第一章 敏感材料与传感器技术研究现状及发展 for teachers

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:832070275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电信号光信号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181)

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F1.3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材料学物理化学生物学电子学电路与系统机械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221.4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。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241.5.1什么叫敏感材料?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251.5.2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261.5.2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采集信息传感器技术、RFID通信技术计算机技术传输信息处理信息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361.6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010203041.自源型热电偶敏感元件输出ABmV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敏感元件辅助能源输入输出基本结构第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