一定形狀（如矩陣）組合在一起的陣列式觸覺(jué)傳感器，如圖9-21所示。v 其密度較大

30、、體積較小、精度較高。v “人工皮膚”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測(cè)。 圖9-21 陣列式觸覺(jué)傳感器 v 2. 壓覺(jué)指的是對(duì)于手指給予被測(cè)物的力，或者加在手指上的外力的感覺(jué)。v 目前，壓覺(jué)傳感器主要是分布型壓覺(jué)傳感器，即通過(guò)把分散敏感元件陣列排列成矩陣式格子來(lái)設(shè)計(jì)成的。v 導(dǎo)電橡膠、感應(yīng)高分子、應(yīng)變計(jì)、光電器件和霍爾元件常被用作敏感元件單元。 v 3. 力覺(jué)傳感器的作用有：v 感知是否夾起了工件或是否夾持在正確部位；v 控制裝配、打磨、研磨拋光的質(zhì)量；v 裝配中提供信息，以產(chǎn)生后續(xù)的修正補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)來(lái)保證裝配的質(zhì)量和速度；v 防止碰撞、卡死和損壞機(jī)件。 v 用于力覺(jué)傳感器的主要有應(yīng)變式、壓電

31、式、電容式、光電式和電磁式等。v 4. 機(jī)器人要抓住屬性未知的物體時(shí)，必須確定自己最適當(dāng)?shù)奈樟δ繕?biāo)值，因此需檢測(cè)出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)。v 利用這一信號(hào)，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體，為此目的設(shè)計(jì)的滑動(dòng)檢測(cè)器，叫做滑覺(jué)傳感器。v 如圖9-22所示v 為一種球形滑覺(jué)傳感器。v 球與被握物體相接觸，無(wú)論滑動(dòng)方向如何，只要球一轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。 球形滑覺(jué)傳感器 圖22v9.4.4 接近覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器v 接近覺(jué)是機(jī)器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內(nèi)對(duì)象物或障礙物的距離、對(duì)象物的表面性質(zhì)等的傳感器。v 其目的是在接觸對(duì)象前得到必要的信息，以便后續(xù)動(dòng)作。v1. 電磁式v 如圖9

32、-23所示，加有高頻信號(hào)is的勵(lì)磁線圈 L產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板，在其中產(chǎn)生渦流，該渦流反作用于線圈。v 通過(guò)檢測(cè)線圈的輸出可反映出傳感器與被接近金屬間的距離。 檢測(cè)線圈勵(lì)磁線圈L金屬面 渦流 磁束圖9-23電磁式接近傳感器 isv2. 電容式v 利用電容量的變化產(chǎn)生接近覺(jué)。v 電容接近覺(jué)傳感器如圖9-24所示。v 其本身作為一個(gè)極板，被接近物作為另一個(gè)極板。v 將該電容接入電橋電路或RC振蕩電路，利用電容極板距離的變化產(chǎn)生電容的變化，可檢測(cè)出與被接近物的距離。v 電容式接近覺(jué)傳感器具有對(duì)物體的顏色、構(gòu)造和表面都不敏感且實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。 圖9-24電容接近覺(jué)傳感器 v3. 超聲波式、紅外

33、線式、光電式v 超聲波式接近傳感器適于較長(zhǎng)距離和較大物體的探測(cè)，一般把它用于機(jī)器人的路徑探測(cè)和躲避障礙物。v 紅外線式接近傳感器可以探測(cè)到機(jī)器人是否靠近人或其他熱源，用于保護(hù)和改變機(jī)器人行走路徑。v 光電式接近傳感器的應(yīng)答性好，維修方便，目前應(yīng)用較廣，但使用環(huán)境受到一定的限制（如對(duì)象物體顏色、粗糙度、環(huán)境亮度等）。v9.4.5 視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器v1. 人的視覺(jué)v 人的眼睛是由含有感光細(xì)胞的視網(wǎng)膜和作為附屬結(jié)構(gòu)的折光系統(tǒng)等部分組成。v 人眼的適宜刺激波長(zhǎng)是370740nm的電磁波。 v 在這個(gè)可見(jiàn)光譜的范圍內(nèi)，人腦通過(guò)接收來(lái)自視網(wǎng)膜的傳入信息，可以分辨出視網(wǎng)膜像的不同亮度和色澤，v 因而可以

34、看清視野內(nèi)發(fā)光物體或反光物體的輪廓、形狀、顏色、大小、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情況。v 人眼視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞，視錐細(xì)胞主要感受白天的景象，v 視桿細(xì)胞感受夜間景象。 v 人的視錐細(xì)胞大約有700多萬(wàn)個(gè)，是聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞的3000多倍。 v2. 機(jī)器人視覺(jué)v 機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)通常是利用光電傳感器構(gòu)成的。v 機(jī)器人的視覺(jué)作用的過(guò)程如圖9-25所示。 三維三維實(shí)物實(shí)物（立體）（立體）二維二維圖像圖像（平面）（平面）景象景象描述描述傳感器傳感器圖像圖像處理處理圖9-25 視覺(jué)作用過(guò)程 v 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)要能達(dá)到實(shí)用，至少要滿(mǎn)足以下幾方面的要求。v 首先是實(shí)時(shí)性，v 其次是可靠性，v 再次是要求有柔性，v 最后

35、是價(jià)格適中。 v 在空間中判斷物體的位置和形狀一般需要兩類(lèi)信息：距離信息和明暗信息。v 獲得距離信息的方法可以有超聲波、激光反射法、立體攝像法等。v 而明暗信息主要靠電視攝像機(jī)、CCD固態(tài)攝像機(jī)來(lái)獲得。 v3. 視覺(jué)傳感器v（1）人工網(wǎng)膜v 人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號(hào)。其最簡(jiǎn)單的形式是33的光電管矩陣，多的可達(dá)256256個(gè)像素的陣列甚至更高。v 以33陣列為例。數(shù)字字符1，得到的正、負(fù)像如圖9-26所示，大寫(xiě)字母字符I ，所得正、負(fù)像如圖9-27所示。事先作為標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲(chǔ)起來(lái)。 010010010 正像 負(fù)像101101101圖 9-26 數(shù)字字符1的正、負(fù)像111010111

36、 正像 負(fù)像000101000圖9-27 大寫(xiě)字母字符I的正、負(fù)像v 工作時(shí)得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負(fù)像可與已存儲(chǔ)的1和I的正、負(fù)像進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表9-5。表9-4 相關(guān)值與1比較與I比較正像相關(guān)值33負(fù)像相關(guān)值62總相關(guān)值95v 在兩者比較中，是1的總相關(guān)值是9，等于陣列中光電管的總數(shù)，v 這表示所輸入的圖像信息與預(yù)先存儲(chǔ)的圖像數(shù)字字符1的信息是完全一致的。v 由此可判斷輸入的字符是數(shù)字字符1，不是大寫(xiě)字母字符I ，也不是其他字符。 v（2）光電探測(cè)器件v 最簡(jiǎn)單的光探測(cè)器是光電管和光敏二極管。v 固態(tài)探測(cè)器件可以排列成線性陣列和矩陣陣列使之具有直接測(cè)量或攝像的功能。v 目前在機(jī)器人視

37、覺(jué)中采用的非接觸測(cè)試的固態(tài)陣列以CCD器件占多數(shù)，v 單個(gè)線性陣列已達(dá)到4096單元，CCD面陣已達(dá)到512512及更高。v 利用CCD器件制成的固態(tài)攝像機(jī)有較高的幾何精度，更大的光譜范圍，更高的靈敏度和掃描速率，結(jié)構(gòu)尺寸小，功耗小，耐久可靠等。 v9.4.6 聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)及其他傳感器聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)及其他傳感器v1. 人的聽(tīng)覺(jué)v 人的聽(tīng)覺(jué)的外周感受器官是耳，耳的適宜刺激是一定頻率范圍內(nèi)的聲波振動(dòng)。 v 科蒂器官和其中所含的毛細(xì)胞，是真正的聲音感受裝置。v 聽(tīng)神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中，對(duì)聲音信息進(jìn)行編碼，傳送到大腦皮層的聽(tīng)覺(jué)中樞，產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。 v2. 機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)v 從應(yīng)用的目的

38、來(lái)看，可以分為兩大類(lèi)：v（1）發(fā)音人識(shí)別系統(tǒng)。v（2）語(yǔ)義識(shí)別系統(tǒng)。 v 機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的聽(tīng)覺(jué)傳感器有電磁式、電容式、壓電式等類(lèi)型，如圖9-28所示。v 識(shí)別系統(tǒng)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和語(yǔ)言學(xué)編制的計(jì)算機(jī)軟件。 圖9-28 傳聲器的構(gòu)造 a）電磁式 b）電容式 c）壓電式v3. 人的嗅覺(jué)v 人的嗅覺(jué)感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，兩側(cè)總面積約5cm2。v 嗅上皮含有三種細(xì)胞，即主細(xì)胞，支持細(xì)胞和基底細(xì)胞。v 存在7種基本氣味。不同性質(zhì)的氣味刺激有其相對(duì)專(zhuān)用的感受位點(diǎn)和傳輸線路。v 非基本的氣味則由它們?cè)诓煌€路上引起的不同數(shù)量沖動(dòng)的組合，在中樞引起特有的主觀嗅覺(jué)感受。 v4. 機(jī)器人的嗅

39、覺(jué)v 嗅覺(jué)傳感器主要的是采用氣體傳感器、射線傳感器等。v 機(jī)器人的嗅覺(jué)：v 用于檢測(cè)空氣中的化學(xué)成分、濃度；v 用于檢測(cè)放射線、可燃?xì)怏w及有毒氣體；v 用于了解環(huán)境污染、預(yù)防火災(zāi)和毒氣泄漏報(bào)警。 v5. 人的味覺(jué)v 人的味覺(jué)感受器是味蕾，v 主要分布在舌背部表面和舌緣，口腔和咽部粘膜表面。v 每一味蕾由味覺(jué)細(xì)胞和支持細(xì)胞組成。v 味覺(jué)細(xì)胞頂端有纖毛，稱(chēng)味毛，由味蕾表面的孔伸出，是味覺(jué)感受器的關(guān)鍵部位。v 存在4種基本味覺(jué)刺激。v6. 機(jī)器人的味覺(jué)v 要做出一個(gè)好的味覺(jué)傳感器，v 還要通過(guò)努力，在發(fā)展離子傳感器與生物傳感器的基礎(chǔ)上，配合微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的組合來(lái)識(shí)別各種味道。 9.5 指紋傳感器

40、指紋傳感器v9.5.1 指紋識(shí)別技術(shù)指紋識(shí)別技術(shù)v 指紋識(shí)別技術(shù)是利用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的技術(shù)。v 指紋識(shí)別是人體生物特征識(shí)別的一種重要手段，廣泛用于商業(yè)、金融、公安刑偵、軍事和日常生活中。v 至今找不出兩個(gè)指紋完全相同的人，而且，指紋還具有終身基本不變的相對(duì)穩(wěn)定性。v 指紋識(shí)別過(guò)程如圖9-29所示，主要包括v 指紋圖像采樣、v 指紋圖像預(yù)處理、v 二值化處理、v 細(xì)化、v 紋路提取、v 細(xì)節(jié)特征提取和指紋匹配（指紋庫(kù)查對(duì)）。 圖9-29 指紋識(shí)別過(guò)程 v9.5.2 指紋傳感器指紋傳感器v 高性能、低功耗的單片半導(dǎo)體指紋傳感器FCD4B14，采用CMOS工藝制造，v 工作電壓3V5.5V

41、，功耗20mW，v 20腳DIP陶瓷或COB封裝，v 耐磨損106次滑動(dòng)操作，v ESD（靜電損傷）防護(hù)16kV，v 工作溫度范圍0+70。 圖9-30 陶瓷封裝FCD4B14 外形結(jié)構(gòu) v FCD4B14是基于溫差效應(yīng)的指紋傳感器，v 芯片表面有0.4mm14mm的溫度傳感區(qū)域，內(nèi)部有行選和列選電路、AD轉(zhuǎn)換器、鎖存器和恒溫電路，如圖9-31所示。v 傳感區(qū)域包含8行280列2240個(gè)像素，為1幀，用來(lái)感應(yīng)手指與傳感區(qū)域接觸部位的溫度差，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。溫度傳感器8行281列像素列選行選放大器4位ADC8位鎖存器4位ADC偶像素輸出奇像素輸出偶像素奇像素恒溫電路時(shí)鐘脈沖復(fù)位脈沖手指滑動(dòng)模擬輸

42、出圖9-31 FCD4B14內(nèi)部電路組成框圖 v 列選脈沖從傳感區(qū)域按順序選出像素列，再由行選脈沖選出像素。v 通常一個(gè)行選脈沖同時(shí)選出兩個(gè)像素，1個(gè)偶像數(shù)，1個(gè)奇像素。v 放大后，可以直接輸出兩個(gè)像素的模擬電信號(hào)，也可以分別送入兩個(gè)4位ADC進(jìn)行A/D變換，再由鎖存器組成一個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)字信號(hào)輸出。 為了捕捉到完整指紋圖像，允許手指滑行通過(guò)傳感區(qū)域，如圖9-32所示。 圖9-32 手指在指紋傳感器上滑過(guò) （a）斜面安裝 （b）平面安裝 v 通常一秒鐘掃描和傳送一幅完整指紋圖像。數(shù)字信號(hào)輸出端可適配EPP接口、USB接口或直接與微處理器相連。v 在微處理器中，Atmel公司的軟件將這些數(shù)字

43、信號(hào)重新構(gòu)成完整的8位像素的指紋圖像，使圖像灰度達(dá)到28256級(jí)。 v FCD4B14及改進(jìn)型AT77C101B廣泛應(yīng)用于v PDA、手機(jī)、 筆記本電腦、PC機(jī)、電子商務(wù)、PIN碼交換、ATM機(jī)、POS機(jī)、建筑物的門(mén)開(kāi)關(guān)、汽車(chē)、家用電子鎖等設(shè)備的指紋識(shí)別。9.6 觸摸屏觸摸屏v 車(chē)站、銀行、醫(yī)院、圖書(shū)館的一些自助設(shè)備，還有手機(jī)、平板電腦（Tablet Personal Computer）、多媒體播放器等都已采用觸摸屏進(jìn)行觸控操作。 v 觸摸屏位于液晶顯示屏的前面。v 液晶顯示屏顯示圖形或文字。v 手指或手寫(xiě)筆（觸碰棒）觸摸的是觸摸屏上的傳感器。 v9.6.1 觸摸屏技術(shù)v 觸摸屏可分為電阻式、

44、電容式、紅外線式、聲表面波式、矢量壓力傳感式和電磁誘導(dǎo)式等。v 矢量壓力傳感式觸摸屏，用壓力傳感器感受手指觸摸位置和輕重變化，已不使用。v 電阻式應(yīng)用最多，可用手指或其他任何物體來(lái)觸摸操作,還可用手寫(xiě)筆寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)。v1.電阻式觸摸屏v 圖933為電阻式觸摸屏剖面結(jié)構(gòu)圖。v 觸摸屏由兩層高透明的導(dǎo)電層組成，通常內(nèi)層是ITO玻璃，外層是ITO薄膜材料，中間有細(xì)微絕緣點(diǎn)隔開(kāi)。v 目前市面上也有兩面均采用ITO玻璃或其他透明的ITO材料的產(chǎn)品。v 電阻式觸摸屏分為數(shù)字式和模擬式兩種。圖933 電阻式觸摸屏剖面結(jié)構(gòu)圖v 圖934為數(shù)字式觸摸屏結(jié)構(gòu)圖。v 在聚酯膜上用銀漿、碳膠等通過(guò)絲網(wǎng)印刷法形成電氣電路，

45、使內(nèi)外層電氣回路相對(duì)，在外層ITO導(dǎo)電薄膜和內(nèi)層ITO導(dǎo)電玻璃之間夾隔絕緣點(diǎn)進(jìn)行貼合而成。v 當(dāng)觸摸屏表面無(wú)壓力時(shí)，內(nèi)外層成絕緣狀態(tài)。v 一旦有觸摸壓力施加到觸摸屏上，內(nèi)外層電路導(dǎo)通，v 位于設(shè)備內(nèi)部的觸摸屏控制器通過(guò)X方向和Y方向施加的驅(qū)動(dòng)電壓值，探測(cè)出觸摸點(diǎn)的XY坐標(biāo)。v 該XY坐標(biāo)位置事先設(shè)定了一種操作，圖形菜單只是該操作的一個(gè)表述。v 控制器感知觸摸點(diǎn)的XY坐標(biāo)位置后，將該位置設(shè)定的操作提交微處理器處理和執(zhí)行器件執(zhí)行。圖934 數(shù)字式觸摸屏結(jié)構(gòu)圖v 模擬式觸摸屏基本結(jié)構(gòu)同數(shù)字式產(chǎn)品，只是主材ITO導(dǎo)電薄膜和ITO導(dǎo)電玻璃的阻值更高。v 模擬式觸摸屏主要用于手寫(xiě)筆的手寫(xiě)輸入。v2.電容式

46、觸摸屏v 電容式觸摸屏是把透明的ITO金屬層涂在薄膜和玻璃板上作為上下（外層和內(nèi)層）導(dǎo)電體，上下導(dǎo)電體形成一個(gè)電容，在上下導(dǎo)電體四邊有窄長(zhǎng)的電極引出，與外電路形成振蕩器。v 當(dāng)用手指或其他導(dǎo)電物體觸摸或觸碰時(shí)，電容發(fā)生變化，振蕩器振蕩頻率也發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量頻率變化可以確定觸摸或觸碰位置。v 電容式觸摸屏不能用手寫(xiě)筆，也不能用其他非導(dǎo)電物體。v 電容式觸摸屏的缺點(diǎn)是電容值易受溫度、濕度影響，所以穩(wěn)定性差。v 其優(yōu)點(diǎn)在于不受油污的影響，小于0.57N（牛頓）的施力就可感應(yīng)，響應(yīng)速度小于3ms，可用于多點(diǎn)觸控，可承受大于5000萬(wàn)次的觸摸。v3. 紅外線式觸摸屏v 在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接

47、收管，形成X、Y方向上密布的紅外線矩陣。v 用戶(hù)在觸摸屏幕時(shí)，手指就會(huì)擋住X、Y方向上兩條紅外線，因而可以檢測(cè)并定位用戶(hù)的觸摸位置。v 響應(yīng)速度比電容式觸摸屏快，但分辨率較低。v4. 聲表面波式觸摸屏v 在屏幕四邊安裝聲表面波發(fā)射換能器和接收換能管，形成X、Y方向上密布的聲表面波矩陣。v 用戶(hù)手指觸摸屏幕時(shí)，手指就會(huì)吸收X、Y方向上一部分聲表面波能量，控制器依據(jù)減弱的聲表面波信號(hào)計(jì)算出用戶(hù)的觸摸位置。v 這種觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)是很耐用，缺點(diǎn)是易受刮傷、水漬、油漬、污物或塵埃的影響。v5. 電磁式觸摸屏v 是目前最為先進(jìn)和流行的觸摸屏技術(shù)，更多用于手寫(xiě)輸入和畫(huà)畫(huà)。v 屏幕邊上有勵(lì)磁電路，在觸摸屏上方產(chǎn)

48、生一定范圍內(nèi)的磁場(chǎng)。借由手寫(xiě)筆和觸摸屏磁場(chǎng)的相互感應(yīng)來(lái)確定筆尖的位置及所畫(huà)軌跡。觸摸屏控制器將這些信息送入微處理器，顯示出所畫(huà)圖形。微處理器同時(shí)將所畫(huà)的圖形與存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的文字圖形進(jìn)行類(lèi)比來(lái)識(shí)別輸入的文字。v 電磁壓感式手寫(xiě)筆可以產(chǎn)生粗細(xì)不同的筆畫(huà)，可以像毛筆一樣流暢書(shū)寫(xiě)，手感也很好，繪圖、畫(huà)畫(huà)很有用。v 手機(jī)、平板電腦大多采用電容觸摸屏，也有采用電阻觸摸屏、電磁觸摸屏的。v 平板電腦大多采用10.1英寸TFT液晶顯示屏，1024758像素或1280800像素，更高清晰度的已采用20481536像素。v9.6.2 多點(diǎn)觸控滑屏應(yīng)用（多點(diǎn)觸控滑屏應(yīng)用（Spin）v 電容式觸摸屏支持多點(diǎn)觸控，用戶(hù)

49、可以在觸摸屏面左右或上下滑動(dòng)手指，使屏幕顯示內(nèi)容左右或上下滾動(dòng)，或進(jìn)行翻頁(yè)切換。v 在查看照片、網(wǎng)頁(yè)、電子郵件、地圖時(shí)，用兩根手指觸摸畫(huà)面后向外擴(kuò)張，可以將畫(huà)面放大，還可以向內(nèi)收縮，將畫(huà)面回復(fù)縮小。v 多點(diǎn)觸控滑屏技術(shù)的基本原理如圖9-35所示。觸摸屏控制器在探測(cè)出手指觸摸點(diǎn)的XY坐標(biāo)信息送入微處理器的同時(shí)，進(jìn)行左、右、上、下4個(gè)臨近坐標(biāo)點(diǎn)及向外更多坐標(biāo)點(diǎn)的檢測(cè)。v 若其中某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)緊接著探測(cè)到手指的觸摸信號(hào)，該坐標(biāo)信息同時(shí)送入微處理器。v 微處理器由此確定手指在滑動(dòng)，并可判別手指的滑動(dòng)方向。圖935 液晶顯示觸摸滑屏原理框圖v 微處理器根據(jù)手指觸摸點(diǎn)坐標(biāo)，手指是否滑動(dòng)和滑動(dòng)方向，v 輸出相應(yīng)

50、控制信號(hào)到視頻信號(hào)輸出單元，對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行滾動(dòng)，v 或從存儲(chǔ)器中取出顯示內(nèi)容，進(jìn)行屏幕翻頁(yè)切換。v 最新生產(chǎn)的平板電腦和手機(jī)大多將觸摸屏控制器、微處理器和視頻信號(hào)輸出單元做在一個(gè)芯片中。v 觸摸屏畫(huà)面的放大、縮小變換來(lái)自多點(diǎn)觸控滑屏信號(hào)處理。v 控制器探測(cè)出兩個(gè)手指在畫(huà)面上觸摸位置坐標(biāo)信息，及手指緊接著觸摸的相鄰位置坐標(biāo)信息，將其送入微處理器。v 微處理器根據(jù)兩個(gè)手指是向兩邊拉伸滑動(dòng)還是向內(nèi)回縮滑動(dòng)，輸出相應(yīng)控制信號(hào)到視頻信號(hào)輸出單元，通過(guò)補(bǔ)插法加入插值將畫(huà)面放大，或刪除補(bǔ)插值將畫(huà)面回復(fù)縮小。9.7 微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)v 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是在一個(gè)硅基板上集成了機(jī)械零件和電子元器件，v 可對(duì)聲、光、熱、磁、運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行檢測(cè)，v 并且具有信號(hào)處理器和執(zhí)行器功能的v 微機(jī)械加工型智能傳感器。v 組成如圖9-36所示，外形毫米量級(jí)，機(jī)械零件和電子元器件微米納米量級(jí)。圖9-36 三位一體的微機(jī)電系統(tǒng) v9.7.1 微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的特點(diǎn)）的特點(diǎn)v 微機(jī)電系