第1章前言及传感器技术的现状及发展.

电子科技大学微电子与固体电子学院1《传感技术》总学时：32任课教师：黄文电子科技大学微电子与固体电子学院2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。③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。电子科技大学微电子与固体电子学院3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%）电子科技大学微电子与固体电子学院4先修课程固体物理学半导体物理学(?)光学原理(?)电子科技大学微电子与固体电子学院5联系方式黄文Email:[e-mail]办公室地址：211-1210电子科技大学微电子与固体电子学院6第1章传感器技术研究现状及发展第2章传感器的基本特性第3章应变式传感器第4章温度传感器第5章压电式传感器第6章压阻式传感器第7章新型红外传感器第8章新型气体传感器及阵列第9章电子聚合物基湿度传感器主要内容电子科技大学微电子与固体电子学院7第一章传感器技术研究现状及发展电子科技大学微电子与固体电子学院8信息技术的三大支柱传感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电子科技大学微电子与固体电子学院9一、传感器与传感器技术二、传感器的组成、分类及发展趋势三、传感器技术的特点及发展动向四、传感器的基本要求五、传感器研究热点与方法第1章传感器技术的现状与发展传感技术的大背景电子科技大学微电子与固体电子学院10一、传感器与传感技术什么叫传感器？什么叫传感器技术？思考：汽车飞机传感器类型与数量电子科技大学微电子与固体电子学院11Autopilot自动辅助驾驶如何感知高度?电子科技大学微电子与固体电子学院12一般非电量电测法传感系统的组成非电量电测法测试系统的组成人为驱动信号驱动装置对象被测标定装置信号标准控制系统传感器中间电路显示记录观察者电子科技大学微电子与固体电子学院13非电量电测法测试系统的各部分的作用1.传感器(Transducer/Sensor)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.2.中间电路将传感器输出的微弱电信号进行再次变换、放大、衰减、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。电子科技大学微电子与固体电子学院143.显示与记录器将中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。4.驱动装置产生人为驱动信号，是被测对象处于人为的工作状态下，把内部特性表现得更明显。5.标定装置产生标准输入以便用实验的方法来得到被测量与显示记录之间准确地量的关系。电子科技大学微电子与固体电子学院15什么叫传感器？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国家标准GB7665-87，对传感器(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。电子科技大学微电子与固体电子学院16传感器满足定律1.守恒定律：包括能量,动量,电荷量等守恒定律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.电子科技大学微电子与固体电子学院17传感器实例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电子科技大学微电子与固体电子学院18被测量敏感元件传感元件信号调节转换电路辅助电源电量电子科技大学微电子与固体电子学院19例：应变式力传感器F应变片弹性膜片传感元件应变片敏感元件弹性膜片电子科技大学微电子与固体电子学院20什么是传感器技术？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电子科技大学微电子与固体电子学院21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。电子科技大学微电子与固体电子学院22传感器应用领域工业自动化农业现代化军事工程航天技术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家用电器电子科技大学微电子与固体电子学院23智能机器人●视觉感应器●水平感应器：由红外线感应器和CCD摄像机构成●超音波感应器：以音波测量3m范围内的物体●陀螺仪和加速度检测仪电子科技大学微电子与固体电子学院24各国对传感器的重视程度美国西欧中国尤里卡计划八五-〉十三五白宫计划脑计划电子科技大学微电子与固体电子学院25二、传感器的组成、分类及发展趋势传感器的基本构成型式传感器的分类传感器的发展趋势电子科技大学微电子与固体电子学院26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电子科技大学微电子与固体电子学院27传感器的基本构成（6种）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：热电偶，压电器件等敏感元件输入输出自源型（61）电子科技大学微电子与固体电子学院28传感器的基本构成（6种）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:某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器敏感元件辅助能源输入输出带激励源型（62）电子科技大学微电子与固体电子学院29传感器的基本构成（6种）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.外源式（63）转换电路输出敏感元件电源输入特点电子科技大学微电子与固体电子学院30传感器的基本构成（6种）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作用：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。相同传感器的补偿型（64）敏感元件敏感元件输入输出环境量电子科技大学微电子与固体电子学院31传感器的基本构成（6种）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。如压差传感器差动结构补偿型（65）敏感元件敏感元件电源输出输入环境量（转换电路）＋－电子科技大学微电子与固体电子学院32传感器的基本构成（6种）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6）敏感元件敏感元件电源输出输入环境量转换电路电子科技大学微电子与固体电子学院33传感器的分类分类方法说明举例按输入量分类传感器以被测物理量分类，也即按用途分类，便于用户选择。位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等按工作原理分类（变换原理）传感器以工作原理命名，便于生产厂家专业生产。应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按物理现象分类（信号变换特征）结构型传感器依赖其结构参数变化实现信息转换电容式传感器：利用电容极板间隙或面积的变化C物性型传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换压电式传感器：压电效应，力电荷热电偶：热电效应按能量关系分类能量转换型传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量温度计：吸收被测物的能量磁电式：线圈切割磁力线感应电势能量控制型由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量电容传感器：需外部供电，使x(t)C电流或电压按输出信号分类模拟式输出量为模拟量数字式输出量为数字量电子科技大学微电子与固体电子学院34常用分类方法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。电子科技大学微电子与固体电子学院35温度传感器电子科技大学微电子与固体电子学院36离子感烟器电子科技大学微电子与固体电子学院37明火探测器电子科技大学微电子与固体电子学院38气体传感器电子科技大学微电子与固体电子学院39薄膜SnO2气敏传感器结构厚膜SnO2气敏传感器结构电子科技大学微电子与固体电子学院40光电耦合阵列传感器(1）电子科技大学微电子与固体电子学院41非致冷红外传感器（2）电子科技大学微电子与固体电子学院42柔性电生传感器超柔电子器件与动物大脑的高效集成的可能性仿表皮电子器件，展现与人体皮肤自然粘附及柔性射频的可能性（NatureMaterials9:511-517,2010）（Science333,838-843,2011）电子科技大学微电子与固体电子学院43三、传感器技术的特点及发展动向传感器技术的特点传感器技术的发展动向电子科技大学微电子与固体电子学院44传感器技术的特点1.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。2.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。3.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。4.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。5.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，等等。6.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。电子科技大学微电子与固体电子学院451.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、网络化发展传感器技术的发展动向电子科技大学微电子与固体电子学院461.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电子科技大学微电子与固体电子学院472.微机械加工工艺的发展平面电子加工工艺技术固相键合工艺技术机械切割技术整体封装工艺技术微机械加工工艺电子科技大学微电子与固体电子学院483.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、NH3四种气体电子科技大学微电子与固体电子学院494.传感器的智能化发展传感器微处理器+智能化