《微型传感器》是2007年清华大学出版社出版的图书，作者是董永贵。全书共分10章：引言、微传感器与信号、微传感器的常用材料及加工工艺、热学量微传感器、辐射量微传感器、机械量微传感器、磁微传感器、化学量微传感器常用技术、化学量微传感器、微传感器的数据获取。

针对微传感器技术发展速度快，一些理论、方法及实现技术尚未成熟的特点，本书紧密结合微传感器的最新发展动态，对热、辐射、机械、磁、化学量微传感器的基本理论及实现技术进行分类阐述，同时介绍了微传感器系统及其数据获取与处理方面的知识，旨在为读者提供一本微传感器方面的入门读物。本书帮助读者在掌握微传感器基础知识的基础上，建立微传感器设计、研究、制作及实验分析等方面的基本概念。当遇到具体的微传感器问题时，能查到专业文献，能读懂文献内容，能自行设计实验，能对实验结果进行分析总结。

本书可供高等工科院校微机电系统、测控技术与仪器、自动化工程、机电一体化及仪器仪表等专业师生使用，也可供从事仪器相关专业的研究、设计、制造、使用的工程技术人员学习和参考。

1 引言

1.1　微电子与微传感器

1.1.1 微电子与微器件

1.1.2　微传感器

1.1.3 微机电系统

1.1.4　微器件的相关理论与技术

1.2　微传感器与测量系统

1.2.1 测量系统

1.2.2　微传感器的分类

1.2.3 微传感器系统

1.3 本书内容的学习

1.3.1 专业文献的查找

1.3.2 专业文献的阅读

1.3.3　数据的总结与表达

推荐阅读

练习与思考34

2微传感器与信号36

2.1微传感器的理想特性及实用中的局限性36

2.1.1微传感器的误差36

2.1.2微传感器的静态特性38

2.1.3微传感器的动态特性44

2.2微传感器的标定48

2.2.1微传感器标定的基本概念48

2.2.2精度、精密度、误差、不确定度49

2.2.3微传感器的标定与数据处理51

2.2.4微传感器标定实验的设计53

2.3微传感器信号的数据获取55

2.3.1微传感器的信号调理56

2.3.2接口与数域57

2.3.3电阻的检测59

2.3.4电容的检测65

推荐阅读75

练习与思考75

3微传感器的常用材料及加工工艺78

3.1材料的基本知识78

3.1.1材料的基本物理特性78

3.1.2导体、半导体和电介质材料81

3.1.3MEMS常用材料84

3.2微传感器的常用材料86

3.2.1半导体敏感材料86

3.2.2敏感陶瓷材料87

3.2.3高分子敏感材料94

3.2.4磁性材料101

3.2.5微传感器的封装104

3.3常用的微加工技术106

3.3.1硅的刻蚀技术106

3.3.2表面膜的加工工艺111

3.3.3硅的平面微加工工艺119

3.3.4三维结构的微加工工艺121

推荐阅读123

练习与思考124

4热学量微传感器125

4.1基本知识及定义125

4.1.1基本的热学量126

4.1.2温度及其标定127

4.1.3热学量微传感器的分类131

4.2热电偶132

4.2.1热电效应132

4.2.2热电偶的材料及其制作133

4.3热电阻138

4.3.1金属热电阻138

4.3.2半导体热敏电阻140

4.4热敏二极管和热敏三极管142

4.4.1热敏二极管142

4.4.2热敏三极管143

4.5其他形式的热学量传感器144

4.5.1石英体声波温度传感器144

4.5.2声表面波温度传感器147

4.5.3光纤温度传感器150

推荐阅读153

练习与思考153

5辐射量微传感器155

5.1辐射量微传感器的基本概念与定义155

5.1.1核辐射与电磁辐射155

5.1.2辐射的计量参数157

5.1.3辐射量微传感器的分类159

5.2核辐射微传感器160

5.2.1核辐射的类型及其计量161

5.2.2闪烁探测器163

5.2.3固态探测器166

5.3紫外光、可见光与近红外光微传感器168

5.3.1电导型光敏微传感器168

5.3.2光电型光敏微传感器173

5.4红外辐射微传感器179

5.4.1红外辐射的基本知识179

5.4.2红外光敏微传感器181

5.4.3红外热敏微传感器184

推荐阅读188

练习与思考188

6机械量微传感器190

6.1机械量的测量190

6.1.1常见机械量及机械量微传感器190

6.1.2微机械元件192

6.1.3微机械谐振器197

6.1.4谐振式微传感器204

6.2压力微传感器209

6.2.1压力测量的基本概念209

6.2.2压阻式压力微传感器211

6.2.3电容式压力微传感器216

6.2.4硅谐振式压力微传感器221

6.3加速度微传感器225

6.3.1加速度微传感器的基本概念225

6.3.2压阻式加速度微传感器227

6.3.3电容式加速度微传感器231

6.3.4谐振式加速度微传感器236

6.4流量微传感器241

6.4.1机械式流量微传感器241

6.4.2热式流量微传感器243

推荐阅读244

练习与思考244

7磁微传感器246

7.1磁微传感器的基本知识246

7.1.1磁场的描述246

7.1.2微传感器中的磁效应247

7.2霍尔传感器250

7.2.1霍尔效应250

7.2.2基于霍尔效应的微传感器251

7.2.3霍尔传感器的检测电路254

7.3磁阻效应与磁敏电阻257

7.3.1磁阻效应257

7.3.2各向异性磁敏电阻258

7.3.3巨磁阻微传感器260

7.4磁敏二极管及磁敏三极管263

7.5磁微传感器的典型应用264

推荐阅读271

练习与思考271

8化学量微传感器常用技术273

8.1电化学检测技术273

8.1.1电极电位与电极过程273

8.1.2电化学分析方法284

8.1.3离子选择电极290

8.2石英晶体微天平297

8.2.1石英晶体谐振器298

8.2.2石英晶体谐振器对表面负载的敏感特性301

8.2.3石英晶体微天平在化学量检测方面的应用304

8.3表面等离子体谐振检测技术308

8.4主元分析方法313

8.4.1多元数据分析中的特征提取313

8.4.2主元分析原理315

8.4.3主元分析实例317

推荐阅读321

练习与思考322

9化学量微传感器326

9.1化学量微传感器的基本概念326

9.1.1化学量微传感器的基本原理326

9.1.2化学量微传感器的分类328

9.2气体微传感器331

9.2.1气体的检测与气体微传感器332

9.2.2电化学气体微传感器335

9.2.3半导体气体微传感器338

9.2.4湿度敏感元件343

9.2.5基于MEMS技术的气体微传感器348

9.3生物微传感器350

9.3.1生物微传感器概述351

9.3.2生物微传感器的特性353

9.3.3分子识别与生物探针358

9.3.4生物探针的固定361

9.3.5电化学生物微传感器368

9.3.6热量型生物微传感器372

9.3.7声表面波生物微传感器374

9.3.8悬臂梁式生物微传感器377

9.3.9基于MOSFET器件的生物微传感器380

推荐阅读385

练习与思考385

10微传感器的数据获取387

10.1准数字传感器387

10.1.1传感器输出信号的类型及其离散化388

10.1.2准数字传感器中的参数转换391

10.1.3几种准数字微传感器392

10.2时间调制信号的数字编码转换396

10.2.1频率测量法397

10.2.2周期测量法399

10.2.3混合测量方法401

10.2.4基于傅里叶变换的频率-编码转换403

10.2.5相位-编码转换405

10.3微传感器系统的数据获取技术407

10.3.1数据获取系统的基本概念407

10.3.2灵巧传感器的结构及数据获取409

10.3.3多通道数据获取系统的主要误差411

10.4微传感器数据获取系统的软硬件协同设计412

10.4.1数据获取系统的构成及虚拟仪器412

10.4.2数据获取系统的软硬件协同设计416

推荐阅读420

练习与思考421

参考文献423

⑴就单一传感器而言，微传感器是指尺寸微小的传感器，如敏感元件的尺寸从微米级到毫米级、甚至达到纳米级，主要采用精密加工、微电子以及微机电系统技术，实现传感器尺寸的缩小。

⑵就集成的传感器而言，微传感器是指将微小的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上而形成的集成的传感器。

⑶就传感器系统而言，微传感器是指传感系统中不但包括微传感器，还包括微执行器，可以独立工作，甚至由多个微传感器组成传感器网络，或者可实现异地联网。

(1)体积小、重量轻

⑵功耗低

⑶性能好

⑷易于批量生产、成本低

⑸便于集成化和多功能化

⑹提高传感器化智能化水平

按照被测量的物理性质，将微型传感器分为化学微传感器、生物微传感器、物理微传感器等，简要介绍一下每种类型中典型的微传感器：

（1）离子传感器——化学型

离子传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器。基本原理是利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性的结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电压的改变，达到检测目的。离子敏传感器广泛用在化学、医药、食品以及生物工程等行业中。

（2）基因传感器——生物型

基因传感器通过固定在感受器表面上的已知核苷酸序列的单链脱氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid,DNA）分子（也称为ssDNA探针），和另一条互补的ssDNA分子（也称为目称DNA或靶DNA）杂交，形成双链DNA（dsDNA），换能器将杂交过程或结果所产生的变化转换成电、光、声等物理信号，通过解析这些响应信号，给出相关基因的信息。基因传感器也称DNA传感器。

（3）声表面波传感器——物理型

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器是利用声表面波技术和微机电系统技术，将各种非电量信息，如压力、温度、流量、磁场强度、加速度、角速度等的变化转换为声表面波振器振荡频率的变化的装置。

微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件，主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器；此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1 mm2以下。

随着微电子加工技术，特别是纳米加工技术的进一步发展，传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器。这些微型传感器体积小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。

汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的统称。它涉及到很多的物理量传感器和化学量传感器。这些传感器要么是使司机了解汽车各部分状态的；要么是用于控制汽车各部分状态的。

汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特性较好，但线性差、适应温度较低。

其中，通用型的测温范围为-50℃～30℃，精度为1.5%，响应时间为10 ms；高温型为600℃～1000℃，精度为5%，响应时间为10ms；线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。其他已实用化的产品有铁氧体式温度传感器（测温范围为-40℃～120℃，精度为2.0%）、金属或半导体膜空气温度传感器（测温范围为-40℃～150℃，精度为2.0%，5%，响应时间约20 ms）等。

微型传感器应用于提高员工工作效率，传感器通常内置于徽章，或者放在办公家具上，它们会记录员工从办公桌起立、咨询其它团队和举行会议的频率。让数据带来了难以从其它途径获得的有关员工工作情况的见解。为了推动协作和提高员工工作效率，它们正利用相关信息作出大大小小的改变，从确定休息时间，到编排工作小组。传感器还能够揭示员工对办公空间的使用方式。