indir
1 data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 sensors, signals, and systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 sensor classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 units of measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 sensor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 transfer function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 span (full-scale ınput) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 full-scale output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 accuracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 calibration error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7 hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.8 nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.9 saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.10 repeatability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.11 dead band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.12 resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.13 special properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.14 output ımpedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.15 excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.16 dynamic characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.17 environmental factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.18 reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.19 application characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.20 uncertainty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
x contents
3 physical principles of sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 electric charges, fields, and potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 dielectric constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 faraday’s law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.2 solenoid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.3 toroid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.4 permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 ınduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.1 specific resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.2 temperature sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5.3 strain sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5.4 moisture sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6 piezoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6.1 piezoelectric films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.7 pyroelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8 hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.9 seebeck and peltier effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.10 soundwaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.11 temperature and thermal properties of materials . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.11.1 temperature scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.11.2 thermal expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.11.3 heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.12 heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.12.1 thermal conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.12.2 thermal convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.12.3 thermal radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.12.3.1 emissivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.12.3.2 cavity effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.13 light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.14 dynamic models of sensor elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.14.1 mechanical elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.14.2 thermal elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.14.3 electrical elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.14.4 analogies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4 optical components of sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.1 radiometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2 photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3 windows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.4 mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
contents xı
4.5 lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.6 fresnel lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.7 fiber optics andwaveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.8 concentrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.9 coatings for thermal absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.10 electro-optic and acousto-optic modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.11 ınterferometric fiber-optic modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5 ınterface electronic circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.1 ınput characteristics of ınterface circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.2 amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.2.1 operational amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.2.2 voltage follower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2.3 ınstrumentation amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.2.4 charge amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.3 excitation circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.3.1 current generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.3.2 voltage references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.3.3 oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.3.4 drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.4 analog-to-digital converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.4.1 basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.4.2 v/f converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.4.3 dual-slope converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.4.4 successive-approximation converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.4.5 resolution extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.5 direct digitization and processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.6 ratiometric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.7 bridge circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5.7.1 disbalanced bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.7.2 null-balanced bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.7.3 temperature compensation of resistive bridge . . . . . . . . . . . 195
5.7.4 bridge amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.8 data transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.8.1 two-wire transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.8.2 four-wire sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.8.3 six-wire sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.9 noise in sensors and circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.9.1 ınherent noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.9.2 transmitted noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.9.3 electric shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.9.4 bypass capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.9.5 magnetic shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.9.6 mechanical noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
xıı contents
5.9.7 ground planes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
5.9.8 ground loops and ground ısolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.9.9 seebeck noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.10 batteries for low power sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.10.1 primary cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.10.2 secondary cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6 occupancy and motion detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.1 ultrasonic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.2 microwave motion detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.3 capacitive occupancy detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.4 triboelectric detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.5 optoelectronic motion detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.5.1 sensor structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
6.5.1.1 multiple sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.5.1.2 complex sensor shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.5.1.3 ımage distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.5.1.4 facet focusing element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.5.2 visible and near-ınfrared light motion detectors . . . . . . . . . 243
6.5.3 far-ınfrared motion detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.5.3.1 pır motion detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.5.3.2 pır sensor efficiency analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 247
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7 position, displacement, and level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.1 potentiometric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
7.2 gravitational sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.3 capacitive sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
7.4 ınductive and magnetic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.4.1 lvdt and rvdt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.4.2 eddy current sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
7.4.3 transverse ınductive sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7.4.4 hall effect sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.4.5 magnetoresistive sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.4.6 magnetostrictive detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
7.5 optical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.5.1 optical bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.5.2 proximity detector with polarized light . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.5.3 fiber-optic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.5.4 fabry–perot sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.5.5 grating sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.5.6 linear optical sensors (psd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7.6 ultrasonic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.7 radar sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
contents xııı
7.7.1 micropower ımpulse radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
7.7.2 ground-penetrating radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.8 thickness and level sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.8.1 ablation sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.8.2 thin-film sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
7.8.3 liquid-level sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
8 velocity and acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
8.1 accelerometer characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.2 capacitive accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.3 piezoresistive accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.4 piezoelectric accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.5 thermal accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.5.1 heated-plate accelerometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.5.2 heated-gas accelerometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.6 gyroscopes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.6.1 rotor gyroscope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.6.2 monolithic silicon gyroscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.6.3 optical gyroscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
8.7 piezoelectric cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9 force, strain, and tactile sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
9.1 strain gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
9.2 tactile sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
9.3 piezoelectric force sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
10 pressure sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.1 concepts of pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.2 units of pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.3 mercury pressure sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
10.4 bellows, membranes, and thin plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
10.5 piezoresistive sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
10.6 capacitive sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
10.7 vrp sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
10.8 optoelectronic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
10.9 vacuum sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
10.9.1 pirani gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
10.9.2 ıonization gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
10.9.3 gas drag gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
xıv contents
11 flow sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
11.1 basics of flow dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
11.2 pressure gradient technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
11.3 thermal transport sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
11.4 ultrasonic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
11.5 electromagnetic sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
11.6 microflow sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
11.7 breeze sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
11.8 coriolis mass flow sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
11.9 drag force flow sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
12 acoustic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
12.1 resistive microphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
12.2 condenser microphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
12.3 fiber-optic microphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
12.4 piezoelectric microphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
12.5 electret microphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
12.6 solid-state acoustic detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
13 humidity and moisture sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
13.1 concept of humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
13.2 capacitive sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.3 electrical conductivity sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
13.4 thermal conductivity sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
13.5 optical hygrometer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
13.6 oscillating hygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
14 light detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
14.1 ıntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
14.2 photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
14.3 phototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
14.4 photoresistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
14.5 cooled detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
14.6 thermal detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
14.6.1 golay cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
14.6.2 thermopile sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
14.6.3 pyroelectric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
14.6.4 bolometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
14.6.5 active far-ınfrared sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
14.7 gas flame detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
contents xv
15 radiation detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
15.1 scintillating detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
15.2 ıonization detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
15.2.1 ıonization chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
15.2.2 proportional chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
15.2.3 geiger–müller counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
15.2.4 semiconductor detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
16 temperature sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
16.1 thermoresistive sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
16.1.1 resistance temperature detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
16.1.2 silicon resistive sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
16.1.3 thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
16.1.3.1 ntc thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
16.1.3.2 self-heating effect in ntc thermistors . . . . . . . . . 474
16.1.3.3 ptc thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
16.2 thermoelectric contact sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
16.2.1 thermoelectric law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
16.2.2 thermocouple circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
16.2.3 thermocouple assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
16.3 semiconductor p-n junction sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
16.4 optical temperature sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
16.4.1 fluoroptic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
16.4.2 ınterferometric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
16.4.3 thermochromic solution sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
16.5 acoustic temperature sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
16.6 piezoelectric temperature sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
17 chemical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
17.1 chemical sensor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
17.2 specific difficulties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
17.3 classification of chemical-sensing mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . 501
17.4 direct sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
17.4.1 metal-oxide chemical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
17.4.2 chemfet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
17.4.3 electrochemical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
17.4.4 potentiometric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
17.4.5 conductometric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
17.4.6 amperometric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
17.4.7 enhanced catalytic gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
17.4.8 elastomer chemiresistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
17.5 complex sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
17.5.1 thermal sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
xvı contents
17.5.2 pellister catalytic sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
17.5.3 optical chemical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
17.5.4 mass detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
17.5.5 biochemical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
17.5.6 enzyme sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
17.6 chemical sensors versus ınstruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
17.6.1 chemometrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
17.6.2 multisensor arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
17.6.3 electronic noses (olfactory sensors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
17.6.4 neural network signal (signature) processing for
electronic noses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
17.6.5 “smart” chemical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
18 sensor materials and technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
18.1 materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
18.1.1 silicon as a sensing material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
18.1.2 plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
18.1.3 metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
18.1.4 ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
18.1.5 glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
18.2 surface processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
18.2.1 deposition of thin and thick films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
18.2.2 spin-casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
18.2.3 vacuum deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
18.2.4 sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
18.2.5 chemical vapor deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
18.3 nano-technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
18.3.1 photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
18.3.2 silicon micromachining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
18.3.2.1 basic techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
18.3.2.2 wafer bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
table a.1 chemical symbols for the elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
table a.2 sı multiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
table a.3 derivative sı units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
table a.4 sı conversion multiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
table a.5 dielectric constants of some materials
at room temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
table a.6 properties of magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
table a.7 resistivities and temperature coefficients
of resistivity of some materials at room temperature . . . . 565
table a.8 properties of piezoelectric materials at 20◦c . . . . . . . . . . . . . 565
contents xvıı
table a.9 physical properties of pyroelectric materials . . . . . . . . . . . . . 566
table a.10 characteristics of thermocouple types . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
table a.11 thermoelectric coefficients and volume resistivities
of selected elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
table a.11a thermocouples for very low and very
high temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
table a.12 densities of some materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
table a.13 mechanical properties of some solid materials . . . . . . . . . . . 568
table a.14 mechanical properties of some crystalline materials . . . . . . 569
table a.15 speed of soundwaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
table a.16 coefficient of linear thermal expansion
of some materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
table a.17 specific heat and thermal conductivity
of some materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
table a.18 typical emissivities of different materials . . . . . . . . . . . . . . . 571
table a.19 refractive ındices of some materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
table a.20 characteristics of c–zn and alkaline cells. . . . . . . . . . . . . . . 573
table a.21 lithium–manganese dioxide primary cells . . . . . . . . . . . . . . 573
table a.22 typical characteristics of “aa”-size secondary cells . . . . . 573
table a.23 miniature secondary cells and batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
table a.24 electronic ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
table a.25 properties of glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
ındex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
