传感器--广工骆德汉

主讲 -骆德汉联系电话 -39322256 ext.713、 广东工业大学信息工程学院 ）Email -； 现代传感新技术一、课程目的 掌握现代传感新技术核新思想 了解现代传感新技术最新进展 学习现代传感新技术最新理论 应用现代传感最新技术二、教学内容及考核要求 教材（上下册） 成绩： 10% （听课） +20% （报告） +70% （考试） 内容：以下册为主（上册自学） 考核 ：学习报告 +卷面考试学习报告 -2人一个题目，综述某种传感器基本原理及最新发展动态（国际前沿）第 0 章 现代传感新技术综述 现代传感新技术 -指最近十几年内研究开发出来的、已经或正在走向实用化的传感器现代传感新技术核心 -新效应机理、新材料发现、新加工工艺 现代 新型传感器 -智能传感器 -Intelligent Sensor-Smart Sensor- Intelligent Sensor System-Intelligent Instrumentation现代传感新技术应用 -仿生传感与应用、生物医学、食品安全等 0.1 新型传感效应光效应、磁效应、力效应、声效应、化学效应、生物效应一、新型光效应光电效应 -光电导效应、光生伏特效应电光效应 -克尔效应、光弹效应光多普勒效应 0.1 新型传感效应一、新型光效应1、光电导效应 内光电效应 -在光辐射作用下，材料的电导率发生变化 在材质均匀的光电材料两端加上一定电压， 当光照射到材料上时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在回路中产生电流 Ip 电流 Ip的 大小受光照强度的控制，用这种光电导效应制作的典型器件就是光敏电阻 0.1 新型传感效应一、新型光效应2、 P-N 结光伏效应 当光照射 PN 结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子一空穴对 这些非平衡载流子在内建电场的作用下，按一定方向运动，在开路状态下形成电荷积累，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即光生电压 若 P-N结两边外接一负载电阻 RL， 光激发产生的电子一空穴对形成的光生电流 I。 它与光照有关，其方向与 P-N结反向饱和电流相同 0.1 新型传感效应一、新型光效应3、 科顿 (Cotton)效应 科顿效应 -能使左、右旋圆偏振光传输速度相异的旋光性物质，在直线偏振光入射并透过时，会产生 a角的偏转现象称为 0.1 新型传感效应二、磁效效应磁光效应 -法拉第效应、克尔效应等磁电效应 -霍耳 (Hall)效应、磁阻效应等压磁效应 -磁致伸缩、威德曼效应等约瑟夫效应、核磁共振等 0.1 新型传感效应二、磁光效应1、法拉第效应 -又 称磁致旋光 效应当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面 (光矢量振动方向 )将发生偏转，其偏转角 与 磁感应强度 B以及介质的长度L成比例关系 K-是物质的特性常数，与光波波长和温度有关。 0.1 新型传感效应二、磁效效应2、 霍耳效应 霍耳效应实际上是基于洛伦兹力的效应；KH-霍尔常数 当电流通过半导体薄片时，垂直于电流方向的磁场 B使电子向薄片的一侧偏转，从而使薄片的两侧产生电位差 UH， 0.1 新型传感效应三、 力效应 压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、压阻效应1、 压电效应 当具有压电效应的材料受到沿一定方向的外力作用而变 形时，在某两个表面上将产生极性相反的电荷。 石英晶体 压电陶瓷 (PZT)， 高分子压电薄膜 压电半导体 常见压电材料 0.1 新型传感效应三、 力效应 2、 磁致伸缩效应 （ 1） 磁致伸缩效应 -铁磁体在磁场作用下，产生机械变形，其尺 寸、大小会作相应的伸缩。 当受到外磁场作用时，体内各磁畴转动并使它们的磁化方向尽量与外磁场相一致，导致磁性体沿外磁场方向的长度发生变化。（ 2） 磁致伸缩机理 从宏观的角度理解，磁性材料产生的长度变化可以看 作磁性材料在外磁场作用下产生了自由应变 E。 无外磁场作用时，磁性物质体内的磁畴排列杂乱无章，磁化均衡； 0.1 新型传感效应三、 力效应 3、 饱和效应 （ 1） 在高分子核磁共振吸收过程中，随入射电磁波振幅的增加，高分子吸收电磁 波能量逐渐减少而趋于饱和 （ 2） 饱和效应 机理 高分子核自旋吸收能量较多时，来不及转移而产生 饱和效应 。 核自旋因磁场作用而能级分离，吸收外加电磁波能量使其能级上升发生核磁共振 0.1 新型传感效应四、化学效应 表面吸附效应、可顿效应、饱和效应、电泳效应、彼德效应等 1、 吸附效应 金属氧化物的半导体陶瓷材料接触气体时，在特定温度下，材料吸附气体分子，分子表面和气体分子之间发生电子交换，使得半导 体材料的表面电位、功函数及电导率发生变化，这种现象称为吸附效应 氧化型气体吸附到 N型半导体上，或还原型气体吸附到 P型半导体上，将使其载流子减小，电阻增大。 吸附效应机理复杂，解释理论较多，在探索中 还原型气体吸附到 N型半导体上，或氧化型气体吸附到 P型半导体上，则其载流子增多，电阻减小 0.1 新型传感效应四、化学效应 2、 半导体表面场效应 表面场效应 -利用电压所产生的电场控制半导体表面电流的效应 表面场效应 作用随环境气体、溶液离子浓度等化学物质而变化 利用 表面场效应 可构成气敏、离子敏、生物敏等半导体场效应化学传感器。 0.1 新型传感效应五、光多普勒效应 2、与信号源的自身频率 f0不相同，并且，若两者相对运动，传感器所接受的信号频率 f f0， 若两者相向运动，则， f f0 光 多普勒效应 声 多普勒效应1、具有一定频率 f0 的信号源与传感器之间以速度 V相对运动，传感器所接受的信号频率 f与信号源的自身频率 f0不相同。 0.2 新型敏感材料 按结晶状态分类 -单晶、多晶、非晶和微晶等敏感材料 -指能利用物理效应或化学、生物反应原理做成敏感元件的基体材料 按电子结构和化 学键分类 -金属、陶瓷和聚合物等 按物理性质分 -超导体、导电体、半导 体、介电体、铁血体、压电体、铁磁体、铁弹体、磁弹体等等 按形态分 -掺杂、 微粉、薄膜、块状、纤维等 按功能可分 -力敏、压敏、光敏、色敏。声敏、磁敏、气敏、湿敏等 0.2 新型敏感材料 一、半导体敏感材料 半导体材料可以将多种非电量转换为电量 光、声、热、磁、气、湿 等都可利用相应的半导体材料进行传感 光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术 光纤的外界环境变化（压力、温度、电场、磁场），将引起在光纤中传输光波的某些物理量（ 光强、相位、频率、偏振态）等 发生变化 。 二、光导纤维 测出光波物理量变化，就知道导致这些光波特性变化的 压力、温度、电场、磁场等物理量的大小， 光导纤维由三层构成 -纤芯、包层，保护层 0.2 新型敏感材料 三、高分子材料 高分子集合体固 体的特征是非晶结构，高分子材料在电气特性上主要表现为绝缘性 高分子 敏感材料 -主要用于压电、热释电、光电材料等。 石英晶体化学成分为 Si02，理想形状为六角锥体 在电轴和机械轴方向，石 英晶体具有压电效应和逆压电效应； 四、石英晶体 在光轴方向，具有光双折射效应。 0.3 新加工工艺 薄膜成膜 -主要方法蒸发、溅射、化学气相淀积。 化学气相淀积 -使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态物质淀积在衬底上一、薄膜加工工艺 蒸发和溅射 需要在真空中进行，主要设备是真空镀膜机 微细加工方法 -腐蚀、键合、光刻、薄膜、 刻蚀、拉丝、激光、超声微细加工技术 -已进入纳米量 级。并向 0.1nm方向及原子或分子尺寸挺进 0.3 新加工工艺 曝光微细加工 -光学曝光微细加工工艺；电子束曝光微细加工工艺；离子束曝光微细加工工艺， 在微电子、光电子、集成光学、光电集成电路等领域都能发挥广泛的作用。二、光学曝光微加工工艺 三、激光徽细加工 激光微细加工技术 -激光辅助气相淀积、激光辅助固相淀积、光辅助液相淀积、激光辅助扩散、激光退火等 0.4 应用举例一 智能传感器系统Block of intelligent sensors systemIntelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 应用举例二、 智能传感器系统 -电子鼻Block of intelligent sensor system-electronic nose (智能传感器 -电子鼻框图 )Intelligent Sensors System School of Information Engineering传感器阵列气味传递 0.4 应用举例三、 仿生视觉检测系统（ A typical visual pattern recognition system ）(a) A sensor(b) A preprocessing mechanism(预处理装置）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 应用举例三、 仿生视觉检测系统（ A typical visual pattern recognition system ） (c) A feature extraction mechanism (manual or automated)（ 特征提取装置（手动或自动）(d) A classification or description algorithm（ 分类或运算）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 应用举例三、 仿生视觉检测系统（ A typical visual pattern recognition system ） (e) A set of examples (training set) already classified or described（ 一组已经被分类或被描述的样本）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 应用举例三、 仿生视觉检测系统（ A typical visual pattern recognition system ）Consider the following scenario*(考虑如下假定）（ 1） A fish processing plan wants to automate the process of sorting incoming fish according to species (salmon （ 鲑鱼） or sea bass（ 黑鲈鱼） )Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 应用举例三、 仿生视觉检测系统（ A typical visual pattern recognition system（ 2） The automation system consists ofa conveyor belt for incoming products （ 一条用于输入产品的传送带）two conveyor belts for sorted products （ 二条用于分类产品的传送带）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 应用举例三、 仿生视觉检测系统（ A typical visual pattern re