第一章 绪论 1
1.1 传感器及传感技术 1
1.2 传感器的作用 1
1.3 传感器的发展方向 2
1.4 传感器的分类 3
第二章 半导体传感器的物理基础 6
2.1 晶体结构 6
2.1.1 晶体内部结构的周期性 6
2.1.2 几种常用的晶体结构 6
2.1.3 晶列与晶面的取向 8
2.2 能带结构 9
2.2.1 半导体中电子状态和能带的形成 9
2.2.2 几种常用半导体材料的能带结构 10
2.3 杂质效应 14
2.3.1 载流子浓度 14
2.3.2 掺杂效应 16
2.4 载流子的迁移率与电导率 18
2.4.1 载流子的迁移率 18
2.4.2 电导率 21
2.5 P-n结 22
2.5.1 平衡态的P-n结 22
2.5.2 P-n结的电流-电压特性 23
第三章 传感器的特性 28
3.1 传感器的静态特性 28
3.1.1 传感器的输入输出特性 28
3.1.2 线性度 28
3.1.3 灵敏度 30
3.1.4 迟滞 31
3.1.5 重复性 31
3.1.6 稳定性 31
3.2 传感器的动态特性 32
3.2.1 传感器的数学模型 32
3.2.2 传递函数 33
3.2.3 频率响应 33
3.2.4 时间响应 34
3.2.5 实际传感器的动态特性 35
3.3 传感器的可靠性及噪声 38
3.3.1 传感器的可靠性 38
3.3.2 传感器的内噪声 38
3.3.3 传感器的外部噪声 39
第四章 光传感器 42
4.1 光电效应及光传感器的分类 42
4.1.1 光电效应 42
4.1.2 光传感器的分类 42
4.2 光电导效应型传感器 43
4.2.1 光电导器件工作原理及结构 43
4.2.2 光电导元件的特性 45
4.2.3 光电导式小型摄像管 50
4.3 光电效应型光传感器 51
4.3.1 硅光电二极管 51
4.3.2 Pin型硅光电二极管 54
4.3.3 雪崩式光电二极管 55
4.3.4 硅光电晶体三极管 57
4.3.5 半导体彩色传感器 58
4.3.6 光电闸流晶体管 59
4.4 光电子发射效应型传感器 60
4.4.1 光电子发射效应 60
4.4.2 光电管 61
4.4.3 光电倍增管 62
4.5 热释电效应型传感器 63
4.5.1 热释电效应 63
4.5.2 热释电探测器的结构和特点 64
4.6 电荷耦合成像器件（CCD） 65
4.6.1 CCD的MOS结构及工作原理 65
4.6.2 电极结构及工作原理 67
4.6.3 CCD摄像器件 69
4.7 光电耦合器件 71
4.7.1 光隔离器 71
4.7.2 光传感器 73
4.7.3 光电耦合器的特性和主要参数 74
第五章 温度传感器 78
5.1 热电效应及温度传感器的分类 78
5.1.1 半导体的热敏效应 78
5.1.2 温差电动势效应 78
5.1.3 温度传感器的分类 79
5.2 电阻式温度传感器 79
5.2.1 半导体陶瓷热敏电阻 79
5.2.2 金属电阻温度传感器 83
5.3 半导体温敏二极管 84
5.3.1 温敏二极管的工作原理 84
5.3.2 温敏二极管的基本特性 84
5.3.3 温敏二极管的测试 88
5.4 温敏晶体管 89
5.4.1 温敏晶体管原理 89
5.4.2 温敏晶体管的线性化 90
5.5 集成温度传感器 92
5.5.1 电流型集成温度传感器 92
5.5.2 电压型集成温度传感器 93
5.6 温敏闸流晶体管 94
5.6.1 温敏闸流晶体管的工作原理 94
5.6.2 温敏闸流晶体管的基本特性 97
5.7 电势式温度传感器 98
5.7.1 热电偶的测温原理 98
5.7.2 热电偶的主要特性参数 98
5.8 其它温度传感器 99
5.8.1 热辐射温度传感器 99
5.8.2 热敏电容 100
5.8.3 石英温度计 100
5.8.4 表面波温度传感器 101
5.8.5 超声波温度传感器 101
5.8.6 利用化学物质的色调变化的温度传感器 101
第六章 磁敏传感器 103
6.1 电流磁效应及磁敏传感器分类 103
6.1.1 霍尔效应 103
6.1.2 磁阻效应 103
6.1.3 形状效应 103
6.1.4 磁敏传感器的分类 105
6.2 霍尔元件 105
6.2.1 霍尔元件工作原理 105
6.2.2 霍尔元件的结构 106
6.3 霍尔元件的参数及其测试方法 107
6.3.1 普通参数及其测试方法 107
6.3.2 专用参数及其测试方法 109
6.4 霍尔元件的补偿技术 110
6.4.1 霍尔元件的温度补偿 110
6.4.2 霍尔元件不等位电势的补偿 111
6.5 磁阻元件 112
6.5.1 长方形磁阻元件 112
6.5.2 科尔宾元件 113
6.5.3 平面电极元件 114
6.5.4 InSb-NiSb共晶磁阻元件 114
6.5.5 曲折形磁阻元件 114
6.5.6 温度补偿 114
6.6 磁敏二极管 115
6.6.1 磁敏二极管的结构 115
6.6.2 磁敏二极管的工作原理 115
6.6.3 磁敏二极管的特性 116
6.6.4 磁敏二极管的补偿技术 118
6.7 磁敏三极管 119
6.7.1 磁敏三极管的结构 119
6.7.2 磁敏三极管的工作原理 119
6.7.3 磁敏三极管的特性 120
6.7.4 磁敏三极管的温度补偿技术 121
6.8 集成霍尔传感器 121
6.8.1 开关型集成霍尔传感器 122
6.8.2 线性霍尔传感器 122
第七章 力学量传感器 124
7.1 压阻效应和压电效应 124
7.1.1 压阻效应 124
7.1.2 压电效应 124
7.1.3 力学量传感器的分类 125
7.2 电阻应变计 125
7.2.1 电阻应变计的分类 125
7.2.2 金属电阻应变计的结构及工作原理 126
7.2.3 半导体应变片 128
7.3 加速度传感器 130
7.3.1 压阻式加速度传感器 130
7.3.2 微型加速度传感器 132
7.3.3 三维加速度传感器 133
7.3.4 压电晶体加速度传感器 134
7.4 荷重传感器 138
7.4.1 应变式荷重传感器 138
7.4.2 压电式力传感器 141
7.5 扭矩传感器 142
7.5.1 扭矩传感器的工作原理 142
7.5.2 扭矩传感器的典型结构 143
7.6 位移传感器 144
7.6.1 光栅传感器 144
7.6.2 磁敏式位移传感器 145
7.6.3 应变式位移传感器 145
第八章 流体量传感器 147
8.1 流体量传感器的分类 147
8.2 压阻式压力传感器 147
8.2.1 压力膜片的应力分析 147
8.2.2 膜上扩散电阻的位置分布 149
8.2.3 膜的形状及应力特性的比较 151
8.2.4 压力传感器工作原理及其结构 152
8.2.5 压力传感器的温漂及其补偿技术 154
8.3 集成压力传感器 159
8.3.1 带温度补偿的集成压力传感器 159
8.3.2 带放大器的单块集成压力传感器 160
8.3.3 混合集成压力传感器 161
8.4 差压传感器 162
8.4.1 EI膜和E形膜的应力分析 162
8.4.2 E形、EI形膜的非线性分析 163
8.4.3 E形膜EI膜扩散电阻的分布 164
8.4.4 差压传感器结构 164
8.5 电容式压力传感器 165
8.5.1 垂链式弹性膜及压力敏感电容 165
8.5.2 电容式集成压力传感器 166
8.5.3 频率输出型电容式集成压力传感器 166
8.6 流量传感器 167
8.6.1 差压流量传感器 167
8.6.2 边界层热线流量传感器 168
8.6.3 Si热线式流量传感器 168
8.7 压力传感器的示定 170
8.7.1 量程范围及压力灵敏度的测量方法 170
8.7.2 温度漂移系数及环境温度的测量方法 171
8.7.3 长时间漂移 172
8.7.4 传感器综合精度 172
第九章 气敏传感器 175
9.1 气敏传感器的分类 175
9.1.1 各种气敏传感器的分类 175
9.1.2 半导体气敏传感器的分类 175
9.2 表面电阻控制型气敏传感器 176
9.2.1 烧结型SnO2气敏传感器 176
9.2.2 表面电阻控制型气敏传感器工作原理 177
9.2.3 薄厚膜表面控制型气敏传感器 178
9.2.4 SnO2气敏传感器基本特性与参数 179
9.2.5 ZnO气敏传感器 181
9.3 体电阻控制型气敏传感器 182
9.3.1 体电阻控制型气敏传感器工作原理 182
9.3.2 体电阻控制型传感器特性 182
9.4 集成薄厚膜及复合型气敏传感器 186
9.4.1 多层薄膜气敏传感器 186
9.4.2 混合厚膜型气敏传感器 186
9.4.3 复合氧化物气敏传感器 187
9.5 固体电解质气敏传感器 188
9.5.1 ZrO2氧传感器 188
9.5.2 硫酸盐气敏传感器 189
9.6 二极管式气敏传感器 189
9.7 Pd-MOSFET氢敏传感器 190
9.7.1 结构 190
9.7.2 工作原理 190
9.7.3 特性 190
9.7.4 器件特性测试 191
9.8 气敏传感器的标定 192
9.8.1 基本参数 192
9.8.2 气敏传感器测试的基本电路 193
9.8.3 测试条件及装置 193
第十章 湿度传感器 196
10.1 湿度及湿度传感器的分类 196
10.1.1 湿度的定义 196
10.1.2 湿度传感器的分类 196
10.2 陶瓷湿度传感器 197
10.2.1 陶瓷湿度传感器的感湿机理 197
10.2.2 MgCr2O4系湿度传感器 198
10.2.3 ZnO-Cr2O3系湿度传感器 200
10.2.4 湿度传感器的温度补偿及线性化 201
10.3 膜状湿度传感器 203
10.3.1 结构 203
10.3.2 等效电路 203
10.3.3 特性及主要技术指标 203
10.4 氧化铝湿度传感器 204
10.4.1 涂膜状Al2O3湿度传感器 204
10.4.2 多孔Al2O3湿度传感器 205
10.4.3 硅MOS型Al2O3湿度传感器 206
10.5 元素半导体湿度传感器 207
10.5.1 Ge薄膜湿度传感器 207
10.5.2 Se薄膜湿度传感器 207
10.5.3 Si烧结型湿度传感器 207
10.6 化学感湿膜湿度传感器 208
10.6.1 IiCl电解质湿度传感器 208
10.6.2 炭膜湿度传感器 208
10.6.3 高分子电解质薄膜湿度传感器 209
10.7 湿度传感器的特性参数及标定 210
10.7.1 湿度传感器的特性参数 210
10.7.2 湿度传感器的标定 212
第十一章 离子传感器 214
11.1 离子传感器及其分类 214
11.2 离子选择电极（ISE） 214
11.2.1 离子选择电极的结构 214
11.2.2 工作原理 215
11.2.3 常用的离子选择电极 215
11.3 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET） 217
11.3.1 MOS结构的性质 217
11.3.2 MOSFET的工作原理 218
11.4. 离子选择场效应晶体管（ISFET） 221
11.4.1 ISFET的结构与性能 222
11.4.2 ISFET的特性参数 225
11.4.3 ISFET的性能参数 227
11.4.4 ISFET的等效电路 230
11.4.5 温度对ISFET的影响 231
11.4.6 固态参比电极 232
第十二章 生物传感器 233
12.1 生物传感器及其分类 233
12.1.1 生物传感器的研究对象 233
12.1.2 生物传感器的分类 233
12.1.3 生物传感器的结构及敏感物质固定方法 233
12.2 酶传感器 235
12.2.1 酶传感器信号变换方式 235
12.2.2 固定化酶传感器的结构 236
12.3 葡萄糖传感器 237
12.3.1 葡萄糖传感器工作原理 237
12.3.2 葡萄糖传感器结构 237
12.4 微生物传感器 238
12.4.1 微生物传感器的分类 238
12.4.2 微生物传感器结构 238
12.4.3 微生物固定方式及工作原理 239
12.4.4 微生物传感器的特点 239
12.5 免疫传感器 240
12.5.1 抗原与抗体 240
12.5.2 免疫传感器工作原理 240
12.5.3 梅毒抗体传感器 240
12.6 半导体生物传感器 241
12.6.1 酶FET 241
12.6.2 青霉素FET 241
12.6.3 尿素酶FET 242
12.6.4 免疫FET 244
第十三章 光纤传感器 246
13.1 光纤传感器及其分类 246
13.2 纤维光学基础理论 247
13.2.1 光学纤维 247
13.2.2 光线理论 249
13.2.3 模式理论 251
13.3 光纤传感器的光源和光电探测器 251
13.3.1 光源 252
13.3.2 光耦合 252
13.3.3 光电探测器 253
13.4 常用的光纤传感器 255
13.4.1 光纤压力传感器 256
13.4.2 光纤温度传感器 257
13.4.3 光纤电流传感器 260
13.4.4 光纤血流传感器 262
13.5 光纤传感器阵列 264
第十四章 传感器应用中的共性技术 266
14.1 传感器的合理应用 266
14.1.1 系统的条件 266
14.1.2 传感器的参数 266
14.1.3 信号处理电路与结构设计 266
14.2 传输信号的标准 266
14.2.1 标准信号 266
14.2.2 变送器电源与信号的传输线 269
14.3 直流电源稳定技术 270
14.3.1 概述 270
14.3.2 稳定电源调节原理 271
14.3.3 提高电源性能指标的措施 273
14.3.4 基准电压源 273
14.3.5 稳压电源电路 275
14.3.6 恒流源 278
14.4 电压放大器 281
14.4.1 基本反相放大器 281
14.4.2 基本同相放大器 282
14.4.3 基本差动放大器 282
14.4.4 仪用放大器 283
14.4.5 隔离放大器 284
14.5 信号变换器 286
14.5.1 电压-电流变换器 286
14.5.2 电流-电压变换器 287
14.5.3 电压-频率变换器 288
14.5.4 电压-脉宽变换器 290
第十五章 传感器的应用 294
15.1 压力传感器的应用 294
15.1.1 简易压力计电路 294
15.1.2 用一只四运放构成的压力变换电路 295
15.1.3 一种两线制压力传感器变换电路 296
15.2 温度传感器的应用 297
15.2.1 用集成温度传感器LM35制作的数字温度计 297
15.2.2 使用集成温度传感器组成的温度控制系统 298
15.3 光学传感器应用 299
15.3.1 玻璃瓶计数器 299
15.3.2 反射光强测量电路 299
15.4 磁敏传感器的应用 301
15.4.1 磁场测量 301
15.4.2 电流测量 301
15.4.3 无触点开关 301
15.4.4 位移传感器 301
15.4.5 转速传感器 301
15.4.6 位置传感器 302
15.4.7 速度传感器 302
15.4.8 性能优异的汽车霍尔点火器 302
15.5. 气敏传感器的应用 304
15.5.1 煤气和液化石油气报警器 304
15.5.2 废气浓度检测电路 304
15.6 湿度传感器的应用 305
15.6.1 湿度传感器的湿度检测电路 305
15.6.2 低湿度检测电路 307
15.7 离子敏器件的应用 309
15.7.1 场效应离子敏基本测量电路 309
15.7.2 Si3N4PH计电路 309
参考文献 311
附录1 方向余弦及纵向、横向压阻系数的计算方法 314
附录2 应力引起电阻值的相对变化量与压阻系数、应力的关系 315