第1章 現(xiàn)代檢測技術(shù)概述-2012

1、1力力位移位移 速度速度 加速度加速度 壓力壓力流量流量溫度溫度電阻式電阻式電容式電容式電感式電感式 壓電式壓電式熱電式熱電式 光電式光電式磁電式磁電式電橋電橋 放大器放大器濾波器濾波器調(diào)制器調(diào)制器解調(diào)器解調(diào)器運算器運算器 阻抗變換器阻抗變換器 筆式記錄儀筆式記錄儀光線示波器光線示波器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 電子示波器電子示波器 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器 顯示器顯示器 磁卡磁卡 數(shù)據(jù)處理器數(shù)據(jù)處理器 頻譜分析儀頻譜分析儀 FFT 實時信號分析儀實時信號分析儀 電子計算機電子計算機 被測對象被測對象 傳感器傳感器 中間變換中間變換測量裝置測量裝置 顯示及顯示及 記錄裝置記錄裝置 實驗結(jié)果實驗結(jié)果

2、處理裝置處理裝置 激發(fā)裝置激發(fā)裝置 1.1.1檢測系統(tǒng)的基本組成 第一章第一章 現(xiàn)代檢測技術(shù)概述現(xiàn)代檢測技術(shù)概述2號31.1.2 檢測儀表性能指標 儀表的性能指標：技術(shù)、經(jīng)濟及使用等三方面的指標。衡量儀表檢測能力的是技術(shù)指標。 量程 基本誤差與附加誤差 精度等級 靈敏度與分辨力 變差 線性度 漂移 可靠性4u量程：用儀表測出被測參數(shù)的最高值和最低值，分別稱為儀表測量范圍的上限和下限。測量范圍的上限值和下限值的代數(shù)差即為儀表的量程B。 maxminBXXu基本誤差與附加誤差：基本誤差是指儀表在規(guī)定的工作條件(參比工作條件)下的誤差。附加誤差是指儀表未能在規(guī)定的工作條件下，使用而產(chǎn)生的另外增加的誤

3、差。 0 xx最大引用誤差最大引用誤差5u精度等級：儀表在出廠檢驗時，其示值的最大引用誤差不能超過規(guī)定的允許值，此值稱為允許引用誤差，記為Q。maxqQ 工業(yè)儀表以允許引用誤差值大小來劃分精度等級，并規(guī)定用允許引用誤差去掉百分號引用誤差去掉百分號( () )后的數(shù)字來表示精度等級。后的數(shù)字來表示精度等級。 國家規(guī)定精度等級分0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七級。 表 儀表的準確度等級和基本誤差u靈敏度與分辨力：靈敏度與分辨力：靈敏度：指穩(wěn)態(tài)時儀表的單位輸入量變化所引起的輸出量的變化。靈敏度K可表示為： yKx6儀表靈敏度高，精度可以提高，但過高的靈敏度會帶來讀數(shù)不穩(wěn)定的影

4、響。 a) 靜態(tài)特性曲線是直線 b) 靜態(tài)特性曲線不是直線 圖 儀表的靈敏度靜態(tài)特性曲線u 分辨率：指測量儀表能夠檢測出被測信號最小變化量的能力。模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半；模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半；數(shù)字式儀表的分辨率則指末位數(shù)字所代表的值。數(shù)字式儀表的分辨率則指末位數(shù)字所代表的值。為了保證檢測精度，測量儀表的分辨率應(yīng)小于系統(tǒng)允許誤差為了保證檢測精度，測量儀表的分辨率應(yīng)小于系統(tǒng)允許誤差的的l/3l/3或或1/51/5或或1/101/10。例如，右圖所示的數(shù)字式溫度計分辨力為0.1。7u變差變差：指當(dāng)輸入量上升和下降時，對于同一輸入值的儀表兩相應(yīng)輸出示值之間

5、的代數(shù)差。變差又稱回差，它表明儀表檢驗時所得輸入量增大的上升曲線和返回的下降曲線出現(xiàn)的不重合現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可能是由于儀表內(nèi)某些元件吸收能量所引起，例如彈性變形的滯后現(xiàn)象，磁性元件的磁滯現(xiàn)象；或者是由于儀表內(nèi)傳動機構(gòu)的摩擦、間隙等造成的。u線性度：線性度用來說明儀表靜態(tài)特性對一條指定的直線的吻合程度。 8maxmaxiieyyEy例如：采用連接特性曲線上、下限值兩端點的直線作基準，以特性曲線與端基直線之間的最大偏差值 與上限值 之比來衡量線性度，稱為端基線性度。 maxy作圖法求端基直線線性度演示 1擬合曲線（端基直線）擬合曲線（端基直線） 2實際特性曲線實際特性曲線9u漂移：保持儀表輸入量不變

6、時，輸出示值隨時間或溫度的改變而緩慢變化稱之為漂移。隨時間變化的漂移稱為時漂。隨環(huán)境溫度變化的漂移稱為溫漂。 漂移反映儀表工作的穩(wěn)定性，對于需要長時間運行的儀表，這個指標更為重要。u可靠性：可靠性指儀表在規(guī)定工作條件下和規(guī)定工作時間內(nèi)，保持原有技術(shù)性能的能力。 *平均無故障時間MTBF (Mean Time Between Failures)：是儀表連續(xù)運行時發(fā)生一次故障的時間間隔的平均值。假設(shè)某儀表在90000h的運行中發(fā)生了12次故障，則該儀表的MTBF為7500h。*儀表的平均故障率 ：單位時間內(nèi)儀表發(fā)生故障平均次數(shù)。 101.隨機誤差的正態(tài)分布： 設(shè)在一定條件下，對一個量（真值為X0）

7、進行N次的等精度重復(fù)測量，得到一組測量結(jié)果 ，則各值出現(xiàn)的概率密度分布為： 12,Nx xx202()1( )exp22xxP x在正態(tài)分布的概率密度函數(shù)中包含著隨機變量的一些重要信息。一個隨機變量具有兩個重要的參數(shù)：數(shù)學(xué)期望（被測量真值）x0和方差2。被測量真值x0體現(xiàn)了測量值取值平均的大小，它反映了測量值取值的集中位置，而用方差2來衡量測量值取值在被測量真值x0附近的散布程度。1.1.3 數(shù)據(jù)處理方法u對測量數(shù)據(jù)的誤差處理：隨機誤差112.隨機誤差的特點： (1)集中性(2)對稱性(3)有限性(4)抵償性大量重復(fù)測量時所得到的數(shù)值，均集中分大量重復(fù)測量時所得到的數(shù)值，均集中分布在其平均值附

8、近。布在其平均值附近。當(dāng)測量的次數(shù)足夠多時，符號相反、絕對當(dāng)測量的次數(shù)足夠多時，符號相反、絕對值相等的誤差，出現(xiàn)的機會值相等的誤差，出現(xiàn)的機會( (或稱概率或稱概率) )大大致相等致相等 。絕對值很大的誤差，出現(xiàn)的機會極少。因絕對值很大的誤差，出現(xiàn)的機會極少。因此在有限次的測量中，誤差絕對值不超過此在有限次的測量中，誤差絕對值不超過一定的范圍。一定的范圍。從對稱性中可以推論出，當(dāng)測量次數(shù)趨于從對稱性中可以推論出，當(dāng)測量次數(shù)趨于無窮多時，隨機誤差的平均值的極限將趨無窮多時，隨機誤差的平均值的極限將趨于零。于零。121.被測量真值x0的最佳估計在一定條件下對同一待測量進行多次重復(fù)測量，獲得個測量值

9、，這個測量值的集合稱為樣本或測量列?？梢宰C明樣本的算術(shù)平均值 是被測量真值的最佳估計。 服從正態(tài)分布的隨機變量有兩個重要參數(shù)：數(shù)學(xué)期望x0和方差2，即被測量真值x0和標準誤差。一般情況下,x0和是未知的并無法知道。x222212111NNNiNNiixx設(shè)殘余誤差 2. 標準誤差估計在有限次測量中取: 3.隨機誤差的處理方法： 133.平均值 的標準偏差的最佳估計前面已經(jīng)介紹樣本平均值 是被測量真值的最佳估計，一般情況下重復(fù)若干次測量后，可以由樣本平均值來表示測量結(jié)果。雖然平均值是樣本統(tǒng)計量，但是它本身也是一個隨機變量。 xx4. 測量結(jié)果的表示xN 對于一組數(shù)據(jù)進行N次等精度測量，在不考慮系

10、統(tǒng)誤差和粗大誤差的情況下，所得的數(shù)據(jù)表示為：xxxzxzN14算術(shù)平均值的均方根誤差 x算術(shù)平均值 121NNiixxxxxnNix每次測量所得測量值 z 置信系數(shù)，一般取1，2，3 xxNN測量次數(shù)均方根誤差 222212111NNNiNN 5.式中各參數(shù)含義：iiixx殘余誤差 xxxzxzN15例：例：對某量進行多次重復(fù)的等精度測量，測量次數(shù)為10次，在不考慮系統(tǒng)誤差和粗大誤差的情況下，測量結(jié)果如下，試求標準誤差和極限誤差，并寫出測量結(jié)果表達式。123.95, 123.45, 123.60, 123.60, 123.87, 123.88, 123.00, 123.85, 123.82,

11、123.6016傳感器特性的擬合直線方程式為 假定實際校準點有n個，對應(yīng)的輸出值是y，則第i個校準數(shù)據(jù)與擬合直線上相應(yīng)值之間的殘差為： ybkx()iiiybkx 最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使 為最小值。 21nii22()()0iiiiybkxxk22()( 1)0iiiybkxb22()iiiiiinx yxyknxx222()iiiiiiixyxx ybnxx從以上二式求出k和b為可得最小二乘法最佳擬合直線方程 bykx11niixxn11niiyynu傳感器特性線性擬合：最小二乘法。 17 電子信息科學(xué)給人類社會和國民經(jīng)濟帶來巨大的、廣泛的、深刻的影響!現(xiàn)代檢測技術(shù)的三大支柱：

12、傳感技術(shù)信息獲取 通信技術(shù)信息傳輸 計算機技術(shù)信息處理現(xiàn)代檢測技術(shù)特點及標志： 長期連續(xù)監(jiān)測事物狀態(tài) 大量信息分析 自動化、智能化信息處理是核心1.2.1 現(xiàn)代檢測技術(shù)基礎(chǔ)及特點18現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的處理能力：系統(tǒng)硬件：大規(guī)模集成電路、計算機算法程序：快速變化算法、數(shù)字濾波、信號卷積、相關(guān)分 析、頻譜分析、圖像處理、信息融合、人工 網(wǎng)絡(luò)、模糊處理、人工智能等檢測系統(tǒng)：自動補償、自動校準、自診斷等現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng)和傳統(tǒng)檢測方法的主要區(qū)別：大范圍、多層次的測試設(shè)備間進行通訊完成復(fù)雜的檢測任務(wù)現(xiàn)代信息傳輸特點即實現(xiàn)方法：特點：快速性、有效性基礎(chǔ)：高效標準化通信協(xié)議接口總線：GPIB,VXI,USB 工

13、業(yè)現(xiàn)場總線19SCXI1140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI-1001MAINFRAME SCXISCXI1100 Control PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperatureGPIBSerialDAQ傳感器單元傳感器單元VXI圖象采集圖象采集運動控制運動控制PXI硬件硬件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件驅(qū)動軟件驅(qū)動軟件1.2.2 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)基本構(gòu)成 現(xiàn)代測控系統(tǒng)不僅包括結(jié)構(gòu)集成，還包括功能集成、信息集成和集成環(huán)境。系統(tǒng)充分發(fā)揮3C優(yōu)勢集控制(Control)、運算(Computing)、通信(communication

14、)于一體。 201.基本型：基于DAQ體系的結(jié)構(gòu)模型傳感器1信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計算機顯示被測量X1傳感器2信號調(diào)理被測量X2傳感器n信號調(diào)理被測量Xn被測量X電氣參量非電氣測量獲取信號信號變換預(yù)濾波A/D轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換信號分析、處理212.標準通用接口型： 各種儀器模塊由數(shù)據(jù)總線通過標準接口卡組成大型測試系統(tǒng)。包括RS232、GPIB(IEEE488 通用接口測試系統(tǒng))、VXI、PXI等總線。以GPIB總線為例說明標準通用接口測試系統(tǒng)框圖：儀器1子系統(tǒng)儀器n子系統(tǒng)GPIB接口卡計算機儀器2子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線接口特點：1.在功能上、電氣上、機械接插上都按國際標準設(shè)計2.內(nèi)含16條信號線22標準通用接口

15、型標準通用接口型 標準化總線：標準化總線：利用總線技術(shù)，能夠大大簡化系統(tǒng)利用總線技術(shù)，能夠大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的兼容性、開放性、可靠性和可結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的兼容性、開放性、可靠性和可維護性，便于實行標準化以及組織規(guī)模化的生產(chǎn)，維護性，便于實行標準化以及組織規(guī)?；纳a(chǎn)，從而顯著降低系統(tǒng)成本。從而顯著降低系統(tǒng)成本。 接口的機械結(jié)構(gòu)遵循統(tǒng)一規(guī)范，包括接插件的結(jié)接口的機械結(jié)構(gòu)遵循統(tǒng)一規(guī)范，包括接插件的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸、引腳定義和數(shù)量、插件板的結(jié)構(gòu)構(gòu)和幾何尺寸、引腳定義和數(shù)量、插件板的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸等。通過和幾何尺寸等。通過標準總線標準總線將各個臺式儀器模將各個臺式儀器模塊連接起來，也可將有關(guān)插板部

16、件模塊插入標準塊連接起來，也可將有關(guān)插板部件模塊插入標準機箱擴展槽，即可方便的構(gòu)成測試系統(tǒng)。機箱擴展槽，即可方便的構(gòu)成測試系統(tǒng)。23 所謂所謂總線總線是指計算機、測量儀器、自動測試是指計算機、測量儀器、自動測試系統(tǒng)內(nèi)部以及相互之間系統(tǒng)內(nèi)部以及相互之間信息傳遞的公共通路信息傳遞的公共通路，是計算機和內(nèi)部測試系統(tǒng)的重要組成部分，是計算機和內(nèi)部測試系統(tǒng)的重要組成部分，是計算機、自動測試系統(tǒng)乃至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基是計算機、自動測試系統(tǒng)乃至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。礎(chǔ)。 總線的類別很多，分類方式多樣，僅按應(yīng)用總線的類別很多，分類方式多樣，僅按應(yīng)用的場合可分為的場合可分為芯片總線、板內(nèi)總線、機箱總芯片總線、板內(nèi)總線、機箱

17、總線、設(shè)備互連總線、現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)總線線、設(shè)備互連總線、現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)總線等等多種類型。多種類型。24 計算機與測控機箱之間互連總線計算機與測控機箱之間互連總線 與計算機相對獨立的測控機箱或機柜需要用相與計算機相對獨立的測控機箱或機柜需要用相應(yīng)的總線應(yīng)的總線(或標準接口或標準接口)與計算機連接，以組成與計算機連接，以組成計算機控制的自動測試系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。計算機控制的自動測試系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。 串行總線串行總線串行總線是指按位傳送數(shù)據(jù)的通串行總線是指按位傳送數(shù)據(jù)的通路。其連接線少、接口簡單、成本低、傳送距路。其連接線少、接口簡單、成本低、傳送距離遠，被廣泛用于離遠，被廣泛用于PC與外設(shè)的連接和計算機網(wǎng)與

18、外設(shè)的連接和計算機網(wǎng)絡(luò)。常用的串行總線有絡(luò)。常用的串行總線有RS-232C、RS-422A、RS-485、USB及及IEEE-1394等。等。 并行總線并行總線為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，在集成式為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，在集成式自動測試系統(tǒng)中大多采用并行總線進行連接。自動測試系統(tǒng)中大多采用并行總線進行連接。并行總線分為標準的和非標準兩類。常用的并并行總線分為標準的和非標準兩類。常用的并行標準總線有通用接口總線行標準總線有通用接口總線GPIB(IEEE 488)和和SCSI總線?？偩€。 253.基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)模型：基于現(xiàn)場總線基于現(xiàn)場總線 系統(tǒng)支持各種工業(yè)領(lǐng)域的信息處理、監(jiān)視和控制系統(tǒng)； 可用于過程控制

19、傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級通信； 可以與工廠自動化的PLC實現(xiàn)互連。261.2.3 現(xiàn)代檢測技術(shù)發(fā)展趨勢 檢測技術(shù)與計算機技術(shù)同步、協(xié)調(diào)向前發(fā)展。VXI、compact PCI、PXI技術(shù)在未來10年的測試領(lǐng)域中將扮演重要角色。以現(xiàn)場總線(Field Bus)、IEEE 1394(Fire wire)、Internet分布、高速、互連體系等為特征的測試系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用，總線和網(wǎng)絡(luò)將是熱點問題。對綜合測試技術(shù)的發(fā)展，軟件比硬件更重要。系統(tǒng)開放化、通信多元化、遠程智能化、人機交互形式多樣化、測控系統(tǒng)大型化和微型化、數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)化等將成為工業(yè)儀器與測控系統(tǒng)新的發(fā)展方向。27 u測量信號處

20、理發(fā)展信號處理芯片的出現(xiàn)： 對簡化信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高運算速度，加快信號處理的實時能力等，有很大影響。 如：美國Texas公司1986年推出的TMS320(：25芯片，運算速度達1000萬次每秒，用其進行1024復(fù)數(shù)點FFT運算，只需14 ms便可完成。信號分析技術(shù)的發(fā)展目標是： 進一步提高在線實時能力；提高分辨力和運算精度；擴大和發(fā)展新的專用功能；專用機結(jié)構(gòu)小型化，性能標準化，價格低廉。u開發(fā)平臺發(fā)展趨勢 基于網(wǎng)絡(luò)平臺的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境將成為主流，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維成像技術(shù)將成為新一代軟件應(yīng)用平臺的新特點。 28u傳感器技術(shù)發(fā)展開發(fā)新材料 半導(dǎo)體敏感材料發(fā)展趨勢為：從單晶體到多晶體

21、、非晶體，從單一型材料到復(fù)合型材料，原子(分子)型材料的人工合成。另外陶瓷材料、智能材料的研究探索也在不斷地深入。研制集成化、多功能化傳感器 集成化：在同一芯片上，單個傳感器集成一維、二維或三維陣列性傳感器，實現(xiàn)“點一線一面一體”的多維圖像化(如CCD)；實現(xiàn)單參數(shù)檢測到多參數(shù)檢測；將傳感器與測量電路等處理電路集成一體化。實現(xiàn)傳感器的數(shù)字化和智能化 智能化：把傳感器與微處理器相結(jié)合，使之不僅具有檢測、轉(zhuǎn)換和處理功能，同時還具有存儲、記憶、自診斷、自補償?shù)裙δ?。研制開發(fā)仿生傳感器傳感器融合 把各個微傳感器的單一功能加以融合，得出綜合的輸出信息會變得越來越重要。29傳感器傳感器（Transduce

22、r/Sensor）是能夠感受規(guī)定的被測量并按一定是能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器的組成：傳感器的組成：電信號電信號電量電量中間量中間量轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路被測量被測量敏感元件敏感元件1-1-彈簧管彈簧管 2-2-電位器電位器1.3.1 傳感器基本組成傳感器基本組成例：測量壓力的電位器式壓力傳感器例：測量壓力的電位器式壓力傳感器 傳感器名稱：變送器、變換器、探測器、敏感元件、換能器、一次儀表、傳感器名稱：變送器、變換器、探測器、敏感元件、換能器、一次儀表、探頭等探頭等30* * *敏感元件敏感元件: :在傳感

23、器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。 在圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移在圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移材質(zhì)材質(zhì)銅合金、不銹鋼銅合金、不銹鋼結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式橢圓管、圓管橢圓管、圓管直徑系列直徑系列202080mm80mm遲滯遲滯1%1%非線性非線性2%2%31* * *傳感元件：傳感元件：被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量。成電參量。 圖中，圖中， 電位器為傳感元件，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量電阻的

24、變化電阻的變化（RR） * * *測量轉(zhuǎn)換電路：測量轉(zhuǎn)換電路：作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。處理的電壓、電流或頻率量。 在圖中，當(dāng)電位器的兩端加上電源在圖中，當(dāng)電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓UoUo 。 32u按傳感器的工作機理，按傳感器的工作機理，分為物理型、化學(xué)型、生物型等分為物理型、化學(xué)型、生物型等 u按構(gòu)成原理，按構(gòu)成原理，結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類 u 根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，根據(jù)傳感

25、器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器量轉(zhuǎn)換型傳感器u按照傳感器的用途分類按照傳感器的用途分類 ：位移、壓力、振動、溫度傳感器位移、壓力、振動、溫度傳感器u根據(jù)傳感器輸出信號：根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號 u根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否 ：單向和雙向單向和雙向u根據(jù)傳感器使用電源與否：根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器有源傳感器和無源傳感器 1.3.2 傳感器分類傳感器分類331.1.結(jié)構(gòu)型傳感器：結(jié)構(gòu)型傳感器：依賴依賴結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換 利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成

26、的，包括動力場的運動利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。這類傳感器的特點是傳感定律，電磁場的電磁定律等。這類傳感器的特點是傳感器的工作原理是器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎(chǔ)變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。 u按構(gòu)成原理：按構(gòu)成原理：34舉例說明結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器的區(qū)別舉例說明結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器的區(qū)別: :（1 1）電容式傳感器）電容式傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器00rllbCCCd （）01ClllCll 化簡得：化簡得：00rCCbSlld 輸

27、出靈敏度輸出靈敏度結(jié)構(gòu)型傳感器的特性主要由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與構(gòu)成傳感器的結(jié)構(gòu)型傳感器的特性主要由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。00rl bCd 352.2.物性型傳感器：物性型傳感器：依賴敏感元件的依賴敏感元件的物理特性物理特性的變化實現(xiàn)的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換 利用物質(zhì)定律構(gòu)成的利用物質(zhì)定律構(gòu)成的, ,如虎克定律、歐姆定律等。如虎克定律、歐姆定律等。物性型傳感器的性能隨材料的不同而異物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如，光電管，。如，光電管，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。所有半導(dǎo)體傳感器，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。所有半導(dǎo)體傳感器，以及所有利用各種

28、環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。 36（2 2）壓敏傳感器）壓敏傳感器物性型傳感器物性型傳感器物性型傳感器主要由構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)決定。物性型傳感器主要由構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)決定。壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)371.1.能量控制型傳感器：能量控制型傳感器：在信息變化過程中，傳感器將從被測對在信息變化過程中，傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信

29、號，的部分能量載運信息而形成輸出信號，這類傳感器必須由外部這類傳感器必須由外部提供激勵源，提供激勵源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器?；趹?yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電一類傳感器?；趹?yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器。效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器。 2.2.能量轉(zhuǎn)換型傳感器：能量轉(zhuǎn)換型傳感器：又稱有源型或發(fā)生器型，傳感器將從被又稱有源型或發(fā)生器型，傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，主要由能量主要由能量

30、變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動勢效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。光電動勢效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。u 根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況38u按照物理原理分類按照物理原理分類n電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等； n磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等；磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等； n壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器； n光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式

31、、光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；n氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式； n熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻； n波式傳感器：超聲波式、微波式等；波式傳感器：超聲波式、微波式等；n射線式傳感器：熱輻射式、射線式傳感器：熱輻射式、射線式；射線式；n半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；n其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。 有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式有些傳感器的工作

32、原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式, ,如不如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。 391.3.3 現(xiàn)代傳感器功能材料現(xiàn)代傳感器功能材料功能材料的特點：功能材料的特點：u在性能上以材料的電、磁、聲、光等物理、化學(xué)和生物學(xué)特性在性能上以材料的電、磁、聲、光等物理、化學(xué)和生物學(xué)特性為主，并對最終產(chǎn)品、系統(tǒng)的功能特性起舉足輕重的作用；為主，并對最終產(chǎn)品、系統(tǒng)的功能特性起舉足輕重的作用；u在用途上常制成元、器件，材料與器件一體化；在用途上常制成元、器件，材料與器件一體化；u在生產(chǎn)制造上，常常是知識密集、多學(xué)科交叉、技術(shù)含量高的在生產(chǎn)制造上，常常是知識密集、

33、多學(xué)科交叉、技術(shù)含量高的產(chǎn)品，具有品種多、批量小、更新?lián)Q代快的特點；產(chǎn)品，具有品種多、批量小、更新?lián)Q代快的特點；u在微觀結(jié)構(gòu)上，功能材料常有超純、超低缺陷密度、結(jié)構(gòu)高度在微觀結(jié)構(gòu)上，功能材料常有超純、超低缺陷密度、結(jié)構(gòu)高度精細等特點。精細等特點。結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：人們利用人們利用某些材料具有抵抗外力作用某些材料具有抵抗外力作用而保持自己的形而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能，制造用具、車輛和修狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能，制造用具、車輛和修建房屋、橋梁等，這些材料稱為結(jié)構(gòu)材料。建房屋、橋梁等，這些材料稱為結(jié)構(gòu)材料。功能材料：功能材料：人們利用人們利用某些材料優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物學(xué)性能某

34、些材料優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物學(xué)性能來來制造具有傳導(dǎo)信息、存儲或記錄、轉(zhuǎn)化或變換能量的制造具有傳導(dǎo)信息、存儲或記錄、轉(zhuǎn)化或變換能量的功能元、器件。具有特定光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、功能元、器件。具有特定光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化功能，熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化功能，并應(yīng)用于現(xiàn)代高新技術(shù)中材料稱為并應(yīng)用于現(xiàn)代高新技術(shù)中材料稱為功能材料功能材料。40功能材料分類：功能材料分類： 綜合材料的化學(xué)成分及其物理性質(zhì)和功能，功能材料大致可綜合材料的化學(xué)成分及其物理性質(zhì)和功能，功能材料大致可按圖所示分類：按圖所示分類：在現(xiàn)代傳感器中，用得較多的是：在現(xiàn)代傳感器

35、中，用得較多的是：貴金屬材料、半導(dǎo)體材料、功能陶貴金屬材料、半導(dǎo)體材料、功能陶瓷材料和功能高分子材料。瓷材料和功能高分子材料。413.半導(dǎo)體材料在傳感器中的應(yīng)用半導(dǎo)體材料在傳感器中的應(yīng)用 半導(dǎo)體傳感器不僅靈敏度高、響應(yīng)速度快、小型、輕量，而且便于實現(xiàn)傳感器的集成化和多功能化。如目前較先進的固態(tài)傳感器，在一塊芯片上可同時集成差壓、靜壓、溫度三個傳感器，這樣的傳感器具有溫度和壓力補償功能。42功能陶瓷分類：功能陶瓷分類： 陶瓷大體上可分為陶瓷大體上可分為壓電陶瓷壓電陶瓷、磁性陶瓷磁性陶瓷及及半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷等，它等，它們可以廣泛地應(yīng)用于熱敏、氣敏、濕敏、光敏等類型的傳感器。們可以廣泛地應(yīng)用于熱

36、敏、氣敏、濕敏、光敏等類型的傳感器。 壓電陶瓷壓電陶瓷 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)是指在某些晶體材料上施加機械應(yīng)力時，晶體的是指在某些晶體材料上施加機械應(yīng)力時，晶體的某些表面會產(chǎn)生電荷；某些表面會產(chǎn)生電荷；逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)是指在晶體的某些方向施加電是指在晶體的某些方向施加電場時，晶體會產(chǎn)生幾何形狀的變化。場時，晶體會產(chǎn)生幾何形狀的變化。 按晶體結(jié)構(gòu)的特點，壓電效應(yīng)只能存在于沒有對稱中心按晶體結(jié)構(gòu)的特點，壓電效應(yīng)只能存在于沒有對稱中心( (即非即非各向同性各向同性) )的晶體中。的晶體中。 陶瓷是由許多細小晶粒聚集在一起構(gòu)成的多晶體，這些多晶陶瓷是由許多細小晶粒聚集在一起構(gòu)成的多晶體，這些多晶體在

37、陶瓷燒結(jié)后，通常是無規(guī)則地排列的，在實現(xiàn)上表現(xiàn)為各向體在陶瓷燒結(jié)后，通常是無規(guī)則地排列的，在實現(xiàn)上表現(xiàn)為各向同性。一般來說，它們是不顯示壓電效應(yīng)的。同性。一般來說，它們是不顯示壓電效應(yīng)的。43單晶電疇的無規(guī)則排列一定溫度下對其施加強直流電場 極化電場去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。 44 功能高分子材料在傳感器中的應(yīng)用功能高分子材料在傳感器中的應(yīng)用 由于功能高分子材料成分的可設(shè)計性、質(zhì)輕、加工方便等優(yōu)由于功能高分子材料成分的可設(shè)計性、質(zhì)輕、加工方便等優(yōu)點，將其作為傳感器的敏感器件材料，已獲得多方面的應(yīng)用。點，將其作為傳感器的敏感器件材料，已獲得多方面的應(yīng)用。

38、45四四 功能材料納米結(jié)構(gòu)功能材料納米結(jié)構(gòu)1.1.納米技術(shù)納米技術(shù) 納米科技是納米科技是9090年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域。它是年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域。它是指在指在1-100nm1-100nm尺度空內(nèi)，研究電子、原子和分子運動規(guī)律、特尺度空內(nèi)，研究電子、原子和分子運動規(guī)律、特性的高新技術(shù)學(xué)科。性的高新技術(shù)學(xué)科。2.2.納米材料納米材料 納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1 1100nm100nm（1010-9-9m m）間的粒）間的粒子，是處在原

39、子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。它具有子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。它具有表面表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)。當(dāng)人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。463.3.幾種典型納米材料幾種典型納米材料 納米顆粒型材料納米顆粒型材料也稱納米粉末，一也稱納

40、米粉末，一般指粒度在般指粒度在100nm100nm以下的粉末或顆以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。規(guī)固體的新特性。 用途：用途：單晶硅和精密光學(xué)器件拋光單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微電子封裝材料、光電子材材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極材料、太陽能電池材料、電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料等。感元件、高韌性陶瓷材料等。47納米固體材料納米固體材料 納米固體材料通常指由尺納米固體材料通常指由尺寸

41、小于寸小于1515納米的超微顆粒納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。生成的致密型固體材料。Fe-B納米棒48納米膜材料納米膜材料 納米薄膜是指尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構(gòu)納米薄膜是指尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。成的薄膜以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。 納米膜分為顆粒膜與致密納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸

42、為納米級的薄密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用于：氣體催化（如膜。可用于：氣體催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導(dǎo)材料等。超導(dǎo)材料等。49碳納米管，是碳納米管，是19911991年由日本電鏡學(xué)家年由日本電鏡學(xué)家飯島教授通過高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬飯島教授通過高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾

43、納米至幾十納米，長度可達直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。數(shù)微米甚至數(shù)毫米。 碳納米管碳納米管碳納米管本身有非常完美碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的性能。它在一維方向上的強度可以超過鋼絲強度，強度可以超過鋼絲強度，它還有其他材料所不具備它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。能、導(dǎo)熱性能和電性能。50 碳納米管尺寸盡管只有碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但它頭發(fā)絲的十萬分之一，但它的導(dǎo)電率是銅的的導(dǎo)電率是銅的1萬倍，它的萬倍，它的強度是鋼的強度是鋼的100倍而重量只有

44、倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石鋼的七分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點是已知材料拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。中最高的。 如果用碳納米管做繩索，是唯一如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球地球-月球乘人的電梯，人們在月球定月球乘人的電梯，人們在月球定居就很容易了。納米碳管的細尖極易居就很容易了。納米碳管的細尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏。厘米厚的壁掛式電視屏。

45、514.4.納米材料的制備技術(shù)納米材料的制備技術(shù) 利用納米材料制成傳感器的敏感元件，必須嚴格控制工藝過利用納米材料制成傳感器的敏感元件，必須嚴格控制工藝過程中的工藝條件和工藝方法，才能保證材料一直處于納米量程中的工藝條件和工藝方法，才能保證材料一直處于納米量級，納米材料的優(yōu)異特性才能發(fā)揮出來。級，納米材料的優(yōu)異特性才能發(fā)揮出來。 納米材料的制備方法劃分為納米材料的制備方法劃分為物理方法物理方法和和化學(xué)方法化學(xué)方法兩大類。兩大類。l真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點純度高、結(jié)晶組織好

46、、粒度可控，但子體，然后驟冷。其特點純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。技術(shù)設(shè)備要求高。l物理粉碎法物理粉碎法 通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。l機械球磨法機械球磨法 采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合金或復(fù)合材采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合金或復(fù)合材料的納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆料的納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。粒分布不均勻。52l氣相沉積法

47、氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點產(chǎn)品利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。純度高，粒度分布窄。l沉淀法沉淀法 把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。物。l水熱合成法水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控制。理得納米粒子。其特點純度高，分

48、散性好、粒度易控制。l溶膠凝膠法溶膠凝膠法 l微乳液法微乳液法 化學(xué)方法化學(xué)方法53u光刻技術(shù)基本流程光刻技術(shù)基本流程涂膠：涂膠：在硅等基體材料上涂覆在硅等基體材料上涂覆 光刻膠；光刻膠；前烘：前烘：涂好膠層的樣品用烘烤涂好膠層的樣品用烘烤 的方式使膠層中的溶劑揮發(fā)，的方式使膠層中的溶劑揮發(fā)， 使膠層干燥；使膠層干燥；對位與曝光：對位與曝光：一個器件的完整一個器件的完整 圖形，常常是通過多種掩模，圖形，常常是通過多種掩模， 按先后次序復(fù)印在襯底上。按先后次序復(fù)印在襯底上。 曝光也稱感光。決定圖形精確曝光也稱感光。決定圖形精確 形狀和尺寸。形狀和尺寸。顯影：顯影：把已曝光的硅片樣品放入到顯影液中

49、，使膠層溶解。把已曝光的硅片樣品放入到顯影液中，使膠層溶解。堅膜：堅膜：把顯影后的樣品放在一定溫度下烘烤，使其硬化。把顯影后的樣品放在一定溫度下烘烤，使其硬化。淀積和去膠：淀積和去膠：堅膜后的樣品分為兩種情況：一種是用于蝕刻下面的材料；另堅膜后的樣品分為兩種情況：一種是用于蝕刻下面的材料；另一種則是在樣品上淀積所需要的材料，然后去除作為保護膜的光刻膠，形成一種則是在樣品上淀積所需要的材料，然后去除作為保護膜的光刻膠，形成所需要的器件圖形。所需要的器件圖形。 54u光學(xué)光刻光學(xué)光刻 光學(xué)光刻的原理與印光學(xué)光刻的原理與印像片相同，只是用涂像片相同，只是用涂覆了感光膠覆了感光膠( (抗蝕劑抗蝕劑)

50、)的硅片取代了相紙，的硅片取代了相紙，掩模版取代了底片。掩模版取代了底片。 光學(xué)光刻存在著極限光學(xué)光刻存在著極限分辨率較低和焦深不分辨率較低和焦深不足兩大問題。足兩大問題。UV光光學(xué)光刻工藝母板掩膜光刻膠SiO2光刻膠SiO255u電子束光刻電子束光刻n 電子束加工是指利用高能電子束電子束加工是指利用高能電子束流轟擊材料，使其產(chǎn)生熱效應(yīng)或流轟擊材料，使其產(chǎn)生熱效應(yīng)或輻照化學(xué)和物理效應(yīng)，以達到預(yù)輻照化學(xué)和物理效應(yīng)，以達到預(yù)定工藝目的。定工藝目的。n 電子束加工根據(jù)其所產(chǎn)生的效應(yīng)電子束加工根據(jù)其所產(chǎn)生的效應(yīng)可分為電子束熱加工和電子束非可分為電子束熱加工和電子束非熱加工兩類。熱加工兩類。n 利用電子

51、束熱效應(yīng)的加工方法，利用電子束熱效應(yīng)的加工方法，稱之為電子束熱加工稱之為電子束熱加工n 電子束非熱加工是基于電子束的電子束非熱加工是基于電子束的非熱效應(yīng)，利用功率密度比較低非熱效應(yīng)，利用功率密度比較低的電子束和電子膠（又稱電子抗的電子束和電子膠（又稱電子抗蝕劑，由高分子材料組成）相互蝕劑，由高分子材料組成）相互作用，產(chǎn)生的輻射化學(xué)或物理效作用，產(chǎn)生的輻射化學(xué)或物理效應(yīng)應(yīng)56u電子束光刻電子束光刻 電子束光刻與傳統(tǒng)意義的光電子束光刻與傳統(tǒng)意義的光刻刻( (區(qū)域曝光區(qū)域曝光) )加工不同，是加工不同，是用束線刻蝕進行圖形的加工。用束線刻蝕進行圖形的加工。 電子束光刻的主要缺點在于電子束光刻的主要缺

52、點在于產(chǎn)出量，加工過程較慢，不產(chǎn)出量，加工過程較慢，不能用于制造大多數(shù)集成電路。能用于制造大多數(shù)集成電路。57u離子束光刻離子束光刻 用離子束進行抗蝕劑的曝光始于用離子束進行抗蝕劑的曝光始于8080年代液態(tài)金屬離子源的年代液態(tài)金屬離子源的出現(xiàn)。離子束曝光在集成電路工業(yè)中主要用于出現(xiàn)。離子束曝光在集成電路工業(yè)中主要用于光學(xué)掩模的光學(xué)掩模的修補修補和和集成電路芯片的修復(fù)集成電路芯片的修復(fù)。 離子束加工是在真空條件下，將離子束加工是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之具有高的動能能量，轟擊工件表面，利用加速聚焦，使之具有高的動能能量，轟擊工件表面，利用離子的微觀

53、機械撞擊實現(xiàn)對材料的加工離子的微觀機械撞擊實現(xiàn)對材料的加工。 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。 58離子束加工原理圖59離子束加工工藝示意圖（a） 離子束刻蝕（b） 濺射鍍膜（c） 離子鍍膜（d） 離子注入1-離子流；2-吸極；3-離子束；4-工件；5靶材601.4.2 蝕刻技術(shù)蝕刻技術(shù)l蝕刻技術(shù)就是將不需要的薄膜利用化學(xué)溶液或者其他方法去蝕刻技術(shù)就是將不需要的薄膜利用化學(xué)溶液或者其他方法去除掉。是實現(xiàn)除掉。是實現(xiàn)集成電路圖形轉(zhuǎn)移集成電路圖形轉(zhuǎn)移的主要技術(shù)手段。的主要技

54、術(shù)手段。l蝕刻技術(shù)分為兩類：蝕刻技術(shù)分為兩類： 一類是濕法蝕刻一類是濕法蝕刻，包括各向同性濕法腐蝕和各向異性濕法，包括各向同性濕法腐蝕和各向異性濕法腐蝕；腐蝕； 另一類是干法蝕刻另一類是干法蝕刻，包括以物理作用為主的離子濺射蝕刻、，包括以物理作用為主的離子濺射蝕刻、以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體蝕刻，以及兼有物理、化學(xué)作用的以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體蝕刻，以及兼有物理、化學(xué)作用的反應(yīng)濺射蝕刻。反應(yīng)濺射蝕刻。61u干法刻蝕干法刻蝕干法刻蝕是利用干法刻蝕是利用高能束或某些氣體高能束或某些氣體對基體進行去除材料的對基體進行去除材料的加工，被刻蝕表面粗糙度較低，刻蝕效果好，但對工藝條件加工，被刻蝕表面粗糙度較

55、低，刻蝕效果好，但對工藝條件要求較高，加工方式可分為要求較高，加工方式可分為濺射加工濺射加工和和直寫加工直寫加工，加工工藝，加工工藝主要包括主要包括離子束刻蝕離子束刻蝕和和激光刻蝕激光刻蝕。離子束刻蝕離子束刻蝕離子刻蝕也稱濺射刻蝕或去除加工。離子束刻蝕又分為聚離子刻蝕也稱濺射刻蝕或去除加工。離子束刻蝕又分為聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕。焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕。激光刻蝕激光刻蝕利用激光對氣相或液相物質(zhì)的良好的透光性利用激光對氣相或液相物質(zhì)的良好的透光性62u濕法刻蝕濕法刻蝕 濕法刻蝕工藝是通過濕法刻蝕工藝是通過化學(xué)刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)之間化學(xué)反化學(xué)刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)之間化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，將被刻蝕

56、物質(zhì)剝離下來，包括，將被刻蝕物質(zhì)剝離下來，包括各向同性各向同性與與各向異性各向異性刻蝕。刻蝕。各向同性刻蝕是在任何方向上刻蝕速度均等的加工；各向同性刻蝕是在任何方向上刻蝕速度均等的加工；而各向異性刻蝕則是與被刻蝕晶片的結(jié)構(gòu)方向有關(guān)的一種而各向異性刻蝕則是與被刻蝕晶片的結(jié)構(gòu)方向有關(guān)的一種刻蝕方法，它在特定方向上刻蝕速度大，其它方向上幾乎不刻蝕方法，它在特定方向上刻蝕速度大，其它方向上幾乎不發(fā)生刻蝕。發(fā)生刻蝕。631 1擴散擴散 擴散是指將一定數(shù)量和種類的雜質(zhì)摻入到硅片或其他晶體中擴散是指將一定數(shù)量和種類的雜質(zhì)摻入到硅片或其他晶體中去，以改變其電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況都滿去，以改變其

57、電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況都滿足要求。足要求。 粒子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的運動，稱為擴散運動。粒子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的運動，稱為擴散運動。濃濃度差的存在度差的存在是擴散運動的必要條件，溫度的高低、粒子的大小、是擴散運動的必要條件，溫度的高低、粒子的大小、晶體結(jié)構(gòu)初缺陷濃度及粒子運動方式都是決定擴散運動的重要晶體結(jié)構(gòu)初缺陷濃度及粒子運動方式都是決定擴散運動的重要因素。因素。 如果按原始雜質(zhì)源在室溫下的相如果按原始雜質(zhì)源在室溫下的相態(tài)加以分類，則可分為固態(tài)源擴散、態(tài)加以分類，則可分為固態(tài)源擴散、液態(tài)源擴散和氣態(tài)源擴散。液態(tài)源擴散和氣態(tài)源擴散。 1.4.3 半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜642 2離子注入離子注入 離子注入就是先使待摻雜的原子離子注入就是先使待摻雜的原子( (或分子或分子) )電離，再加速到電離，再加速到一定能量使之注入到晶體中，然后經(jīng)過退火，使雜質(zhì)激活達到一定能量使之注入到晶體中，然后經(jīng)過退火，使雜質(zhì)激活達到摻雜的目的。摻雜的目的。離子注入原理離子注入原理 離子注入過程是一個非平衡過程。高能離子注入過程是一個非平衡過程。高能離子進入靶后，不斷與原子核及核外電子離子進入靶后，不斷與原子核及核外電子碰撞，逐步損失能量