新型传感器原理提纲

新型传感器及应用 0 仪器科学与技术发展现状一、仪器科学与技术的地位二、仪器仪表和测量控制的领域划分三、我国仪器行业的基本情况四、仪器科学的发展方向第1章 现代传感技术及新型传感器的概念第2章 新型原理及新材料、新加工工艺第3章 传感器的能量变换和信号变换第4章 传感器构成论第5章 智能传感器仪器科学与技术发展现状一、仪器科学与技术的地位当今世界已进入信息时代，信息技术成为推动科学技术高速发展的要害技术。信息技术的快速发展，产生了新兴的庞大的信息产业，信息产业已经成为带动世界经济发展的龙头产业。信息科学、生命科学和材料科学一起构成了当代三种前沿科学，信息技术是当代世界范围内新技术革命的核心。信息科学和技术是现代科学技术的先导，是人类进行高效率、高效益、高速度社会活动的理论、方法与技术，是管理现代化的一个重要标志。信息产业一般指以信息为资源，信息技术为基础，进行信息资源的研究、开发和应用，以及对信息进行收集、生产、处理、传递、储存和经营活动，为经济发展及社会进步提供有效服务的综合性的生产和经营活动的行业。在工业发达国家，一般都把信息当作社会生产力发展和国民经济发展的重要资源，把信息产业作为所有产业核心的新兴产业群，称为第四产业。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。仪器科学与技术是信息科学与技术的重要组成部分，是信息的源头。新技术革命的关键技术是信息技术。测量技术则是关键和基础。著名科学家钱学森明确指出： “信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术是基础。”王大珩院士也一再强调：“测量技术是信息技术的源头。”仪器科学与技术是对客观事物提供检测、计量、监测和控制的重要手段，是人类认识世界、改造世界和社会法制化提供物质技术保障的一门知识密集、技术密集的综合性学科。随着高新技术的研究和发展，科学研究与实践工作，国民经济建设中的现代国防、现代工业、现代农业和人类的社会生活，都离不开仪器仪表及其技术。仪器是一种信息工具，起着不可或缺的信息源的作用。仪器科学与技术在国民经济建设中起着十分重要的作用。近年来，我国仪器仪表工业面临严峻形势，振兴我国仪器仪表工业刻不容缓。科学技术是第一生产力，首先要靠仪器仪表去认识世界。先进的科学仪器设备是知识创新的前提，也是创新研究的主体内容之一和创新成就的重要体现形式。仪器的创新是知识创新和技术创新的组成部分。从设立诺贝尔奖百年以来，在物理和化学奖中有大约四分之一是属于测试方法和仪器的创新成就。有数据显示，在包括物理、化学、生物在内的自然科学领域，有接近60%的诺贝尔奖与仪器仪表有直接的或间接的关系。例如1901年诺贝尔物理学奖获得者W.C.伦琴发现了X射线，在物理学界引起了巨大的震动，宣布了现代物理学时代的到来，使诊断医学发生了革命，至今人们仍在享用着他的伟大发现，并利用X射线做了多种多样的工作，如X射线透视仪、X射线断层扫描仪（简称CT扫描仪）等等。比如发明了显微镜后，人们知道世界是由很小的微观粒子组成的。在科学技术的重大成就和科学研究新领域的开辟方面往往是以检测仪器和技术方法的突破为技术先导。发展科学仪器已成为国家的发展战略。仪器也是国家科技发展水平的标志。特别是在当今高新技术发展的信息时代，仪器更是现代化的综合因素之一。现代仪器发展的一个趋势是集成化，仪器中的信息处理、转换、存储、显示等都与信息技术相同。当代没有现代仪器就不能获取工农业生产建设、国防、科研、生活、社会、海关等诸多领域中全方面的信息，进入信息时代是不可能的。仪器仪表在试验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用，需求遍及“农轻重、海陆空、吃穿用”无所不在。现代仪器仪表在当今社会经济活动中还发挥“物化法官”的重要作用。 仪器仪表是工业生产的“倍增器”,科学研究的“先行官”,军事上的“战斗力”,以及现代社会活动的“物化法官”没有高水平、高质量的测控设备，大型化、高参数化、工况复杂化的现代工业重大装备将无法运行。仪器仪表在代表我们国家命脉的重化工业、大能源工业中发挥的作用，不但是正常运行的保障，而且是最后的安全屏障，因为任何安全隐患的异常反应都首先出现在仪器仪表上。二、仪器仪表和测量控制的领域划分按照应用领域的不同，习惯地把仪器仪表和测量控制划分为六个大类，即工业自动化仪表与控制系统、科学仪器、医疗仪器、电子与电工测量仪器、各类专用仪器、传感器和仪器仪表元器件及功能材料。这是一个大致的分类，其间存在着许多交叉和渗透。 工业自动化仪表与控制系统，主要应用在工业生产流程中的检测和控制； 科学仪器应用面极广，包括科学研究、教学实验、物质分析、安全监测等各种领域； 医疗仪器应用于生命科学研究和临床诊断治疗； 电子与电工测量仪器用于对各种电子和电工参数进行测量； 各类专用仪器应用于各种专门的领域，如农业、环保、气象、水文、地质、海洋等，这类仪器除了应用领域的特殊要求具备某些特殊性外，它们的基本原理和应用方法跟科学仪器等其他类仪器并无本质的区别； 传感器、元器件和功能材料主要用于获取信号、仪器制作和使用材料上。传感器已经成为影响到仪器仪表与测量控制发展和应用的关键所在。各类仪器的基础理论和技术，构成了仪器仪表与测量控制学科体系的基本内容，它们的产业成为仪器仪表与测量控制产业体系的重要组成，而它们的发展决定着仪器仪表与测量控制的未来。三、我国仪器行业的基本情况1产业谈到我国仪器仪表与测量控制产业的基本概况,先让我们了解一些统计数据。2007年我国仪器仪表产业规模以上企业为3954家，实现总产值3078亿元，销售收入达到3005亿元，双双突破3000亿元。同比2004年1000亿元，2006年2000亿元，4年间年增长率超过30%。3000亿元的销售额中，出口商品达到88亿美元，同比上一年度增长了36%。目前，我国仪器仪表与测量控制产业已经形成门类品种比较齐全、布局比较合理、具有相当技术基础和生产规模的产业体系，在亚洲我国是除日本以外第二大仪器仪表生产国，是发展中国家综合实力最强的仪器仪表生产国。从产品的技术水平分析，目前绝大多数国产仪器仪表还处于发达国家20世纪90年代中后期水平。中低档产品品种基本齐全，能够规模生产，质量基本稳定，可以满足国内市场要求，且有批量出口。比如电工仪器仪表在国内市场占有率达到95%，并有13%产品出口。深圳市每年生产数字万用表700万台，销售世界90多个国家。国产仪器仪表，也有少数中高档产品接近国际技术水平。2科学研究在国家重点科技攻关项目中，特别是必须自主创新发展的航天航空领域和国防安全领域，已经有部分仪器仪表技术上取得了新的突破。我国嫦娥一号卫星携带的8种探测仪器都是我国科技人员自主研制设计的，不仅在技术上总体达到了国际先进水平，而且有自己的特点和创新。在工程应用技术方面，已经能够承担一部分国家重大工程仪器仪表系统成套。3人才培养围绕着仪器仪表与测量控制学科现定名为“仪器科学与技术”学科，全国近250所高校设置了相应的专业，3万多名本科生和1万多名研究生在校学习。已经为仪器仪表与测量控制领域培养了几十万学科技术人才。4存在的问题在先进装备制造领域，测试装备的投入占1/3在高端装备制造领域，测试装备的投入占1/2在尖端和高可靠性装备领域，测试装备的投入大于1/2我国高端仪器现状高端科学仪器95%以上靠进口大型超精密仪器95%以上靠进口国防专用精密仪器：国外技术封锁涉及战略高技术的高端仪器： 国外技术封锁因缺乏标准装置，大部分工程参量的量值溯源和传递能力至今没有形成工业发达国家高新技术仪器仪表产品品种约占总品种的75%，而国内还不到20%。工业自动化仪表和控制系统的仪表品种国内满足率，一般性工程项目达80%，大型工程项目还不到50%，主要缺少智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。具有自主知识产权的科学仪器设备匮乏。“十五”期间，国家主体科技计划用于“科学仪器设备研制与开发”项目的经费只有0.85亿元，仅占三大科技计划经费的千分之二和科学仪器购置经费的1%；科学仪器水平与发达国家存在明显差距，高档科学仪器基本处于空白，中档科学仪器、国产设备稳定性和重现性不高，软件配套性较差，占有率小；科学研究“空芯化”现象严重，每年科学仪器固定资产投资中的60%用于进口设备，其中，精密仪器、生命科学仪器、大型科学仪器等高技术含量的产品更是90%以上依靠进口。5我国仪器科学与技术学科的总体目标是至2020年，必须充分利用我国经济高速发展和巨大的市场优势，结合测控技术的深化研究，大力推进新技术、新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握各类仪器仪表的设计、生产工艺等关键技术，满足国民经济、人民健康和国防安全在生产、科研、应用各个方面对测量控制与仪器仪表的需求，减少进口，扩大出口，使我国仪器科学与技术学科领域科技和产业总体水平与国际水平差距普遍缩短到35年；工业自动化仪表和控制系统、科学仪器、医疗仪器、电测和计量仪器、各类专用仪器仪表、相关传感器和元器件及材料等领域约30%的产品达到国际同期先进水平，国内生产的仪器仪表在大工程的配套能力达到80%以上。 四、仪器科学的发展方向从仪器科学与技术学科领域个组成部分相互关系、共性问题以及我国国民经济、科学研究、国防建设、社会发展全局进行战略研究，建议学科领域科技研究方向为：1新型传感器及信息获取技术；2与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术；3精确制造中的测量控制技术及仪器仪表；4微分析仪器及其关键技术；5数字化医疗仪器及其关键技术；6基于量子物理的计量标准系统。 1.新型传感器及信息获取、传感技术 传感技术不仅是检测的基础，它也是控制的基础。这不仅是因为控制必须以检测输入的信息为基础；并且为了知道控制达到的精度和状态，必需感知，否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的。信息获取、传感技术是仪器科学与技术学科的基础技术；新型传感器是发展高水平测量控制仪器仪表的基础。传感技术已成为制约测量控制仪器仪表发展的瓶颈。 新型传感器及信息获取、传感技术主要是对客观世界有用信息的检测，它包括有用量测量敏感技术、涉及各学科工作原理、遥感遥控、新材料等技术、信息融合技术；传感器制造技术等。信息融合技术设计传感器分布、微弱信号提取(增强)、传感信息融合、成像等技术、传感器制造技术涉及微加工、生物芯片、新工艺等技术。 2.与重大工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术 与重大工程相配套的过程控制系统和测控装备主要解决智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。主要包括符合现场要求的各类传感器及检测仪表，实时流程分析仪器及在线分析技术，新型现场控制系统，e网控制系统，以工业控制计算机、可编程控制为基础的开放式控制系统及先进控制技术，特种测控装备和测控技术，系统成套集成技术等。 系统集成技术直接影响测量控制仪器仪表的应用广度和水平，特别是对大工程、大系统、大型装置的自动化程度和效益有决定性影响，它是系统级层次上的信息融合控制技术没包括系统的需求分析和建模技术、物理层装置技术、系统各部分信息通信转换技术、应用层控制策略实时技术等。在操作人员为多种不同岗位的操作群体情况下，还应包括各近最佳方式监控智能化工具、装备、系统以达到既定目标的技术，是直接涉及测控系统效益发挥的技术，是从信息技术向知识经济技术发展的关键。智能控制技术可以说是测控系统中最重要和最关键的软件资源。 从目前发展趋势看，在企业信息化ERS/MES/PCS三级节后的计算机测控系统中，软件的价格已超过硬件的3倍。而有关石化、冶金、电力、制药行业中自动化测控系统的先进控制软件价格就超过系统硬件价格。智能控制技术包括仿人的特征提取技术、目标自动化辨识技术、知识的自学习技术、环境的自适应技术、最佳决策技术等。 3.科学仪器中的微分析仪器及其关键技术 分析仪器是科学仪器中最重要和发展最快的组成部分，而为分析仪器包含的微量检测、微型化、高灵敏度、高分辨率和高智能化内涵，则代表了分析仪器的一个重要发展趋势和技术水平，在生命科学、食品安全、环境保护、公共安全(包括反恐、反毒)、临床医学、医药科学和化工等领域得到越来越多的应用。微分析仪器及其关键技术的研究方向包括： (1)开展高灵敏度、高分辨率、高性能水平的微结构型传感器研究，将生物芯片技术、新型化学传感器技术、多组分(多参数)集成传感器技术应用于分析仪器的研制和开发。(2)开展分析仪器微型化和相关微根系技术的研究，重点进行微分析仪器使用的共性技术和新技术的研究、如微流控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、全电子分光系统、微分光仪、新型芯片等的研究。 (3)过程分析、在线分析使用的微分析仪器及其关键技术研究。 (4)不同类别分析器联用技术的研究。当复杂基体的微量、痕量物质的含量及结构分析对分析对象的分辨能力提出极高的要求，且单一的分离技术甚至质谱分离技术均已无法从复杂的信息中分离出所需要的有用信息时，需要通过相关不同类别分析器的联用技术对物质的成分、结构、形态甚至是综合形态进行分析，以便同时获得原子和分子的信息。-我国科技创新工作中，在方法上存在五大问题。一是科学思维培育不够。创新思维与创新精神培养缺位，目前应试式的教育体系、灌输式的教学方法抑制了学生的创新思维和创新精神；科研活动创新思维不足，自主创新研究成果少；以跟踪模仿为主，自主创新较少；多数学科发展滞后，属于世界领先的学科很少；中国申请人在世界知识产权组织的PCT专利申请只占总量的0.96%；尊重科学、崇尚科学的氛围不够，科学精神与科学氛围仍然不足，不按照科学规律办事的问题仍普遍存在。二是科学方法研究与应用不够。科技界关于科学方法的意识薄弱，科研活动中，忽视研究方法的规范性、创新性；国内学术期刊很少发表关于研究方法和哲学思考类的理论性论文；对科学方法的研究不够，仅限于对国际科学方法的跟踪、了解，缺乏对前沿方法的前瞻性研究；科学方法的研究与应用严重脱节；企业技术创新能力不足，缺乏科学创新方法。三是具有自主知识产权的科学仪器设备匮乏。“十五”期间，国家主体科技计划用于“科学仪器设备研制与开发”项目的经费只有0.85亿元，仅占三大科技计划经费的千分之二和科学仪器购置经费的1%；科学仪器水平与发达国家存在明显差距，高档科学仪器基本处于空白，中档科学仪器、国产设备稳定性和重现性不高，软件配套性较差，占有率小；科学研究“空芯化”现象严重，每年科学仪器固定资产投资中的60%用于进口设备，其中，精密仪器、生命科学仪器、大型科学仪器等高技术含量的产品更是90%以上依靠进口。四是创新政策环境还不完善。虽然近年来我国科学研究与发展（R&D）经费投入不断增加，但与发达国家以及同等发展水平的发展中国家相比，我国科技投入水平还不高。以2004年为例，我国研发经费仅相当于美国的8%；全国研发人员年平均经费分别只有韩国的14%和日本的8%，而在发达国家，公共财政支持科技发展的经费中有40%用于支持科学方法和科学仪器。在我国，国家主体科技计划对这方面研究项目的支持几乎为零。五是评价方法有待改进。目前，我国科技成果评价方式也不利于创新方法的发展。科研院所对科研人员研究能力的评价标准不全面，过分重视SCI，而忽视一些基础性或方法上的重要问题。以诺贝尔奖为例，诺贝尔奖有1/3是通过科学发现、理论推导得奖；有1/3是通过方法上的创新、方法思路上的创新得奖；还有1/3是通过科学仪器、科学手段、科学工具上的创新得奖。而在我们的科技布局上，更多瞄准了第一个1/3 ，把后两个1/3基本忽略了。随着整个装备工业的大型化、复杂化、信息化和集成化，仪器仪表在现代工业中的重要性，已经从过去所说的“五官”，上升到现在的“神经中枢”。随着大装置越来越复杂，坐在控制室里就能够看到整个现场。经济全球化的结果，很有可能会造成一些国家是头脑国家产生并输出知识，另外一些国家是躯干国家只引进和应用知识。中国作为一个发展中的大国，必须既有躯干又有头脑。而仪器仪表，恰恰是头脑的“神经中枢”，因为信息化是和控制系统连在一起的。以发电设备为例，如果电机、锅炉和汽轮机是国内的，而测控设备是国外的，那么企业就不知道用什么参数控制主设备的运行，人家卖给企业的这个软件等于“黑软件”。没有高水平、高质量的测控设备，大型化、高参数化、工况复杂化的现代工业重大装备将无法运行。现代流程工业的工艺参数、技术特点、Know-how专利，绝大部分都由主设备与测控设备软硬件紧密结合予以实施。仪器仪表在代表我们国家命脉的重化工业、大能源工业中发挥的作用，不但是正常运行的“神经中枢”，而且是最后的安全屏障，因为任何安全隐患的异常反应都首先出现在仪器仪表上。从科研的角度强调中国的仪器仪表要自立于世界民族之林。如果高等级、高档次的仪器仪表不能自立，中国就不能成为科技大国，就不能成为创新型国家。有数据显示，在包括物理、化学、生物在内的自然科学领域，有接近60%的诺贝尔奖与仪器仪表有直接的或间接的关系。比如发明了显微镜后，人们知道世界是由很小的微观粒子组成的。我国仪器科学与技术学科的总体目标是：至2020年，必须充分利用我国经济高速发展和巨大的市场优势，结合测控技术的深化研究，大力推进新技术、新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握各类仪器仪表的设计、生产工艺等关键技术，满足国民经济、人民健康和国防安全在生产、科研、应用各个方面对测量控制与仪器仪表的需求，减少进口，扩大出口，使我国仪器科学与技术学科领域科技和产业总体水平与国际水平差距普遍缩短到35年；工业自动化仪表和控制系统、科学仪器、医疗仪器、电测和计量仪器、各类专用仪器仪表、相关传感器和元器件及材料等领域约30%的产品达到国际同期先进水平，国内生产的仪器仪表在大工程的配套能力达到80%以上。 我国仪器科学与技术学科领域科技研究方向建议 从仪器科学与技术学科领域个组成部分相互关系、共性问题以及我国国民经济、科学研究、国防建设、社会发展全局进行战略研究，建议学科领域科技研究方向为：新型传感器及信息获取技术；与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术；精确制造中的测量控制技术及仪器仪表；微分析仪器及其关键技术；数字化医疗仪器及其关键技术；基于量子物理的计量标准系统。 1.新型传感器及信息获取、传感技术 传感技术不仅是检测的基础，它也是控制的基础。这不仅是因为控制必须以检测输入的信息为基础；并且是犹豫控制达到的精度和状态，必需感知，否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的。信息获取、传感技术是仪器科学与技术学科的基础技术；新型传感器是发展高水平测量控制仪器仪表的基础。传感技术已成为制约测量控制仪器仪表发展的瓶颈。 新型传感器及信息获取、传感技术主要是对客观世界有用信息的检测，它包括有用呗测量敏感技术、涉及各学科工作原理、遥感遥控、新材料等技术、信息融合技术；传感器制造技术等。信息融合技术设计传感器分布、微弱信号提取(增强)、传感信息融合、成像等技术、传感器制造技术涉及微加工、生物芯片、新工艺等技术。 2.与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术 工业发达国家高新技术仪器仪表产品品种约占总品种的75%，而国内还不到20%。工业自动化仪表和控制系统的仪表品种国内满足率，一般性工程项目达80%，大型工程项目还不到50%，主要缺少智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。 与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备主要解决智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。主要包括符合现场要求的各类传感器及检测仪表，实时流程分析仪器及在线分析技术，新型现场控制系统，e网控制系统，以工业控制计算机、可编程控制为基础的开放式控制系统及先进控制技术，特种测控装备和测控技术，系统成套集成技术等。 系统集成技术直接影响测量控制仪器仪表的应用广度和水平，特别是对大工程、大系统、大型装置的自动化程度和效益有决定性影响，它是系统级层次上的信息融合控制技术没包括系统的需求分析和建模技术、物理层装置技术、系统各部分信息通信转换技术、应用层控制策略实时技术等。在操作人员为多种不同岗位的操作群体情况下，还应包括各近最佳方式监控智能化工具、装备、系统以达到既定目标的技术，是直接涉及测控系统效益发挥的技术，是从信息技术向知识经济技术发展的关键。智能控制技术可以说是测控系统中最重要和最关键的软件资源。 从目前发展趋势看，在企业信息化ERS/MES/PCS三级节后的计算机测控系统中，软件的价格已超过硬件的3倍。而有关石化、冶金、电力、制药行业中自动化测控系统的先进控制软件价格就超过系统硬件价格。智能控制技术包括仿人的特征提取技术、目标自动化辨识技术、知识的自学习技术、环境的自适应技术、最佳决策技术等。 3.科学仪器中的微分析仪器及其关键技术 分析仪器是科学仪器中最重要和发展最快的组成部分，而为分析仪器包含的微量检测、微型化、高灵敏度、高分辨率和高智能化内涵，则代表了分析仪器的一个重要发展趋势和技术水平，在生命科学、食品安全、环境保护、公共安全(包括反恐、反毒)、临床医学、医药科学和化工等领域得到越来越多的应用。微分析仪器及其关键技术的研究方向包括： (1)开展高灵敏度、高分辨率、高性能水平的微结构型传感器研究，将生物芯片技术、新型化学传感器技术、多组分(多参数)集成传感器技术应用于分析仪器的研制和开发。(2)开展分析仪器微型化和相关微根系技术的研究，重点进行微分析仪器使用的共性技术和新技术的研究、如微流控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、全电子分光系统、微分光仪、新型芯片等的研究。 (3)过程分析、在线分析使用的微分析仪器及其关键技术研究。 (4)不同类别分析器联用技术的研究。当复杂基体的微量、痕量物质的含量及结构分析对分析对象的分辨能力提出极高的要求，且单一的分离技术甚至质谱分离技术均已无法从复杂的信息中分离出所需要的有用信息时，需要通过相关不同类别分析器的联用技术对物质的成分、结构、形态甚至是综合形态进行分析，以便同时获得原子和分子的信息第1章 现代传感技术及新型传感器的概念一、 传感器的定义和传感器的组成部分1. 传感器的定义：能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。含义：1) 传感器是某种测量装置或测量装置的一部分，能完成部分检测任务2) 它的输入量是某一被测量3) 输出是某种物理量，这种量要便于转换、处理等，可以是气、光电等，主要是电参量4) 输出输入有对应关系，且有一定的精度2. 组成及部分的作用二、 传感器的分类1. 按工作原办理分类1) 物理型：是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料特殊物理性能制成的传感器。电阻式传感器：金属、半导体材料电感式传感器：差动变压器压电效应特殊物理性质：半导体材料的压阻效应、光电效应、霍尔效应 分为物性型传感器和结构型传感器物性型：是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换成电参数的传感器结构型：是以结构为基础(形状、尺寸)，利用物理学中某些场的定律(运动定律、电磁场定律)实现把被测量转换成电量的。是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础。2) 化学型：是利用电化学原理，把无机物和有机物的成分、浓度等转换成电信号的传感器。较常用的是离子选择性电极，测量溶液的pH值，某些离子的浓度等。3) 生物型：是利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。活性物质：酶、抗原、抗体、微生物等生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称为功能识别能力，利用这种单一的识别能力来判断某种物质是否存在，其浓度是多少，进而用电化学的方法进行电信号的转换。2. 按被测量分类a) 化学量：无机或有机化学物质的成分、浓度、pH值、化学反应速度b) 生物量：与生物相关联的量。味觉(酸甜苦辣)、嗅觉(气味)c) 物理量：度量物质的属性或描述物质的运动状态所用的各种量值位移、速度、加速度、温度、湿度、压力、浓度、黏度等基本量：长度、质量、时间、电流、热力学温度、发光强度、物质的量3. 其他分类方式a) 按能量转换情况：能量控制型、能量转换型b) 按用途c) 按输出类型三、 新型传感器的概念所谓新型传感器是指最近几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。随着现代科学技术的迅猛发展，许多新效应、新材料不断被发现，新的加工工艺不断发展和完善，这些都进一步促进了新型传感器的研究开发工作。四、 传感器的发展趋势随着科学技术的发展，对传感器技术要求越来越高，同时也促进了传感器的发展。1) 对传感器的要求a) 对检测范围的要求检测技术正向宏观世界和微观世界纵深发展宏观：空间技术、海洋开发、环境保护、地震预报、天气预报微观：细胞生物学、遗传工程、光合作用、微加工技术检测参数的范围：极限参数、极端参数超高温、超低温、超高压、超低压检测参数的种类：多相流、脉动流量、空间定位、管道泄漏使用条件：真空、微重力、高温、振动b) 对检测性能的要求：精度(准确度)、响应速度，大范围高精度c) 体积小、抗干扰能力强、稳定性好、低功耗等2) 微型化、集成化、智能化、功能化、网络化a) 微型化：传感器的微型化有大量的应用前景：航空、远距离探测、工业自动化、医疗、微机电系统(MEMS)等b) 集成化：两个含义：将传感器与后级的放大电路、运算电路、补偿电路等制成一个组件，实现一体化，具有体积小、反应快、抗干扰能力强、稳定性好的特点；将同一类的传感器集成于同一芯片或器件上构成2D或3D传感器，具有测量密度高、坚固、高准确性和高可靠性等特点。c) 多功能传感器：将传感器与其他功能结合，实现复杂的或复合功能。如：温度开关(温度测量和控制)，CCD是将阵列化的光电探测器与扫描功能一体化的器件，是可把一维或二维光学图像转换成时序电信号的功能传感器；将不同的敏感元件组合在一起，同时测量多种参数，实现综合化、小型化的测量，工作在同一条件下，便于进补偿和修正；借助于同一传感器的不同效应可以获得不同的信息，线圈所表现出来的电容和电感是不同的；在不同激励条件下，同一敏感元件表现出来不同的特征，以实现不同的测量。d) 智能化：是指装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息储存，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。优点：能够实时处理所探测的数据和储存历史数据； 不但可以对信息进行处理、分析和调节，对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和判断，实现非线性补偿和复杂的环境因素补偿； 具有自诊断和自校正功能； 能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽其探测与应用领域； 具有数字通讯接口e) 网络化：在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域监控等有重要的应用价值。智能家居、建筑安全、智能交通3) 新材料、新功能的开发：传感器材料是传感器技术的重要基础，多数传感器是利用某些材料的特殊功能达到测量的目的。探索已知材料的新功能和研究具有新功能的新材料对研究新型传感器及具有十分重要的意义。半导体砷化镓二极管可测0.3400K的超低温，分辨率达0.07K。陶瓷材料：具有半导体材料的某些功能，但工作温度极限有很大的扩展。可制成温度、压力、气体传感器等4) 微细加工技术的发展：传感器的小型化为传感器的使用带来巨大的方便，微细加工可以制造出超小型而价格便宜的传感器。5) 新领域、新原理的发展：新领域：极限参数(超高、超低)，特殊参数(嗅觉、味觉、颜色识别等)新的化学反应、仿生学等开发出新的传感器新原理：激光、半导体、光导纤维、遥感技术、近代物理、信息论、自控理论等第2章 新型原理及新材料、新加工工艺一、 新型传感效应传感器利用看了诸多的效应(包括物理效应、化学反应和生物效应)和物理现象，如利用材料的压阻、压电、热电、光电及应变等效应，把力、热、光、磁或湿等被测量变换成电量。而新原理、新效应(如约瑟夫森效应)的发现和利用，新型材料的开发和应用，使传感器得到很大的发展，并逐步成为传感器发展的主流。因此，了解传感器所基于的各种效应，对传感器的深入理解、开发和使用是非常必要的。按引起传感效应的物理量来区分，新型传感效应可分为光效应、磁效应、力效应、化学效应、生物效应等。一）光效应(与光有关的效应：光电导效应、光伏效应等光电效应，克尔效应、光弹效应等电光效应，光的多普勒效应)1光电导效应：在光辐射作用下，材料的电导率发少变化，这种变化与光辐射强度呈稳定的对应关系，这种现象就是光电导效应。光电导效应属于内光电效应。 光电导器件(如光敏电阻)的光电流与入射光通量之间存在着一定的关系(称光电特性)，当器件两电极间加定值电压u时，光电流和照度关系曲线如图所示；光照度在10-1104lx范围内，光电流Ip，为式中E为人射光的光照度；gp称为光敏电阻的光电导；Sg为光电导灵敏度。若考虑暗电导g d产生的暗电流Id时，则流过光电导器件的电流I为典型的器件：光敏电阻2P-N结光伏效应当光照射P-N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-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UOC，这就是所谓的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将水远存在。光生电压UOC的大小与P-N结的性质及光照度有关。典型器件：光敏二极管、光敏三极管、硅光电池二）磁效应(法拉第效应、克尔效应等磁光效应，霍尔效应、磁阻效应等磁电效应，磁致伸缩、威德曼效应等压磁效应，约瑟夫效应，核磁共振等)1法拉第效应2霍尔效应三）力效应(压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、压阻效应等)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)五）多普勒效应二、 新型敏感材料传感器的敏感材料是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。按结晶状态可分为单晶、多晶、非晶和微晶等类；按电子结构和化学键可分为金属、陶瓷和聚合物等；按物理性质可分为超导体、导电体、半导体、介电体、铁血体、压电体、铁滋体、铁弹体、磁弹体等；按形态分有掺杂、微粉、薄膜、块状、纤维等；按功能可分为力敏、压敏、光敏、色敏、声敏、磁敏、气敏、湿敏等。由于近年来半导体材料、加工等技术的飞速发展，半导体敏感材料的应用最为广泛纤维、高分子材料在传感器技术中的应用也越来越多。像光电耦合器件、光纤传感器、生物传感器、化学传感器等基本上都使用上述材料。一）半导体敏材料半导体材料可以将多种非电量转换为电量，无论是光、声、热、磁、气、湿等都可以利用相应的半导体材料进行传感，其中基于半导体材料硅的传感器无论是种类还是性能都是十分突出的，这是由于硅的加工工艺十分成熟，很容易将传感器微型化、集成化、多功能和智能化。二）光导纤维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。但是，在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起在光纤中传输的光波的某些物理量发生变化，这些物理量包括光强、相位、频率、偏振态等。这些现象自然而然地引起人们的推测，如果能测量出光波中的物理量的变化大小，就可以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，于是就出现了光纤传感器了。三）高分子材料有机分于的分子骨格几乎都是由强化学键的键构成的，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。不过高分子材料也可以作为敏感材料，主要可以用作压电、热释电、光电材料等。四）石英材料三、 新加工工艺伴随着传感器的研究和开发、以及其它相关科技的发展，加工工艺特别是微细加工工艺得到了前所未有的进步。在20世纪后期，腐蚀、键合、光刻、薄膜、刻蚀、拉丝、激光、超声加工等等技术发展十分迅猛，微细加工已经进入纳米量级，并进而向0.1nm方向和分子或原子尺寸挺进；同时，借助于这些加工技术的发展，众多基于微电子加工的器件包括敏感器件的成本大幅下降，从而被广泛应用到利研、生产、军事、生活等各个领域。1） 薄膜加工工艺薄膜成膜的主要方法是蒸发、溅射以及化学气相淀积。蒸发和溅射这两种方法都需要在真空中进行。薄膜成膜的主要设备是真空镀膜机，真空镀膜机的钟罩为薄膜成膜提供真空环境。2） 光学曝光微加工工艺3） 激光微细加工4） 光纤制造技术参考：王元庆.新型传感器原理及应用。陈宜生.物理效应及其应用1-8,41-48 光效应9-16,49-56 磁效应17-24,57-64 力效应25-32,65-72 化学效应33-40,73-77 多普勒效应原理、对应的传感系统及应用。 周一上午完成，周二 汇报， （10分）自然规律与传感器传感器之所以能正确传递信息、具有信号转换的功能，是因为它利用了自然规律中的各种定律、法则和效应。因此对这些定律、法则、效应等的深入研究，无疑是理解、掌握和应用传感器的理论基础，而且有助于新型传感器的开发。这些基本定律和法则可归纳为四个方面：守恒定律、场的定律、统计法则和物质定律。本部分讨论这些定律和法则与传感器的关系。一、守恒定律守恒定律是自然界的最基本的定律，它包括能量、动量员和电荷量等守恒定律。利用能量守恒定律构成的传感器有空速管、孔板式和喷嘴式流量计等。例如，空速管或称比托(Pitot)管，它是根据流体的差压来测量非粘性流体(如空气)的流速，如图所示。它是由连在一起的两层同轴细玻璃管和差压传感器组成。测量时，正对流体的小口2处形成一个停滞点，故其流速为零，压力为P2(全压)，而侧口1由于与流体流动方向平行，由此该处的流速为待测流速，压力为P1(静压)。如果水平流动的流体是不可压缩的，且其流动是稳定的、无旋的和非粘滞性的，那么对于水平流管的口1和口2处，可用能量守恒伯努利方程来表示122+P1=P2=20gh被测流体的密度，0压力计内液体的密度，g重力加速度，h液位差实际使用时需要进行修正。二、场的定律场的定律是关于物质作用的定律，如动力场的运动定律、电磁场的感应定律和光的干涉现象等。物质在某时刻的作用与物休在空间的位置及分布状态有关，一般可用物理方程给出，这些方程可作为某些传成器工作的数学模型。而与这些定律有关的物理参数，通常与具体物质内部的结构(如成分、材质等)无关。例如，利用电磁感应定律和运动定律构成的磁电感应式(或称电动式)传感路，当其线圈以速度v垂直于磁场运动切割磁力线时，则在线圈中产生与运动速度成正比的感应电势e=lNbv，其中l为每匝线圈的平均长度，N为线圈匝数，B为磁感应强度。若用导电性的流体代替线圈，则可测得流体的流速。利用法拉第电磁感应定律构成的传感器有自感式传感器、互感式传感器、感应同步器和涡流式传感器。利用静电场有关定律构成的传感器有电容式传感器。利用光的直线传播定律、光波与光波之间的相互作用，即光的干涉、衍射现象、光的多普勒效应等，可以构成某些传感器，如光栅、光码盘、激光检测装置等，用来测量位移、转速、长度、振幅、细丝直径和速度等。 利用场的定律构成的传感器，其形状、尺寸等参数决定了传感器的量程、灵敏度等性能，因此这类传感器统称为结构型传感器。它们具有设计的自由度较大、选择材料的限制较小等优点，但体积一船较大，并且不易集成。三、统计法则统计法则是利用统计方法把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则常常与传感器的工作状态有关，是某些传感器的理论基础。但这方面的研究尚持进一步深入。利用奈奎斯特定理。由统计物理可知，电子热运动的涨落，在电阻R的两端产生热噪声的电位波动。奈奎所特定理指出，电阻R两端的热噪声电压Un的方均值为Un2=4kRfTK波尔兹曼常数k=1.38*10-23J/K f热噪声或称约翰逊噪声的频带宽度T绝对温度可见，利用热噪声和绝对温度的关系可以构成热噪声型热敏电阻。由于绝对温度与热噪声电压之间有确定的关系，因此它可作为标准温度计，用来直接测量绝对温度，而不需要用标准温度计进行校准。热噪声温度传感器的特性与电阻材料无关，具有测温范围宽的特点，可在高温高压下，在原子反应堆的放射线等恶劣环境下使用；不发生时效变化；测温精度高，测量1500以下的温度，精度可达0.10.5%等优点。但其输出电压极小，例如当T300K，R100，f100kHz时，输出Un只有410-7V。四、物质定律物质定律是表示各种物质本身内在性质的定律(或法则或规律)。物质的内在性质通常以这种物质所固有的物理常数加以描述，如胡克定律，它表示在外力不超过一定限度时弹性体中力和形变之间的关系，其比例系数称为弹性体的刚度系数，它就是弹性体所固有的物理常数。利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传惑器。这些传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理常数所决定，也即与物质的材料密切相关。例如，利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿度和霍尔等效应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度和磁场等传感器；利用压电材料所具有的压电效应可制成压电式、声表面波和超声波等传感器。由于利用物质定律的物性型传感器具有构造简单、体积小、无可动部件反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等特点，因此是当代传感技术领域中具有广阔发展前景的传感器。与物质所固有的物理常数有关的各种现象可分为三大类：热平衡现象、传翰现象和量子现象。第3章 传感器的能量变换和信号变换3.1 信息与能量一、 信息-能量理论基础1信息的概念 1)定义： 对于信息的含义，人们从不同的角度做出了多种描述：“信息就是谈论的事情、新闻和知识”(牛津辞典)；“信息，就是在观察或研究过程中获得的数据、新闻和知识”(韦氏字典)；“信息是所观察事物的知识”(广辞苑)；“信息是通信系统传输和处理的对象，泛指消息和信号的具体内容和意义，通常需通过处理和分析来提取”(辞海1989年版)。尽管众说纷纭，但广义上可做如下概括：信息是能够通过文字、图像、声音、符号、数据等为人类获知的知识。然而，对信息的概念仅仅做这样的描述是远远不够的。那么，到底什么是信息呢？一般来说，信息是指与客观事物相联系，反映客观事物的运动状态，通过一定的物质载体被发出、传递和感受，对接受对象的思维产生影响并用来指导接受对象的行为的一种描述。从本质上说，信息是反映现实世界的运动、发展和变化状态及规律的信号与消息。2)信息的十大特征信息有十个基本特征：1 可量度。信息可采用某种度量单位进行度量，并进行信息编码。如现代计算机使用的二进制。2 可识别。信息可采取直观识别、比较识别和间接识别等多种方式来把握。3 可转换。信息可以从一种形态转换为另一种形态。如自然信息可转换为语言、文字和图像等形态，也可转换为电磁波信号或计算机代码4 可存储。信息可以存储。大脑就是一个天然信息存储器。人类发明的文字、摄影、录音、录像以及计算机存储器等都可以进行信息存储5 可处理。人脑就是最佳的信息处理器。人脑的思维功能可以进行决策、设计、研究、写作、改进、发明、创造等多种信息处理活动。计算机也具有信息处理功能。6 可传递。信息的传递是与物质和能量的传递同时进行的。语言、表情、动作、报刊、书籍、广播、电视、电话等是人类常用的信息传递方式。7 可再生。信息经过处理后，可以其他形式再生。如自然信息经过人工处理后，可用语言或图形等方式再生成信息。输入计算机的各种数据文字等信息，可用显示、打印、绘图等方式再生成信息。8 可压缩。信息可以进行压缩，可以用不同的信息量来描述同一事物。人们常常用尽可能少的信息量描述一件事物的主要特征。9 可利用。信息具有一定的实效性和可利用性。10 可共享。信息具有扩散性，因此可共享。3)信息的传播信息需要传播。信息如果不能传播，信息的存在就失去了意义。那么什么是传播呢？发出信息与接受信息就是信息的传播。我们说话、写文章、做事情，就是在进行传播；我们听别人讲话，看别人写的文章，了解别人所从事的工作，就是在接受传播。我们所以有知识，是因为我们生活在一个信息传播的社会里。在人类社会中，传播似乎是一个幽灵，它无时不在，无处不在。因此，没有传播，也就没有社会，人类也就无法生存下去。当一个人独处时，传播其实也在进行。沉思冥想是一种内心的传播；思考是自己和自己进行讨论，并传达某种信息；写日记或者阅读书籍，那就更是一种传播了。在人类社会中，传播是普遍存在的。信息传播的3种主要形式当人类有了语言、文字和绘画等传递信息的手段之后，人类就脱离了动物的蒙昧状态，进入到文明社会。因为信息的交流使人类可以掌握更多的经验和知识，从而向前发展。语言用声音来传递信息，文字用书写符号来传递信息，绘画用图像来传递信息。声音、符号、图像就成为人类传播信息的主要形式。人类只有通过这种表达才能够互相沟通和理解。因此我们可以说，声音、符号和图像是人类所特有的3种信息形式。4)人类信息活动经历了5次巨大变革整个人类的进化史，同时也是一部人类信息活动的演进史。在人类的整个历史发展中，经历了次巨大的信息变革。每一次信息变革都对人类社会的发展产生巨大的推动力，带来飞跃式的进步。这次信息革命依次为：语言的诞生、文字的诞生、印刷术的诞生、利用电磁波和计算机技术。它们将人类历史划分成种信息时代。 语言的产生标志着人类信息活动的范围和效率的飞跃性提高人类的信息活动从具体走向抽象。 文字打破了时间和空间的限制，使信息可以传得更久，传得更远。 印刷术的发明使人类信息传递的速度和范围急剧地扩展，人类信息的存储能力进一步加强，并初步实现了广泛的