第一章 敏感材料與傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展 for teachers

1《敏感材料與傳感器》總學(xué)時(shí)：40任課教師：謝光忠2第一章：敏感材料與傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展(4學(xué)時(shí))第二章:金屬敏感材料(2學(xué)時(shí))第三章：陶瓷敏感材料(4學(xué)時(shí))第四章：半導(dǎo)體材料(4學(xué)時(shí))第五章：有機(jī)敏感材料(6學(xué)時(shí))第六章：新型紅外傳感器(2學(xué)時(shí))第七章：新型氣體傳感器及陣列(8學(xué)時(shí))第八章：電子聚合物基濕度傳感器(4學(xué)時(shí))第九章：專題講座(6學(xué)時(shí))主要內(nèi)容3

主要參考資料蔣亞?wèn)|，謝光忠編著.敏感材料與傳感器.電子科技大學(xué)出版社，2008年。劉迎春，葉湘濱等著.現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用.國(guó)防工業(yè)出版社，2000年5月。張福學(xué)著，現(xiàn)代壓電學(xué).科學(xué)出版社，2002年6月。作業(yè)4次,每2章(前8章范圍)一次作業(yè)。4聯(lián)系方式謝光忠Email:gzxie@

Tel:832070275考試方式考核方式：閉卷筆試成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)考核成績(jī)（30%）期末考試成績(jī)（70%）6第一章

敏感材料與傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

7主要內(nèi)容第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)（1學(xué)時(shí)）第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式（2學(xué)時(shí)）第3節(jié)敏感材料與傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展（1學(xué)時(shí)）經(jīng)典案例光電傳感器（相機(jī)）智能手機(jī)有10余種傳感器距離感應(yīng)器光線感應(yīng)器壓力傳感器陣列（觸摸屏）重力感應(yīng)器陀螺儀高度儀傳感器指紋傳感器（IPHONE手機(jī)特色）指紋采集圖像增強(qiáng)特征值入庫(kù)指紋注冊(cè)過(guò)程提取特征值指紋對(duì)比過(guò)程經(jīng)典案例指紋采集圖像增強(qiáng)對(duì)比匹配提取特征值普通汽車裝配有幾十到近百個(gè)傳感器，而高檔豪華汽車更有大概幾百個(gè)傳感器。經(jīng)典案例經(jīng)典案例汽車動(dòng)力總成可視倒車?yán)走_(dá)經(jīng)典案例2005年7月，由于發(fā)現(xiàn)助推火箭上的一個(gè)燃料傳感器存在故障，美國(guó)宇航局13日決定將“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)的發(fā)射時(shí)間推遲。科學(xué)家展示導(dǎo)致“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)延期發(fā)射的燃料傳感器經(jīng)典案例傳感器（Transducer、Sensor）是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成。敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換電路指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適合于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。物理信息化學(xué)信息生物信息電信號(hào)光信號(hào)敏感元件轉(zhuǎn)換電路傳感器1.1傳感器定義第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)15轉(zhuǎn)換電路物理信息化學(xué)信息生物信息電信號(hào)光信號(hào)敏感元件傳感器敏感材料傳感功能結(jié)構(gòu)變換處理1.2傳感器示意圖第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)16?

敏感材料金屬及其氧化物、無(wú)機(jī)陶瓷材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料等

?傳感功能結(jié)構(gòu)

電阻型（R）、電容型（C）、電感型（L）、頻率型（f）等1.2傳感器——

材料與功能第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)17變換處理電路——

將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行再次變換、放大、濾波、調(diào)制和解調(diào)等，使它們成為便于顯示、記錄或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的信號(hào)。1.2傳感器——

處理電路第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)181)

守恒定律：包括能量、動(dòng)量、電荷量等守恒律。2)

場(chǎng)的定律：包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律等，其作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關(guān)。3)

物質(zhì)定律：它是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律，如虎克定律、歐姆定律等，通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)加以描述。4)

統(tǒng)計(jì)法則：它是把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的物理法則。這些法則常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。1.2傳感器——

傳感定律第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)汽車油箱中油量計(jì)浮子杠桿變阻器酒精溫度計(jì)1.3傳感器實(shí)例第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)應(yīng)變式力傳感器

轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變片彈性膜片F(xiàn)1.3傳感器實(shí)例第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)21材料學(xué)物理化學(xué)生物學(xué)電子學(xué)電路與系統(tǒng)機(jī)械傳感器技術(shù)傳感檢測(cè)原理傳感器件設(shè)計(jì)傳感器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用1.4傳感器技術(shù)定義第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)221.4傳感器技術(shù)定義第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)傳感器技術(shù)是一個(gè)匯聚物理,化學(xué),材料,器件,機(jī)械,電子,生物工程等多類型交叉學(xué)科，涉及傳感檢測(cè)原理,傳感器件設(shè)計(jì),傳感器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù)。231.5敏感材料1.5.1什么叫敏感材料？1.5.2敏感材料的分類1.5.3敏感材料基本特性第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)241.5.1什么叫敏感材料?敏感材料是指對(duì)電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測(cè)量的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。

敏感材料的要求良好的敏感特性

良好的重復(fù)性和互換性

傳感器的基礎(chǔ)構(gòu)成第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)251.5.2敏感材料的分類導(dǎo)電材料介電材料壓電材料熱電材料光電材料磁性材料

透光和導(dǎo)光材料發(fā)光材料激光材料非線性光學(xué)材料光調(diào)制用材料紅外材料

隱身材料梯度功能材料機(jī)敏材料和智能材料納米材料仿生材料按材料功能分第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)261.5.2敏感材料的分類金屬功能材料半導(dǎo)體材料陶瓷功能材料高分子功能材料復(fù)合功能材料按材料成分分類第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)27金屬功能材料磁性材料彈性材料熱電偶熱敏電阻材料應(yīng)用電阻合金形狀記憶材料1.5.3敏感材料的特性第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)28半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料最主要的特點(diǎn)是對(duì)溫度、光、電、磁、各種氣體及壓力等外界因素具有敏感特性，是制造磁敏、熱敏、光敏、力敏、離子敏等傳感器件的主要材料。1.5.3敏感材料的特性第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)29陶瓷功能材料熱敏陶瓷壓敏陶瓷濕敏陶瓷氣敏陶瓷光敏陶瓷分類1.5.3敏感材料的特性第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)30高分子功能材料導(dǎo)電性高分子材料變換性高分子材料生物傳感器用高分子材料絕緣性高分子材料高分子光纖分類1.5.3敏感材料的特性第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)31復(fù)合功能材料材料復(fù)合技術(shù)發(fā)展較晚，從雙層到多層的復(fù)合，它可以克服單去材料的某些弱點(diǎn)，發(fā)揮單層材料的各自長(zhǎng)處。包括金屬系復(fù)合功能材料、陶瓷系復(fù)合材料、高分子系復(fù)合材料以及金屬與高分子、金屬與陶瓷、陶瓷與高分子材料間的復(fù)合。復(fù)合功能材料的發(fā)展對(duì)各種敏感器件的研究與開(kāi)發(fā)有著較大的影響。1.5.3敏感材料的特性第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)傳感器是信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)采集信息傳感器技術(shù)、RFID通信技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)傳輸信息處理信息1.6傳感器的地位、作用及應(yīng)用領(lǐng)域第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)33傳感器、計(jì)算機(jī)及執(zhí)行器的價(jià)格性能比傳感器發(fā)展的必要性1.6傳感器的地位、作用及應(yīng)用領(lǐng)域第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)34美國(guó)，29%西歐，21%中國(guó)，1%

尤里卡計(jì)劃

八五～十一五白宮計(jì)劃日本，19.5%

先進(jìn)技術(shù)計(jì)劃各國(guó)對(duì)傳感器的重視程度

1.6傳感器的地位、作用及應(yīng)用領(lǐng)域——對(duì)比第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)35工業(yè)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化軍事工程航空航天機(jī)器人技術(shù)資源探測(cè)海洋開(kāi)發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)安全保衛(wèi)醫(yī)療診斷家用電器1998年，325億美元；2008年，506億美元1.6傳感器的地位、作用及應(yīng)用領(lǐng)域——應(yīng)用第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)361.6傳感器的地位、作用及應(yīng)用領(lǐng)域——市場(chǎng)廠家和供應(yīng)商工業(yè)過(guò)程控制發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛飛機(jī)和船舶建筑消費(fèi)類電子產(chǎn)品其他產(chǎn)業(yè)世界主要應(yīng)用領(lǐng)域中傳感器市場(chǎng)的變化第1節(jié)敏感材料及傳感器領(lǐng)域相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式010203041.自源型熱電偶敏感元件輸出ABmV基本結(jié)構(gòu)第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式輸入2.激勵(lì)源型霍爾傳感器敏感元件輔助能源輸入輸出基本結(jié)構(gòu)第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式霍爾效應(yīng)原理圖電源環(huán)境量第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式轉(zhuǎn)換電路輸出敏感元件輸入3.外源型基本結(jié)構(gòu)箔式電阻應(yīng)變片惠斯通電橋電路第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式3.外源型電橋平衡條件：R1/R2=R3/R4第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式環(huán)境溫度、濕度對(duì)傳感器的性能有無(wú)影響?（1）相同傳感器的補(bǔ)償型輸入輸出電源環(huán)境量第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式4.三種補(bǔ)償型補(bǔ)償用敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換電路敏感元件一樣一個(gè)感受檢測(cè)量，一個(gè)不感受用在電橋相鄰臂筒式壓力傳感器敏感元件敏感元件（轉(zhuǎn)換電路）電源輸入環(huán)境量＋－第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式輸出（2）差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型4.三種補(bǔ)償型輪輻式剪切力傳感器特點(diǎn)：敏感元件原理一樣一個(gè)感受拉應(yīng)變，一個(gè)感受壓應(yīng)變用在電橋相鄰臂(最常見(jiàn)的補(bǔ)償型)第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式（3）不同傳感器的補(bǔ)償型4.三種補(bǔ)償型輸出電源補(bǔ)償用敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換電路環(huán)境量輸入美國(guó)Honeywell公司PPT系列智能壓力傳感器傳感器的分類力、熱、電、光、磁、聲等氣體濃度、離子濃度、濕度等大分子（如葡萄糖、抗體）檢測(cè)應(yīng)變效應(yīng)、虎克定律、霍爾效應(yīng)、光電效應(yīng)等化學(xué)變化、吸附理論、溶脹效應(yīng)等生物敏感膜特殊的選擇性等化學(xué)變化第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式物理傳感器化學(xué)傳感器生物傳感器47傳感器按其敏感的工作原理，可以分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類。物理型傳感器分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器，物性型傳感器基于某些功能材料本身具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)感受被測(cè)量。結(jié)構(gòu)型傳感器以敏感結(jié)構(gòu)具有的特定的物理規(guī)律來(lái)感受被測(cè)量?；瘜W(xué)傳感器利用電化學(xué)反應(yīng)原理來(lái)感受物質(zhì)的成分、濃度。常用的是離子敏傳感器，利用離子選擇性電極，測(cè)量溶液的pH值或某些離子的活度，如K、Na、Ca等。生物傳感器利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別和測(cè)定實(shí)現(xiàn)測(cè)量，主要由兩大部分組成：一為功能識(shí)別物質(zhì)，由其對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行特定識(shí)別；其二是電、光信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，由其把被測(cè)物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘?hào)或光信號(hào)。第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式傳感器的發(fā)展趨勢(shì)集成化智能化多功能化高精度數(shù)字化向第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式——舉例紅外傳感器監(jiān)控?cái)z像頭夜視作戰(zhàn)儀夜視作戰(zhàn)儀目標(biāo)識(shí)別紅外制導(dǎo)光電對(duì)抗甲烷氣體傳感器燃?xì)鈭?bào)警器酒精傳感器汽車尾氣檢測(cè)儀甲醛傳感器第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式——舉例氣體傳感器第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式——舉例生物傳感器葡萄糖傳感器傳染性疾病生物傳感器細(xì)菌傳感器智能襯衫第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式——舉例自動(dòng)化控制石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)第2節(jié)傳感器基本構(gòu)成型式——舉例