1,敏感材料与传感器 ,总 学 时：40 任课教师：谢光忠,2,第一章：敏感材料与传感器技术研究现状及发展(4学时) 第二章: 金属敏感材料 (2学时) 第三章：陶瓷敏感材料(4学时) 第四章：半导体材料(4学时) 第五章：有机敏感材料(6学时) 第六章：新型红外传感器(2学时) 第七章：新型气体传感器及阵列 (8学时) 第八章：电子聚合物基湿度传感器(4学时) 第九章：专题讲座 (6学时),主要内容,3,主要参考资料,蒋亚东，谢光忠编著.敏感材料与传感器.电子科技大学出版社，2008年。 刘迎春，叶湘滨等著.现代新型传感器原理与应用.国防工业出版社，2000年5月。 张福学著，现代压电学.科学出版社，2002年6月。,作业4次,每2章(前8章范围)一次作业。,4,联系方式,谢光忠 Email: gzxie Tel: 83207027,5,考试方式,考核方式：闭卷笔试 成绩评定： 平时考核成绩（30%） 期末考试成绩（70%）,6,第一章 敏感材料与传感器技术研究现状及发展,7,主要内容,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语（1学时） 第2节 传感器基本构成型式（2学时） 第3节 敏感材料与传感器技术研究现状及发展（1学时）,经典案例,光电传感器 （相机）,智能手机有10余种传感器,距离感应器,光线感应器,压力传感器阵列 （触摸屏）,重力感应器 陀螺仪,高度仪传感器,指纹传感器 （IPHONE手机特色）,指纹采集,图像增强,特征值入库,指纹注册过程,提取特征值,指纹对比过程,经典案例,指纹采集,图像增强,对比匹配,提取特征值,普通汽车装配有几十到近百个传感器， 而高档豪华汽车更有大概几百个传感器。,经典案例,经典案例,汽车动力总成,可视倒车雷达,经典案例,2005年7月，由于发现助推火箭上的一个燃料传感器存在故障，美国宇航局13日决定将“发现”号航天飞机的发射时间推迟。,科学家展示导致“发现”号航天飞机延期发射的燃料传感器,经典案例,传感器（Transducer、Sensor）是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换电路组成。,敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分。,转换电路指传感器中能将敏感元件输出转换为适合于传输和测量的电信号部分。,物理信息 化学信息 生物信息,电信号 光信号,敏感元件 转换电路,传感器,1.1传感器定义,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,15,转换电路,物理信息,化学信息,生物信息,敏感元件,传感器,敏感材料 传感功能结构 变换处理,1.2 传感器示意图,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,16, 敏感材料 金属及其氧化物、 无机陶瓷材料、 有机高分子材料、 复合材料等 传感功能结构 电阻型（R）、电容型（C）、 电感型（L ）、频率型（f）等,1.2 传感器 材料与功能,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,17,变换处理电路 将传感器输出的微弱电信号进行再次变 换、放大、滤波、调制和解调等，使它们成 为便于显示、记录或进行数据处理的信号。,1.2 传感器 处理电路,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,18,1) 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒律。 2) 场的定律：包括动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置 及分布状态有关。 3) 物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律，如虎克定律、欧姆定律等，通常以这种物质所固有的物理常数加以描述。 4) 统计法则：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则常与传感器的工作状态有关。,1.2 传感器 传感定律,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,汽车油箱中油量计,浮子,杠杆,变阻器,酒精温度计,1.3 传感器实例,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,应变式力传感器,转换电路,应变片,弹性膜片,F,1.3 传感器实例,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,21,传感器技术,传感检测原理,传感器件设计,传感器开发和应用,1.4 传感器技术定义,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,22,1.4 传感器技术定义,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,传感器技术是一个汇聚物理,化学,材料,器件,机械,电子,生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理,传感器件设计,传感器开发和应用的综合技术。,23,1.5 敏感材料,1.5.1 什么叫敏感材料？ 1.5.2 敏感材料的分类 1.5.3 敏感材料基本特性,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,24,1.5.1 什么叫敏感材料?,敏感材料是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。,敏感材料的要求,良好的敏感特性,良好的重复性 和互换性,传感器的基础,构成,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,25,1.5.2 敏感材料的分类,导电材料 介电材料 压电材料 热电材料 光电材料 磁性材料 透光和导光材料 发光材料 激光材料 非线性光学材料 光调制用材料 红外材料 隐身材料 梯度功能材料 机敏材料和智能材料 纳米材料 仿生材料,按材料功能分,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,26,1.5.2 敏感材料的分类,金属功能材料 半导体材料 陶瓷功能材料 高分子功能材料 复合功能材料,按材料成分分类,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,27,金属功能材料,磁性材料 弹性材料 热电偶 热敏电阻材料 应用电阻合金 形状记忆材料,1.5.3 敏感材料的特性,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,28,半导体材料,半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、磁、各种气体及压力等外界因素具有敏感特性，是制造磁敏、热敏、光敏、力敏、离子敏等传感器件的主要材料。,1.5.3 敏感材料的特性,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,29,陶瓷功能材料,热敏陶瓷 压敏陶瓷 湿敏陶瓷 气敏陶瓷 光敏陶瓷,分类,1.5.3 敏感材料的特性,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,30,高分子功能材料,导电性高分子材料 变换性高分子材料 生物传感器用高分子材料 绝缘性高分子材料 高分子光纤,分类,1.5.3 敏感材料的特性,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,31,复合功能材料,材料复合技术发展较晚，从双层到多层的复合，它可以克服单去材料的某些弱点，发挥单层材料的各自长处。 包括金属系复合功能材料、陶瓷系复合材料、高分子系复合材料以及金属与高分子、金属与陶瓷、陶瓷与高分子材料间的复合。 复合功能材料的发展对各种敏感器件的研究与开发有着较大的影响。,1.5.3 敏感材料的特性,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,传感器是信息技术的重要基础，也是物联网的关键基础,物联网,传输信息,处理信息,1.6 传感器的地位、作用及应用领域,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,33,传感器、计算机及执行器的价格性能比,传感器发展的必要性,1.6 传感器的地位、作用及应用领域,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,34,美国，29%,西欧，21%,中国，1%,尤里卡计划,八五 十一五,白宫计划,日本，19.5%,先进技术计划,各国对传感器的重视程度,1.6 传感器的地位、作用及应用领域对比,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,35,工业自动化 农业现代化 军事工程 航空航天 机器人技术,资源探测 海洋开发 环境监测 安全保卫 医疗诊断 家用电器,1998年，325亿美元；2008年，506亿美元,1.6 传感器的地位、作用及应用领域应用,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,36,1.6 传感器的地位、作用及应用领域市场,厂家和供应商 工业过程控制 发动机和车辆 飞机和船舶 建筑 消费类电子产品 其他产业,世界主要应用领域中传感器市场的变化,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,第2节 传感器基本构成型式,01,02,03,04,1. 自源型,热电偶,A,B,mV,基本结构,第2节 传感器基本构成型式,输入,2. 激励源型,霍尔传感器,基本结构,第2节 传感器基本构成型式,霍尔效应原理图,电源,环境量,第2节 传感器基本构成型式,转换电路,输出,敏感元件,输入,3. 外源型,基本结构,箔式电阻应变片,惠斯通电桥电路,第2节 传感器基本构成型式,3. 外源型,电桥平衡条件：R1/R2=R3/R4,第2节 传感器基本构成型式,环境温度、湿度对传感器的性能有无影响?,（1）相同传感器的补偿型,输入,输出,电源,环境量,第2节 传感器基本构成型式,4. 三种补偿型,补偿用敏感元件 敏感元件 转换电路,敏感元件一样 一个感受检测量，一个不感受 用在电桥相邻臂,筒式压力传感器,敏感元件 敏感元件 （转换电路）,电源,输入,环境量,第2节 传感器基本构成型式,输出,（2）差动结构补偿型,4. 三种补偿型,轮辐式剪切力传感器,特点： 敏感元件原理一样 一个感受拉应变， 一个感受压应变 用在电桥相邻臂,(最常见的补偿型),第2节 传感器基本构成型式,（3）不同传感器的补偿型,4. 三种补偿型,输出,电源,补偿用敏感元件 敏感元件 转换电路,环境量,输入,美国Honeywell公司PPT系列智能压力传感器,传感器的分类,力、热、电、光、磁、声等,气体浓度、离子浓度、湿度等,大分子（如葡萄糖、抗体）检测,应变效应、虎克定律、 霍尔效应、光电效应等,化学变化、吸附理论、 溶胀效应等,生物敏感膜特殊的选择性等,化学变化,第2节 传感器基本构成型式,物理传感器,化学传感器,生物传感器,47,传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。 物理型传感器分为物性型传感器和结构型传感器，物性型传感器基于某些功能材料本身具有的内在特性及效应感受被测量。结构型传感器以敏感结构具有的特定的物理规律来感受被测量。 化学传感器利用电化学反应原理来感受物质的成分、浓度。常用的是离子敏传感器，利用离子选择性电极，测量溶液的pH值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。 生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质，由其对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置，由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。,第2节 传感器基本构成型式,第2节 传感器基本构成型式,传感器的发展趋势,集成化,智能化,多功能化,高精度,数字化,向,第2节 传感器基本构成型式 举例,红外传感器,监控摄像头,夜视作战仪,夜视作战仪,目标识别,红外制导,光电对抗,甲烷气体传感器,燃气报警器,酒精传感器,汽车尾气检测仪,甲醛传感器,第2节 传感器基本构成型式 举例,气体传感器,第2节 传感器基本构成型式 举例,生物传感器,葡萄糖传感器,传染性疾病生物传感器,细菌传感器,智能衬衫,第2节 传感器基本构成型式 举例,自动化控制,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测,第2节 传感器基本构成型式 举例,楼宇控制及安防,第2节 传感器基本构成型式 举例,室内恒温器,空气质量传感器,湿度传感器,水压传感器,烟雾传感器,亮度传感器,红外人体探测器,第2节 传感器基本构成型式 举例,家居 生活,温度 传感器,指纹 传感器,透光率 传感器,温湿度 传感器,摄像头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,第2节 传感器基本构成型式 举例,“石子间谍”,智能感应尿布,智能地雷,智能穿戴设备,第2节 传感器基本构成型式 举例,58,第3节 敏感材料与传感器技术研究现状及发展,59,小结,收获 体会