传感器--广工骆德汉.ppt

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 system Intelligent 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 of a 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 recognition system a pick-and-place robotic arm（一个用于挑选和放置产品的机械手） a vision system with an overhead CCD camera（一个CCD摄像视觉系统） a computer to analyze images and control the robot arm（一台用于分析图 象和控制机械手的计算机） 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) （1） Preprocessing Adjustments for average intensity levels Segmentation to separate fish from background （调整平均密度，将鱼从平 台分散） （2） Sensor The camera captures an image as a new fish enters the sorting area （摄像机捕捉进入存储区的鱼） （3） Feature Extraction Suppose we know that, on the average, sea bass is larger than salmon （假设已知黑鲈鱼平均体积大于鲑鱼） 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) （1）Sensor The camera captures an image as a new fish enters the sorting area （摄像机捕捉进入存储区的鱼） （2）Preprocessing Adjustments for average intensity levels Segmentation to separate fish from background （调整平均密度，将鱼从平 台分散） （3） Feature Extraction Suppose we know that, on the average, sea bass is larger than salmon （假设已知黑鲈鱼平均体积大于鲑鱼） 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) （4） Classification (A) Collect a set of examples from both species（从两种鱼中采集一组样本 ） Plot a distribution of lengths for both classes （两种鱼长度分布状态图） (B) Determine a decision boundary (threshold) that minimizes the classification error.（以最小误差确定决策边界线） (C) We estimate the systems probability of error and obtain a discouraging result of 40%(估计系统的概率误差，得到40%分类结果） What is next? Intelligent Sensors System 6-11 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) （D） Improving the performance of our PR system (a) Committed to achieve a recognition rate of 95%, we try a number of features Width, Area, Position of the eyes and mouth (为达到95%识别率，尝试许多特征，如宽度，面积、眼睛和嘴巴的位置等） 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) （D） Improving the performance of our PR system (b) only to find out that these features contain no discriminatory information（找出这些不同特征区别的信息） (c) Finally we find a “good” feature: average intensity of the scales (最后找到“好的”特征：识别范围内的平均密度） Intelligen