光机电一体化丛书--微型传感器及其应用

前言
传感器在人们研究自然现象和规律以及生产实践活动中，起着非常重要的作用。特别是在当今，科学技术的发展使人类进入了一个信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息。传感器是获取自然或生产领域中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。一个国家的传感器水平，已经成为这个国家的技术先进程度的一个标志。
传感器的微型化，是传感器的主要发展方向，也是科学技术的发展以及社会的发展对传感器的要求。微机械电子系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技术的发展是微型传感器（简称微传感器）产生的最直接的推动力。微传感器也是目前最为成功最具有实用性的微机械电子系统装置。可以说，没有微机械电子系统技术，就没有微传感器。
微传感器具有一系列的优点：体积小、重量轻、功耗低、性能好、易于批量生产、成本低、便于集成化和多功能化、智能化水平高。微传感器在许多应用领域正在取代传统的传感器。由于使用了微传感器，所以产生了许多新的设备和装置。
全书共分11章，第1章介绍了传感器和微传感器的基本知识；第2章介绍了微机械电子系统的基础知识；第3章介绍了力和压力微传感器及其应用实例；第4章介绍了加速度和角速度微传感器；第5章介绍了热微传感器；第6章介绍了磁微传感器；第7章介绍了化学微传感器；第8章生物微传感器；第9章介绍了光电微传感器；第10章介绍了声表面波传感器；第11章集中介绍了微传感器的一些典型应用。
本书第1章、第2章、第4章、第6章、第8章、第9章和第11章由蒋蓁教授编写；第3章和第10章由罗均博士编写；第5章和第7章由谢少荣博士编写；全书由蒋蓁教授统稿。硕士生田志辉、吉梅峰、金淑君、许威等为本书做了大量的协助工作。
本书的编写得到了国家863计划、上海市教委基金和上海市科委重大专项项目的支持。同时，在本书的编写过程中，我们参阅和引用了许多国内外同行的学术论文和著作，编著者在此表示感谢。
由于编者水平有限，加上时间仓促，书中难免有错误和不妥之处，恳请读者批评、指正和讨论。

微传感器是在微机械电子系统技术基础上发展起来的一类新型传感器。微传感器具有体积小、重量轻、易于批生产、成本低等特点，在许多领域得到了越来越广泛的应用。许多常规传感器不能胜任的工作。通过使用微传感器可以很好地完成。微传感器已经成为21世纪传感器的重要发展方向。
本书主要从普及的角度系统地介绍了各类微型传感器的基本原理，包括力与压力微传感器、速度与加速度微传感器、热微传感器、磁微传感器、化学微传感器、生物微传感器、光电微传感器、以及声表面波传感器。此外还大量介绍了微传感器的典型的应用。本书的特点主要是内容系统全面、信息量大，涉及机电、光、热、磁、化学、生物等方面，有助于读者对微传感器有一个比较全面的了解。
本书可供从事机械电子、自动控制、仪器仪表、传感器及其应用等有关方面的工程技术人员使用，同时也可供科研院所、设计部门以及大专院校的有关师生参考。

目录
第1章引言1
11传感器1
12传感器的发展3
13微传感器4
第2章微机电系统基础7
21微机电系统定义7
211基础理论7
212技术基础8
213应用研究9
22微机电系统材料10
221硅10
222形状记忆合金15
223压电材料／电致伸缩材料16
224磁致伸缩材料17
225电流变体17
226凝胶18
23微机电系统的主要工艺18
231硅微加工19
232键合技术24
233LIGA技术25
234准分子激光技术26
235特种精密加工技术26
第3章力和压力微传感器28
31力微传感器28
311应变式力微传感器28
312压电式力微传感器28
32压力微传感器30
321压阻式压力微传感器31
322电容式压力微传感器33
323谐振式压力微传感器35
33摩托罗拉X型硅压力微传感器38
331结构形式38
332分类39
333封装形式40
34应用实例：微型高度计41
第4章加速度和角速度微传感器45
41加速度微传感器45
411加速度微传感器工作原理45
412压阻式加速度微传感器46
413电容式加速度微传感器50
414谐振式加速度微传感器55
415伺服式加速度微传感器57
416隧道型加速度微传感器58
417加速度微传感器的应用59
42角速度微传感器60
421微机械陀螺的原理、分类与性能60
422音叉式微机械陀螺64
423框架式微机械陀螺66
424振动轮式微机械陀螺68
43微惯性测量组合70
第5章热微传感器72
51微型热电偶72
511热电效应72
512接触电动势72
513温差电动势72
514薄膜热电偶73
52半导体结的热微传感器74
521二极管温度传感器74
522晶体管温度传感器76
523集成温度传感器76
53热敏电阻型微传感器79
531热敏电阻参数79
532PTC热敏电阻79
533NTC热敏电阻79
534CTR热敏电阻80
第6章磁微传感器81
61霍尔效应传感器81
611霍尔效应81
612霍尔效应传感器82
62磁阻传感器84
621磁阻效应84
622磁阻元件87
623磁敏电阻的温度补偿89
63结型磁敏管传感器90
631磁敏二极管90
632磁敏三极管94
633结型磁敏管传感器的应用98
第7章化学微传感器101
71气体微传感器101
711半导体气体传感器101
712石英振荡式气体传感器107
713凝胶电化学气体传感器108
714集成复合型气体传感器108
72湿度微传感器110
721半导体陶瓷湿度传感器111
722多孔氧化物湿度传感器112
723硅MOS型湿度传感器113
73离子敏微传感器114
731ISFET的工作原理114
732离子敏感膜117
第8章生物微传感器119
81场效应晶体管型酶传感器119
811酶的本质和特性119
812场效应晶体管型酶传感器121
82压电晶体免疫传感器122
821免疫反应与免疫识别123
822免疫传感器的检测模式125
823压电晶体免疫传感器126
824压电晶体免疫传感器的应用127
83基因传感器128
831基因与基因诊断128
832基因传感器的基本结构和类型129
833压电晶体DNA传感器129
84基 因 芯 片130
841基因芯片的构造与检测原理130
842基因芯片的制备131
85基因芯片的应用举例133
第9章光电微传感器136
91光电传感器的基本效应136
911光的基本性质136
912外光电效应136
913内光电效应137
914光热效应138
92光电探测器138
921光敏电阻138
922光敏二极管139
923光敏晶体管142
93CCD传感器144
931CCD的结构144
932CCD的工作原理144
933固态图像传感器146
934CCD摄像器件的主要特性147
935面阵CCD图像传感器不均匀性的校正148
936CCD器件的应用151
第10章声表面波传感器153
101声表面波传感器技术基础153
1011声表面波的类型153
1012声表面波的主要性质158
1013声表面波叉指换能器（IDT）160
1014声表面波传感器检测原理164
102声表面波压力传感器166
103声表面波温度传感器169
104声表面波气体传感器170
105声表面波陀螺171
第11章微传感器的应用173
111在汽车工业中的应用173
112在机器人中的应用175
1121微型机器人175
1122微型飞行器177
113在生物医学方面的应用177
114在光学方面的应用180
115在航空航天方面的应用180
参考文献183