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

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

主要參考資料蔣亞東，謝光忠編著.敏感材料與傳感器.電子科技大學出版社，2008年。劉迎春，葉湘濱等著.現代新型傳感器原理與應用.國防工業(yè)出版社，2000年5月。張福學著，現代壓電學.科學出版社，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：閉卷筆試成績評定：平時考核成績（30%）期末考試成績（70%）6第一章

敏感材料與傳感器技術研究現狀及發(fā)展

7主要內容第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語（1學時）第2節(jié)傳感器基本構成型式（2學時）第3節(jié)敏感材料與傳感器技術研究現狀及發(fā)展（1學時）經典案例光電傳感器（相機）智能手機有10余種傳感器距離感應器光線感應器壓力傳感器陣列（觸摸屏）重力感應器陀螺儀高度儀傳感器指紋傳感器（IPHONE手機特色）指紋采集圖像增強特征值入庫指紋注冊過程提取特征值指紋對比過程經典案例指紋采集圖像增強對比匹配提取特征值普通汽車裝配有幾十到近百個傳感器，而高檔豪華汽車更有大概幾百個傳感器。經典案例經典案例汽車動力總成可視倒車雷達經典案例2005年7月，由于發(fā)現助推火箭上的一個燃料傳感器存在故障，美國宇航局13日決定將“發(fā)現”號航天飛機的發(fā)射時間推遲?？茖W家展示導致“發(fā)現”號航天飛機延期發(fā)射的燃料傳感器經典案例傳感器（Transducer、Sensor）是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換電路組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分。轉換電路指傳感器中能將敏感元件輸出轉換為適合于傳輸和測量的電信號部分。物理信息化學信息生物信息電信號光信號敏感元件轉換電路傳感器1.1傳感器定義第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語15轉換電路物理信息化學信息生物信息電信號光信號敏感元件傳感器敏感材料傳感功能結構變換處理1.2傳感器示意圖第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語16?

敏感材料金屬及其氧化物、無機陶瓷材料、有機高分子材料、復合材料等

?傳感功能結構

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域相關基本術語17變換處理電路——

將傳感器輸出的微弱電信號進行再次變換、放大、濾波、調制和解調等，使它們成為便于顯示、記錄或進行數據處理的信號。1.2傳感器——

處理電路第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語181)

守恒定律：包括能量、動量、電荷量等守恒律。2)

場的定律：包括動力場的運動定律、電磁場的感應定律等，其作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關。3)

物質定律：它是表示各種物質本身內在性質的定律，如虎克定律、歐姆定律等，通常以這種物質所固有的物理常數加以描述。4)

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

傳感定律第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語汽車油箱中油量計浮子杠桿變阻器酒精溫度計1.3傳感器實例第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語應變式力傳感器

轉換電路應變片彈性膜片F1.3傳感器實例第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語21材料學物理化學生物學電子學電路與系統(tǒng)機械傳感器技術傳感檢測原理傳感器件設計傳感器開發(fā)和應用1.4傳感器技術定義第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語221.4傳感器技術定義第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語傳感器技術是一個匯聚物理,化學,材料,器件,機械,電子,生物工程等多類型交叉學科，涉及傳感檢測原理,傳感器件設計,傳感器開發(fā)和應用的綜合技術。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域相關基本術語241.5.1什么叫敏感材料?敏感材料是指對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測量的微小變化而表現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

良好的重復性和互換性

傳感器的基礎構成第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語251.5.2敏感材料的分類導電材料介電材料壓電材料熱電材料光電材料磁性材料

透光和導光材料發(fā)光材料激光材料非線性光學材料光調制用材料紅外材料

隱身材料梯度功能材料機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域相關基本術語261.5.2敏感材料的分類金屬功能材料半導體材料陶瓷功能材料高分子功能材料復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域相關基本術語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域相關基本術語28半導體材料半導體材料最主要的特點是對溫度、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域相關基本術語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域相關基本術語30高分子功能材料導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域相關基本術語31復合功能材料材料復合技術發(fā)展較晚，從雙層到多層的復合，它可以克服單去材料的某些弱點，發(fā)揮單層材料的各自長處。包括金屬系復合功能材料、陶瓷系復合材料、高分子系復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合。復合功能材料的發(fā)展對各種敏感器件的研究與開發(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域相關基本術語傳感器是信息技術的重要基礎，也是物聯(lián)網的關鍵基礎物聯(lián)網采集信息傳感器技術、RFID通信技術計算機技術傳輸信息處理信息1.6傳感器的地位、作用及應用領域第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語33傳感器、計算機及執(zhí)行器的價格性能比傳感器發(fā)展的必要性1.6傳感器的地位、作用及應用領域第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語34美國，29%西歐，21%中國，1%

尤里卡計劃

八五～十一五白宮計劃日本，19.5%

先進技術計劃各國對傳感器的重視程度

1.6傳感器的地位、作用及應用領域——對比第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語35工業(yè)自動化農業(yè)現代化軍事工程航空航天機器人技術資源探測海洋開發(fā)環(huán)境監(jiān)測安全保衛(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、作用及應用領域——應用第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語361.6傳感器的地位、作用及應用領域——市場廠家和供應商工業(yè)過程控制發(fā)動機和車輛飛機和船舶建筑消費類電子產品其他產業(yè)世界主要應用領域中傳感器市場的變化第1節(jié)敏感材料及傳感器領域相關基本術語第2節(jié)傳感器基本構成型式010203041.自源型熱電偶敏感元件輸出ABmV基本結構第2節(jié)傳感器基本構成型式輸入2.激勵源型霍爾傳感器敏感元件輔助能源輸入輸出基本結構第2節(jié)傳感器基本構成型式霍爾效應原理圖電源環(huán)境量第2節(jié)傳感器基本構成型式轉換電路輸出敏感元件輸入3.外源型基本結構箔式電阻應變片惠斯通電橋電路第2節(jié)傳感器基本構成型式3.外源型電橋平衡條件：R1/R2=R3/R4第2節(jié)傳感器基本構成型式環(huán)境溫度、濕度對傳感器的性能有無影響?（1）相同傳感器的補償型輸入輸出電源環(huán)境量第2節(jié)傳感器基本構成型式4.三種補償型補償用敏感元件敏感元件轉換電路敏感元件一樣一個感受檢測量，一個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（轉換電路）電源輸入環(huán)境量＋－第2節(jié)傳感器基本構成型式輸出（2）差動結構補償型4.三種補償型輪輻式剪切力傳感器特點：敏感元件原理一樣一個感受拉應變，一個感受壓應變用在電橋相鄰臂(最常見的補償型)第2節(jié)傳感器基本構成型式（3）不同傳感器的補償型4.三種補償型輸出電源補償用敏感元件敏感元件轉換電路環(huán)境量輸入美國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）檢測應變效應、虎克定律、霍爾效應、光電效應等化學變化、吸附理論、溶脹效應等生物敏感膜特殊的選擇性等化學變化第2節(jié)傳感器基本構成型式物理傳感器化學傳感器生物傳感器47傳感器按其敏感的工作原理，可以分為物理型、化學型和生物型三大類。物理型傳感器分為物性型傳感器和結構型傳感器，物性型傳感器基于某些功能材料本身具有的內在特性及效應感受被測量。結構型傳感器以敏感結構具有的特定的物理規(guī)律來感受被測量。化學傳感器利用電化學反應原理來感受物質的成分、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選擇性的識別和測定實現測量，主要由兩大部分組成：一為功能識別物質，由其對被測物質進行特定識別；其二是電、光信號轉換裝置，由其把被測物所產生的化學反應轉換成便于傳輸的電信號或光信號。第2節(jié)傳感器基本構成型式第2節(jié)傳感器基本構成型式傳感器的發(fā)展趨勢集成化智能化多功能化高精度數字化向第2節(jié)傳感器基本構成型式——舉例紅外傳感器監(jiān)控攝像頭夜視作戰(zhàn)儀夜視作戰(zhàn)儀目標識別紅外制導光電對抗甲烷氣體傳感器燃氣報警器酒精傳感器汽車尾氣檢測儀甲醛傳感器第2節(jié)傳感器基本構成型式——舉例氣體傳感器第2節(jié)傳感器基本構成型式——舉例生物傳感器葡萄糖傳感器傳染性疾病生物傳感器細菌傳感器智能襯衫第2節(jié)傳感器基本構成型式——舉例自動化控制石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測第2節(jié)傳感器基本構成型式——舉例