蓝色--第1章敏感材料与传感器绪论

敏感材料与传感器主讲者：李方强Phone：15850813980Email:[e-mail]本门课程的主要内容一、传感器与敏感材料绪论二、敏感材料及应用模块主讲四类材料：金属敏感材料、陶瓷敏感材料、半导体敏感材料、有机敏感材料。三、传感器专题讲座模块主讲：压力、温度、红外、光电、光纤、生物、智能传感器七个小部分。四、材料与传感器加工工艺模块材料加工工艺：（磁控溅射、CVD等）；器件加工工艺：LIGA、体硅、表面等工艺。相关实验模块主要参考资料1、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。2、樊尚春，刘广玉，新型传感器技术及应用，中国电力出版社，2005。3、陈艾，敏感材料与传感器。化学工业出版社，2004.第一章绪论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。转换电路输出敏感元件电源输入绪论绪论绪论压敏电阻硅硅硅-金共熔键合面“发现号”燃料传感器故障导致“发现号”推迟发射。绪论转换电路物理信息化学信息生物信息电信号光信号敏感元件传感器敏感材料传感功能结构变换处理1.2传感器示意图绪论•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——材料与功能绪论变换处理电路——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——处理电路绪论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——传感定律绪论汽车油箱中汽油液位测量装置RR'浮子---敏感元件杠杆---变换元件，变阻器---传感元件，将角位移变成电阻变化将角位移变成另一角位移1.3传感器实例材料学物理化学生物学电子学电路与系统机械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1.4传感器技术定义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。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敏感材料基本特性绪论1.5.1敏感材料?敏感材料：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敏感材料的特性半导体材料半导体材料最主要的特点：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1.6传感器的地位、作用及应用领域美国，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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1.6传感器的地位、作用及应用领域传感器的基本构成型式1.自源型2.带激励源型3.外源式4.相同传感器的补偿型5.差动结构补偿型6.不同传感器的补偿型第2节传感器基本构成型式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：①不需要外能源；②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；③输出能量较好。例子：热电偶，压电器件等。自源型(1)敏感元件输入输出第2节传感器基本构成型式带激励源型(2)敏感元件辅助能源输入输出带激励源型——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特点：①由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成；②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)转换电路输出敏感元件电源输入第2节传感器基本构成型式敏感元件敏感元件输入输出环境量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)敏感元件敏感元件电源输出输入环境量（转换电路）＋－第2节传感器基本构成型式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。敏感元件敏感元件电源输出输入环境量转换电路不同传感器的补偿型(6)第2节传感器基本构成型式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第2节传感器——举例温度传感器压力传感器/变送器非致冷红外传感器（1）第2节传感器——举例非致冷红外传感器（2）第2节传感器——举例离子感烟器第2节传感器——举例明火探测器第2节传感器——举例课堂小结1.信息科学与敏感材料关系?2，什么传感器，其地位、分类、构成、原理，与生活的关系?3，敏感材料的定义，分类，构成，原理及涉及的因素?4,传感器的类型？思考？我们要研究由敏感材料构建的传感器，研究那些内容？如何展开研究？气体传感器第2节传感器——举例半导体敏感元件第2节传感器——举例薄膜SnO2气敏传感器结构厚膜SnO2气敏传感器结构第2节传感器——举例接触燃烧式气敏传感器结构第2节传感器——举例湿度传感器第2节传感器——举例Fe3O4湿敏元件构造第2节传感器——举例MgCr2O4－TiO2半导体陶瓷湿敏元件结构示意图第2节传感器——举例电容型湿度传感器结构第2节传感器——举例温湿度传感器第2节传感器——举例尿酸用固定化酶膜传感器第2节传感器——举例测Ｈ2Ｏ2生成量的葡萄糖传感器H2O22H++O2+2e试样＋缓冲液第2节传感器——举例免疫FET第2节传感器——举例半导体生物传感器二氧化硅(SiO2)氮化硅(Si3N4)酶敏感膜漏极源极铝引线p-Sin+n+第2节传感器——举例小结1.传感器和敏感材料的定义；2.传感器的作用、常见结构、工作原理；3.敏感材料的分类，特点；4.常见实例；