教学课件PPT敏感材料与传感器技术研究现状及发展.ppt

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: 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）,8,1.1传感器定义,传感器(transducer/sensor)的定义是：传感器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。,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,9,经典应用实例,“发现号” 燃料传感器故障 导致“发现号”推迟发射。,10,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,11, 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,12,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,13,1) 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,14,1.3 传感器实例,第1节 敏感材料及传感器领域相关基本术语,15,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,16,1.4 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。,17,1.5 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,18,1.5.1 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,19,1.5.2 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,20,1.5.2 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,21,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,22,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,23,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,24,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,25,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,26,信息技术的三大支柱,传感器技术,采集信息,通信技术,计算机技术,传输信息,处理信息,作用,作用,作用,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,27,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,28,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,29,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,30,1.6 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,31,传感器的基本构成型式,自源型 带激励源型 外源式 相同传感器的补偿型 差动结构补偿型 不同传感器的补偿型,第2节 传感器基本构成型式,32,自源型为仅含转换元件的最简单、最基本的传感器构成型式。 特点：不需要外能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量电效应；输出能量较好。 例子：热电偶，压电器件等。,自源型(1),第2节 传感器基本构成型式,33,带激励源型(2),带激励源型为转换元件外加辅助能源构成的型式。 辅助能源：起激励作用，可以是电源也可以是磁源。 特点：需要变换（测量）电路即有较大的电量输出。 例子：某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器。,第2节 传感器基本构成型式,34,特点： 由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成； 必须通过带外电源的变换（测量）电路，才能获得电量输出。,外源型(3),第2节 传感器基本构成型式,35,相同传感器的补偿型(4),采用两个原理和特性完全相同的转换元件，并置于同一环境中 其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过线路，使后者消除前者的环境干扰影响。 这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中常被采用。,第2节 传感器基本构成型式,36,也采用两个原理和特性完 全相同的转换元件，同时接收 被测输入量，并置于同一环境 中。巧妙的是，两个转换元件 对被测输入量作反向转换，对 环境干扰量作同向转换，通过 变换（测量）电路，使有用输 出量增加，干扰量相消。如差 压传感器等。,差动结构补偿型(5),第2节 传感器基本构成型式,37,采用两个原理和性质不 相同的转换元件，且不一定 置于同一环境处，其中一个 接受信号，并已知其受环境 影响的特性；另一个接受环 境影响量，并通过电路向前 者提供等效的抵消环境影响 的补偿信号。如：采用热敏 元件的温度补偿，采用压电 补偿片的温度和加速度干扰 补偿等。,不同传感器的补偿型(6),第2节 传感器基本构成型式,38,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,39,第2节 传感器基本构成型式 举例,温度传感器,压力传感器/变送器,40,第2节 传感器基本构成型式 举例,非致冷红外传感器（1）,41,第2节 传感器基本构成型式 举例,非致冷红外传感器（2）,42,第2节 传感器基本构成型式 举例,离子感烟器,43,第2节 传感器基本构成型式 举例,明火探测器,44,第2节 传感器基本构成型式 举例,气体传感器,45,第2节 传感器基本构成型式 举例,半导体敏感元件,46,第2节 传感器基本构成型式 举例,薄膜sno2气敏传感器结构,厚膜sno2气敏传感器结构,47,第2节 传感器基本构成型式 举例,接触燃烧式气敏传感器结构,48,第2节 传感器基本构成型式 举例,汽车发动机空燃比控制用的 zro2传感器,氧浓淡电池的原理及典型结构 （a） 工作原理图； （b） 汽车用氧浓淡电池结构,49,第2节 传感器基本构成型式 举例,湿度传感器,50,第2节 传感器基本构成型式 举例,fe3o4湿敏元件构造,51,第2节 传感器基本构成型式 举例,mgcr2o