第四节 薄膜传感器的应用
一、概述
液晶显示器（ LCD）特点：
优点,功耗低、平面、体轻、无辐射 。
缺点,低温特性差（反应时间长） 。
反应时间与液晶盒 两端电压 以及材料的 粘
度 有关，而二者又与温度有关。
在 0度以下，反应时间会大大降低，使显示
迟缓。
最佳解决方法：控制液晶盒的温度恒定。
? 反应时间与温度的关系：
二、温度的测量
? 控制液晶盒的温度恒定 -热加固
? 测温方法：
选用 Pt薄膜热电阻为传感器，其特点：
1）体积小
2）动态响应好，精度高，稳定性好。
测量电路采用 电流放大型电桥电路 。
若 R1=R2=R3=R；电阻相对变化率 δ=△ R/R0
则,Uo=RfUδ/2R（ δ＜＜ 1,R＜＜ Rf）
（ 8-34）
Pt100的参数见下表
在 (-20~20℃ )以外,δ 较大,则,
非线性测量误差,
Rf U δ2△ Uo=--------------- (8-35)
2R(δ+2)
e1=△ Uo/Uo× 100%=δ/(δ+2) × 100%
例,R=100; Rf=1k; U=1.5V;则,
在 (-40~40℃ )内,非线性误差小于 0.07V.
实际系统中,根据式 8-34计算结果列表,存在
计算机内存中,根据测量的结果 Uo查表得
到温度值,
三、数据融合
? 测量结果具有等精度的正态分布特性。
? 一般的提高测量结果准确性的方法：
1）中值滤波
2）平均值滤波
3）递推滤波
这里介绍基于多 传感器测量 的 算术平均值
与 递推估计 的 数据融合 方法。
? 设 6支传感器（ S1~S6），测量温度对应
的电压值为 U1~U6。
? 分为两组,1组,U1,U2,U3
平均值 ū1=（ U1+U2+U3） /3 （ 8-37）
2组,U4,U5,U6
平均值 ū2=（ U4+U5+U6） /3 （ 8-38）
则各组的均方根误差分别为 ζ1和 ζ2，见书
中式 8-39,8-40。
测量结果的数据融合值 Uo为：
ζ22 ζ12Uo= ------------ ū1 +----------- ū2 （ 8-41）
ζ12+ζ22 ζ12+ζ22
基于上述 数据融合 的测量结果，可达到较
精确的测量结果。
结合控制理论（如 PID、模糊控制 ），可
以对液晶屏的温度进行很好的控制。
控制结果曲线：
? 作业,1.薄膜传感器的特点及制造工艺
? 2.薄膜热传感器种类
? 3.影响薄膜应变片稳定性的两个
主要因素,
? 4.影响薄膜气敏传感器特性的两
个主要因素,
第十章 新型传感器在几何量测量中的
应用
? 尺寸、面型、位置等。
? 本章介绍 3个例子。
第三节 光学表面疵病度的测量
对于光滑表面,疵病 是影响质量的重要因
素（如,硅片、光盘、光学元件 ）。
国家标准,10级。
检测方法分三类：
1）肉眼检测,最常用，但有缺陷。
2）散射法,利用疵病自身光散射特性，但
不能很好反映疵病的面积尺寸。
3）频普法,利用疵病反向衍射的能量测量，
同样受到疵病深层结构的影响 。
这里介绍,斜入射,检测方法，可以很好
地测量疵病的面积。
一、测量原理
? 斜入射的光学特性见图 10-15
? 对于圆柱形疵病麻点，其光照明形态如
下图 10-16所示（ 2θ＜ arctan（ r/h） ）。
测量光学系统如图 10-17所示
二、疵病等级的衡量
? 两方面,面积及分布
? 例,图 10-18所示疵病图像
? 设光斑图像的每个像点坐标为（ xi,yi），
灰度值为 P（ xi,yi）；像素个数为 n；
每个像素面积为 dS；则光斑图像面积：
S=ndS （ 10-31）
若显微镜放大倍数为 β,则疵病实际面积：
S0=ndS/β （ 10-32）
疵病的平均直径：
D=（ xmax+ymax） /2β （ 10-33）
光斑的质心坐标计算方法：
(10-34)
? (10-35)
?
?
?
??
n
1i
n
1i
y i )P ( x i,
y i )x i P ( x i,
x
?
?
?
??
n
1i
n
1i
y i )P ( x i,
y i )y i P ( x i,
y
三、光电系统结构
? 疵病实际尺寸 1μ m,显微镜横向分辨率,
ε =0.5λ/NA (10-36)
若 He-Ne激光源,λ=0.6238 μ m; 则,
NA=0.312
实际选择 NA=0.4; β =25X的显微镜,则,
1μ m的疵病成像 25 μ m.
选取 TCD132D型 CCD,1024像素 ;像元物理
尺寸,14 μmX14 μm;则
CCD感光长度,L=1024X14 μ m=14.33mm.
工件被测长度,14.33/25=0.57mm.
? 数据采集后,进行二值化处理,确定结果
信号采集系统见图 10-19.
? 作业,
? 书中疵病测量系统中,若想能分辨疵病尺
寸 0.5 μ m,光源 λ=0.6238 μ m,则 NA=?若
选用 CCD型号为 TCD132D,则显微镜放大
率 应为多少?工件的测量区为多少?
一、概述
液晶显示器（ LCD）特点：
优点,功耗低、平面、体轻、无辐射 。
缺点,低温特性差（反应时间长） 。
反应时间与液晶盒 两端电压 以及材料的 粘
度 有关，而二者又与温度有关。
在 0度以下，反应时间会大大降低，使显示
迟缓。
最佳解决方法：控制液晶盒的温度恒定。
? 反应时间与温度的关系：
二、温度的测量
? 控制液晶盒的温度恒定 -热加固
? 测温方法：
选用 Pt薄膜热电阻为传感器，其特点：
1）体积小
2）动态响应好，精度高，稳定性好。
测量电路采用 电流放大型电桥电路 。
若 R1=R2=R3=R；电阻相对变化率 δ=△ R/R0
则,Uo=RfUδ/2R（ δ＜＜ 1,R＜＜ Rf）
（ 8-34）
Pt100的参数见下表
在 (-20~20℃ )以外,δ 较大,则,
非线性测量误差,
Rf U δ2△ Uo=--------------- (8-35)
2R(δ+2)
e1=△ Uo/Uo× 100%=δ/(δ+2) × 100%
例,R=100; Rf=1k; U=1.5V;则,
在 (-40~40℃ )内,非线性误差小于 0.07V.
实际系统中,根据式 8-34计算结果列表,存在
计算机内存中,根据测量的结果 Uo查表得
到温度值,
三、数据融合
? 测量结果具有等精度的正态分布特性。
? 一般的提高测量结果准确性的方法：
1）中值滤波
2）平均值滤波
3）递推滤波
这里介绍基于多 传感器测量 的 算术平均值
与 递推估计 的 数据融合 方法。
? 设 6支传感器（ S1~S6），测量温度对应
的电压值为 U1~U6。
? 分为两组,1组,U1,U2,U3
平均值 ū1=（ U1+U2+U3） /3 （ 8-37）
2组,U4,U5,U6
平均值 ū2=（ U4+U5+U6） /3 （ 8-38）
则各组的均方根误差分别为 ζ1和 ζ2，见书
中式 8-39,8-40。
测量结果的数据融合值 Uo为：
ζ22 ζ12Uo= ------------ ū1 +----------- ū2 （ 8-41）
ζ12+ζ22 ζ12+ζ22
基于上述 数据融合 的测量结果，可达到较
精确的测量结果。
结合控制理论（如 PID、模糊控制 ），可
以对液晶屏的温度进行很好的控制。
控制结果曲线：
? 作业,1.薄膜传感器的特点及制造工艺
? 2.薄膜热传感器种类
? 3.影响薄膜应变片稳定性的两个
主要因素,
? 4.影响薄膜气敏传感器特性的两
个主要因素,
第十章 新型传感器在几何量测量中的
应用
? 尺寸、面型、位置等。
? 本章介绍 3个例子。
第三节 光学表面疵病度的测量
对于光滑表面,疵病 是影响质量的重要因
素（如,硅片、光盘、光学元件 ）。
国家标准,10级。
检测方法分三类：
1）肉眼检测,最常用，但有缺陷。
2）散射法,利用疵病自身光散射特性，但
不能很好反映疵病的面积尺寸。
3）频普法,利用疵病反向衍射的能量测量，
同样受到疵病深层结构的影响 。
这里介绍,斜入射,检测方法，可以很好
地测量疵病的面积。
一、测量原理
? 斜入射的光学特性见图 10-15
? 对于圆柱形疵病麻点，其光照明形态如
下图 10-16所示（ 2θ＜ arctan（ r/h） ）。
测量光学系统如图 10-17所示
二、疵病等级的衡量
? 两方面,面积及分布
? 例,图 10-18所示疵病图像
? 设光斑图像的每个像点坐标为（ xi,yi），
灰度值为 P（ xi,yi）；像素个数为 n；
每个像素面积为 dS；则光斑图像面积：
S=ndS （ 10-31）
若显微镜放大倍数为 β,则疵病实际面积：
S0=ndS/β （ 10-32）
疵病的平均直径：
D=（ xmax+ymax） /2β （ 10-33）
光斑的质心坐标计算方法：
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1i
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三、光电系统结构
? 疵病实际尺寸 1μ m,显微镜横向分辨率,
ε =0.5λ/NA (10-36)
若 He-Ne激光源,λ=0.6238 μ m; 则,
NA=0.312
实际选择 NA=0.4; β =25X的显微镜,则,
1μ m的疵病成像 25 μ m.
选取 TCD132D型 CCD,1024像素 ;像元物理
尺寸,14 μmX14 μm;则
CCD感光长度,L=1024X14 μ m=14.33mm.
工件被测长度,14.33/25=0.57mm.
? 数据采集后,进行二值化处理,确定结果
信号采集系统见图 10-19.
? 作业,
? 书中疵病测量系统中,若想能分辨疵病尺
寸 0.5 μ m,光源 λ=0.6238 μ m,则 NA=?若
选用 CCD型号为 TCD132D,则显微镜放大
率 应为多少?工件的测量区为多少?
