第1章前言及传感器技术的现状及发展.ppt

1,第1章传感器技术的现状及发展（4学时）第2章传感器的一般特性（3学时）第3章应变式力学量传感器（3学时）第4章压电式力学量传感器（3学时）第5章光电式传感器(3学时)第6章温度传感器(4学时)第7章红外传感器(4学时)第8章光纤传感器(3学时)第9章气体传感器(4学时)第10章湿度传感器(4学时)第11章生物传感器(3学时)第12章机器人传感器(2学时)第13章智能传感器(2学时)第14章传感器的标定(2学时)第15章前沿专题(6学时),课程教学内容（50学时）,2,内容：结合教学内容选择设计题目，查阅相关资料进行设计方式：大组进行。设计、讨论、点评要求：完成后提交合格的课程设计报告,课程设计及讨论（14学时）,3,敏感材料与传感器，蒋亚东，谢光忠编著，电子科技大学出版社,2008.4,传感器原理、设计与应用，刘迎春、叶湘滨等，国防工业出版社，2001.4光学传感与测量安毓英、曾小东，电子工业出版社，2001年。敏感元器件及材料，吴兴惠，电子工业出版社，1992.7现代新型传感器原理与应用，刘迎春、叶湘滨等，国防工业出版社，2000.5激光光电检测，吕海宝，国防科技大学出版社，2000年。光纤测量与传感技术孙圣和、王廷云、徐影，哈尔滨工业大学出版社，2002年,教材：,参考书目：,课件参考（1）网络学堂光电信息学院传感技术（2）精品课程2005传感技术,5,先修课程,固体物理学半导体物理学模拟电子电路光学工程,Theimportantthinginlifeistohaveagreataim,andthedeterminationtoattainit.JohannWolfgangvonGoethe（德国诗人、剧作家歌德）,一、传感器二、传感器技术三、传感器研究方法与研究思路四、课程组传感技术研究成果,第1章传感器技术的现状与发展,8,1、传感器的地位和作用人通过五官（视、听、嗅、味、触）获取外界信息，经过大脑思维（即信息处理）后做出相应的判断或动作；自动化测试系统中信息的获取则是靠传感器来完成，相当于人的五官部分（“电五官”），信息处理则由计算机（“电脑”）完成。,一、传感器,9,人体系统与自动化测试系统功能模块对比,一般非电量电测法测试系统的组成,11,目前人类社会已经进入信息时代，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器这个感觉器官来获取。同时随着微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展，传感器作为信息采集的前端原件，其重要性已变得越来越明显。,12,2、传感器(Sensor)定义国标定义：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。定义二：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系、且便于应用的某种物理量的测量装置。狭义定义：将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。,13,被测量,电信号,电信号易于处理、存储和传输,机械、热、磁、电、化学、辐射,区别：换能器(Transducer)-是一种将信号从一种物理量形式转换为另一种物理形式的装置，因此换能器是一种能量变换器。若换能器是将其他形式的信号转换为电信号输出，则称其为传感器。有时候传感器与换能器作为同义语使用，不过传感器的含义侧重于帮助人们获取那些潜在或微不足道的而使人的感官不能觉察的物理信息的装置。,从传感器的定义中我们可以获得如下一些信息：传感器是一种测量装置；传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量，生物量；传感器的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示、存储等。可以是机械信号，光信号等，但主要是电信号；传感器的输入和输出量之间有对应关系，且应该有一定的精度。,15,3、传感器的组成,传感器一般由敏感元件和转换电路构成：敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换电路：以敏感元件输出为输入，对其进行放大、滤波、调制等处理，使之成为便于显示、记录和处理的信息。,16,有些传感器很简单，仅由一个敏感元件组成，它感受被测量时直接输出电量。如：热电偶、热敏电阻；,有些传感器在敏感元件后往往还要增加一个或多个转换元件，将被测量进行一定转换后再接转换电路。如汽车油箱中汽油液位测量装置以及应变式力传感器。,17,18,转换元件,应变片,敏感元件,弹性膜片,应变式力传感器,19,是仅含转换元件的最简单，最基本的传感器构成型式，也称为简单传感器。特点：不需要外能源；其传感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：热电偶、压电器件等,自源型,4、传感器的基本构成（6种）,20,为转换元件外加辅助能源构成的型式，其中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)电路才有适当的电信号输出例:某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器,带激励源型,21,由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成它必须通过带外电源的变换(测量)电路，才能获得电量输出。例：热敏电阻,外源式,22,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，通过电路，利用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。,相同传感器的补偿型,23,它也采用了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。如应变电桥,差动结构补偿型,24,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。例：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,5.传感器的分类,传感器种类繁多，分类方式也有很多。目前最常用的分类方式是如下两种。,按工作原理分类,电阻式、电容式、霍尔传感器、光电式（红外、光纤）、超声波式、压电式、电化学式、谐振式，等等。,按被测量分类,6.传感器的应用,目前，传感器已广泛应用于各个领域，例如：工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全防卫、医疗诊断、家用电器等。,各国对传感器的重视程度,传感器技术是国防武器装备的核心关键技术之一,29,足够的容量传感器的工作范围或量程足够大，且具有一定的过载能力灵敏度高，精度适当，响应速度快稳定性高，可靠性好实用性和适用性强体积小，重量轻，对被测对象影响小；其输出力求采用通用或标准形式使用经济成本低，寿命长，便于维护和校准,7.对传感器的一般要求,30,温度传感器,8、传感器实例,31,离子感烟器,传感器实例,32,明火探测器,传感器实例,33,气体传感器,传感器实例,34,温湿度传感器,传感器实例,35,非致冷红外传感器(1),传感器实例,36,非致冷红外传感器(2),传感器实例,37,涉及多学科与技术，包括材料科学、精密机械、微电子、微机械加工工艺、材料力学、弹性力学、计算机技术、物理学、生物化学、测试技术等。品种繁多，被测参数包括热工量、电工量、化学量、物理量、机械量、生物量、状态量等。应具有高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞、快响应和良好的环境适应性。,9、传感器的技术特点,应用领域广泛，无论是高新技术，还是传统产业，都需要应用大量的传感器。应用要求千差万别，有的量大面广，有的专业性很强；有的要求高精度，有的要求高稳定性，有的要求高可靠性；有的要求耐振动，有的要求防爆，等。发展相对缓慢。但一旦成熟，其生命力强，如应变式传感技术已有70年的历史，目前仍然占有重要的地位。,Youhavetobelieveinyourself.Thatsthesecretofsuccess.CharlesChaplin（卓别林）,二、传感器技术,1.什么是传感（器）技术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。,41,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,42,2.传感器技术的重要性,传感器是自动化系统和信息系统的关键性基础器件，是获取自然和科学领域中信息的主要途径与手段。,传感器技术是信息技术的三大核心技术之一。,43,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,传感器技术的发展制约着现代社会的发展。,目前，作为人脑模拟的计算机技术发展极为迅速，然而模拟人感官的传感器发展相对较慢。没有信息的获取，信息传输和处理就无从谈起；现代社会要求传感器、计算机、通信三者相互协调发展。,45,1.新材料、新功能的开发应用2.微机械加工工艺的发展3.传感器的多功能化发展4.传感器的智能化发展,3.传感器技术的发展动向,1.新材料、新功能的开发应用,此外，一些化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、形状记忆合金材料等在传感器技术中得到了成功地应用。,半导体硅材料,石英晶体材料,功能陶瓷材料,其他材料,敏感元件是基于敏感材料的各种物理、化学、生物效应和现象的。新效应的发现，新型敏感材料的开发是新型传感器问世的重要基础。如利用直流Josephson效应（一种超导体超导电流的量子干涉效应）研制成的超导量子干涉仪（SQUID），可用于测量人体心脏和脑活动时的微磁场变化，分辨力高达10-13T。,48,2.微机械加工工艺的发展,传感器的集成化、微型化和多功能化微纳米技术和微机械加工技术的发展，为传感器的微型化、集成化和多功能化铺平了道路。微型传感器（或微传感器）的显著特征是体积微小，集成度高，可在同一芯片上实现多个传感器功能。如日本研制出2.5mm0.5mm的微传感器，可用导管直接送入心脏，可同时检测Na、K和H离子浓度；又如目前国外积极开展的纳米机器人的研发工作，也是基于微纳米技术。,MEMS是一项国际公认的战略高技术。,1988年，UCBerkeley研制的硅静电马达(转子直径120微米，电容间隙2微米)问世，引起轰动。专家预言，它的意义可与当年晶体管的发明相比。,51,3.传感器的多功能化发展,一种同时检测Na+、K+和H+离子的传感器,一种多功能气体传感器能够同时测量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四种气体,52,4.传感器的智能化发展,有线智能传感器及网络无线智能传感器及网络,传感器的智能化智能传感器是指具有判断和学习能力的传感器，其开发已在众多国家蓬勃开展。它不仅能实现信息的探测、处理、逻辑判断和双向通讯，而且具有自我检测、校正、补偿等多种功能。预计未来10年，传感器智能化将首先发展成由微传感器、微处理器、微执行器和接口电路等模块组成的闭环传感系统。这些模块都可以集成到同一块芯片上。,仿生传感器大自然是生物传感器的优秀设计师。它经过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身的人类本身，而且还涉及了许许多多功能奇特、高超的生物传感器。如狗的嗅觉（灵敏度为人的一百万倍），鸟的视觉（为人类8-50倍），蝙蝠、海豚的听觉（超声波传感器），蛇的接近觉（可分辨0.001），等等。这些动物的感官性能是当今传感技术所企及的目标。,58,传感器,敏感机理,敏感材料选择,结构设计,工艺优化,三、传感器研究方法与研究思路,59,传感器研究思路,研究传感器，首先得从研究敏感材料入手，研究敏感材料对外界物理、化学变化的敏感特性，包括响应时间，变化规律，以及外界其他物理、化学环境变化对敏感材料敏感特性得影响设计合适的传感功能结构。考虑将敏感材料镀在什么样的器件结构上才使得敏感材料能够发挥好其敏感特性制备工艺的研究后端对信号的处理电路，包括放大电路、滤波电路等。,微叉指电极阵列,OTFT（有机薄膜晶体管）,61,四、课程组传感技术研究成果,62,研究方向动态,63,重点研究领域,化学传感器,生化毒剂传感器,64,创新性成果1,电子聚合物线性耐高温湿敏传感器,建立了聚酰亚胺（PI）膜对H2O物理吸附的H键模型确立了PI基耐高温线性湿敏传感器的应用技术依据提出了基本型电容式器件结构,全湿线性检测、响应快,机电部科技进步二等奖,65,创新性成果2,通过分子设计，确定了非线性湿敏传感器的电阻传感复合模式；优化了复合膜组分与成膜工艺技术；提出了电子电导与尺寸效应相结合的机理，并建立了相应的数学模型。,高湿突变开关点可调,率先在国际上研制出具有高湿(80100%RH)突变开关点可调、响应快、耐污染的非线性湿敏传感器。,国家技术发明四等奖,非线性湿敏传感器（含结露传感器）,66,创新性成果3,采用化学氧化聚合和电化学聚合法合成了聚苯胺自组装所需原材料提出了采用掺杂诱导沉积法制备聚苯胺自组装超薄复合敏感膜设计了平面梳状电极结构研究了NO2气体传感器敏感特性及机理,研制出了具有体积小、响应快、常温下使用的NO2气体传感器。,四川省科技进步二等