前言及傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

前言及傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展第1頁/共80頁2

主要參考資料蔣亞東，謝光忠編著.敏感材料與傳感器.電子科技大學(xué)出版社，2008年。劉迎春，葉湘濱等著.現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用.國防工業(yè)出版社，2000年5月。張福學(xué)著，現(xiàn)代壓電學(xué).科學(xué)出版社，2002年6月。作業(yè)4次,每2章(前8章范圍)一次作業(yè)。第2頁/共80頁3考試方式考核方式：閉卷筆試成績評定：平時考核成績（30%）期末考試成績（70%）第3頁/共80頁4先修課程固體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)(?)

光學(xué)原理

(?)第4頁/共80頁5聯(lián)系方式黃文Email:uestchw@

辦公室地址：211-1210第5頁/共80頁6第1章傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展第2章傳感器的基本特性第3章應(yīng)變式傳感器第4章溫度傳感器第5章壓電式傳感器第6章壓阻式傳感器第7章新型紅外傳感器第8章新型氣體傳感器及陣列第9章電子聚合物基濕度傳感器主要內(nèi)容第6頁/共80頁7第一章

傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

第7頁/共80頁8信息技術(shù)的三大支柱傳感技術(shù)采集信息通信技術(shù)計算機技術(shù)傳輸信息處理信息作用作用作用第8頁/共80頁9一、傳感器與傳感器技術(shù)二、傳感器的組成、分類及發(fā)展趨勢三、傳感器技術(shù)的特點及發(fā)展動向四、傳感器的基本要求五、傳感器研究熱點與方法第1章傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展傳感技術(shù)的大背景第9頁/共80頁10一、傳感器與傳感技術(shù)什么叫傳感器？什么叫傳感器技術(shù)？思考：汽車飛機傳感器類型與數(shù)量第10頁/共80頁11Autopilot自動輔助駕駛?cè)绾胃兄叨?第11頁/共80頁12一般非電量電測法傳感系統(tǒng)的組成第12頁/共80頁13非電量電測法測試系統(tǒng)的各部分的作用

1.

傳感器(Transducer/Sensor)能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成.2.

中間電路將傳感器輸出的微弱電信號進行再次變換、放大、衰減、濾波、調(diào)制和解調(diào)等，使它們成為便于顯示、記錄或進行數(shù)據(jù)處理的信號。第13頁/共80頁143.顯示與記錄器將中間變換與測量電路送來的電壓或電流信號不失真地顯示和記錄出來。4.

驅(qū)動裝置產(chǎn)生人為驅(qū)動信號，是被測對象處于人為的工作狀態(tài)下，把內(nèi)部特性表現(xiàn)得更明顯。5.標(biāo)定裝置產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸入以便用實驗的方法來得到被測量與顯示記錄之間準(zhǔn)確地量的關(guān)系。第14頁/共80頁15什么叫傳感器？轉(zhuǎn)換電路物理信息化學(xué)信息生物信息電信號光信號敏感元件傳感器敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分轉(zhuǎn)換電路指傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適合于傳輸和測量的電信號部分國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87，對傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成。第15頁/共80頁16傳感器滿足定律守恒定律：包括能量,動量,電荷量等守恒定律場的定律：包括動力場的運動定律,電磁場的感應(yīng)定律等,其作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關(guān)物質(zhì)定律：它是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律,如虎克定律,歐姆定律等通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)加以描述.統(tǒng)計法則：它是把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則.這些法則常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān).第16頁/共80頁17傳感器實例第17頁/共80頁18被測量敏感元件傳感元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路輔助電源電量第18頁/共80頁19例：應(yīng)變式力傳感器

第19頁/共80頁20什么是傳感器技術(shù)？材料學(xué)物理化學(xué)生物學(xué)電子學(xué)電路與系統(tǒng)機械傳感器技術(shù)傳感檢測原理傳感器件設(shè)計傳感器開發(fā)和應(yīng)用第20頁/共80頁21傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)是一個匯聚物理,化學(xué),材料,器件,機械,電子,生物工程等多類型交叉學(xué)科，涉及傳感檢測原理,傳感器件設(shè)計,傳感器開發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù)。第21頁/共80頁22傳感器應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動化農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化軍事工程航天技術(shù)機器人技術(shù)資源探測海洋開發(fā)環(huán)境監(jiān)測安全保衛(wèi)醫(yī)療診斷家用電器第22頁/共80頁23智能機器人●

視覺感應(yīng)器●水平感應(yīng)器：由紅外線感應(yīng)器和CCD攝像機構(gòu)成●超音波感應(yīng)器：以音波測量3m范圍內(nèi)的物體●陀螺儀和加速度檢測儀

第23頁/共80頁24各國對傳感器的重視程度美國西歐中國尤里卡計劃八五-〉十三五白宮計劃腦計劃第24頁/共80頁25二、傳感器的組成、分類及發(fā)展趨勢傳感器的基本構(gòu)成型式傳感器的分類傳感器的發(fā)展趨勢第25頁/共80頁26傳感器的基本構(gòu)成型式自源型帶激勵源型外源式相同傳感器的補償型差動結(jié)構(gòu)補償型不同傳感器的補償型第26頁/共80頁27傳感器的基本構(gòu)成（6種）自源型－為僅含轉(zhuǎn)換元件的最簡單，最基本的傳感器構(gòu)成型式特點：①不需要外能源；②其轉(zhuǎn)換元件具有從被測對象直接吸取能量，并轉(zhuǎn)換成電量電效應(yīng)；③輸出能量較好例：熱電偶，壓電器件等敏感元件輸入輸出自源型（61）第27頁/共80頁28傳感器的基本構(gòu)成（6種）帶激勵源型－為轉(zhuǎn)換元件外加輔助能源構(gòu)成的型式輔助能源：起激勵作用,可以是電源也可以是磁源特點：需要變換(測量)電路即有較大的電量輸出例:某些磁電式和霍爾等電磁感應(yīng)式傳感器敏感元件輔助能源輸入輸出帶激勵源型（62）第28頁/共80頁29傳感器的基本構(gòu)成（6種）由利用被測量實現(xiàn)阻抗變換的轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成它必須通過帶外電源的變換(測量)電路.才能獲得電量輸出.外源式（63）轉(zhuǎn)換電路輸出敏感元件電源輸入特點第29頁/共80頁30傳感器的基本構(gòu)成（6種）采用兩個原理和特性完全相同的轉(zhuǎn)換元件，并置于同一環(huán)境中作用：其中一個接受輸入信號和環(huán)境影響，另一個只接受環(huán)境影響，通過線路，使后者消除前者的環(huán)境干擾影響。這種構(gòu)成法在應(yīng)變式、固態(tài)壓阻式等傳感器中常被采用。相同傳感器的補償型（64）敏感元件敏感元件輸入輸出環(huán)境量第30頁/共80頁31傳感器的基本構(gòu)成（6種）它也采用了兩個原理和特性完全相同的轉(zhuǎn)換元件，同時接收被測輸入量，并置于同一環(huán)境中。巧妙的是，兩個轉(zhuǎn)換元件對被測輸入量作反向轉(zhuǎn)換，對環(huán)境干擾量作同向轉(zhuǎn)換，通過變換（測量）電路使有用輸出量增加，干擾量相消。如壓差傳感器差動結(jié)構(gòu)補償型（6

5）敏感元件敏感元件電源輸出輸入環(huán)境量（轉(zhuǎn)換電路）＋－第31頁/共80頁32傳感器的基本構(gòu)成（6種）采用兩個原理和性質(zhì)不相同的轉(zhuǎn)換元件，且不一定置于同一環(huán)境處，其中一個接受信號，并已知其受環(huán)境影響的特性，另一個接受環(huán)境影響量，并通過電路向前者提供等效的抵消環(huán)境影響的補償信號如采用熱敏元件的溫度補償，采用壓電補償片的溫度和加速度干擾補償?shù)取２煌瑐鞲衅鞯难a償型（66）敏感元件敏感元件電源輸出輸入環(huán)境量轉(zhuǎn)換電路第32頁/共80頁33傳感器的分類分類方法說明舉例按輸入量分類傳感器以被測物理量分類，也即按用途分類，便于用戶選擇。位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等按工作原理分類（變換原理）傳感器以工作原理命名，便于生產(chǎn)廠家專業(yè)生產(chǎn)。應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等按物理現(xiàn)象分類（信號變換特征）結(jié)構(gòu)型傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換電容式傳感器：利用電容極板間隙或面積的變化

C物性型傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換壓電式傳感器：壓電效應(yīng)，力電荷熱電偶：熱電效應(yīng)按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量溫度計：吸收被測物的能量磁電式：線圈切割磁力線感應(yīng)電勢能量控制型由外部供給傳感器能量，而由被測量來控制輸出的能量電容傳感器：需外部供電，使x(t)C電流或電壓按輸出信號分類模擬式輸出量為模擬量數(shù)字式輸出量為數(shù)字量第33頁/共80頁34常用分類方法傳感器按其敏感的工作原理，可以分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類。物理型傳感器分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器，物性型傳感器基于某些功能材料本身具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)感受被測量。結(jié)構(gòu)型傳感器以敏感結(jié)構(gòu)具有的特定的物理規(guī)律來感受被測量?；瘜W(xué)傳感器利用電化學(xué)反應(yīng)原理來感受物質(zhì)的成分、濃度。常用的是離子敏傳感器，利用離子選擇性電極，測量溶液的pH值或某些離子的活度，如K、Na、Ca等。生物傳感器利用生物活性物質(zhì)選擇性的識別和測定實現(xiàn)測量，主要由兩大部分組成：一為功能識別物質(zhì)，由其對被測物質(zhì)進行特定識別；其二是電、光信號轉(zhuǎn)換裝置，由其把被測物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘?。?4頁/共80頁35溫度傳感器第35頁/共80頁36離子感煙器第36頁/共80頁37明火探測器第37頁/共80頁38氣體傳感器第38頁/共80頁39薄膜SnO2氣敏

傳感器結(jié)構(gòu)厚膜SnO2氣敏傳感器結(jié)構(gòu)第39頁/共80頁40光電耦合陣列傳感器(1）第40頁/共80頁41非致冷紅外傳感器（2）第41頁/共80頁42柔性電生傳感器超柔電子器件與動物大腦的高效集成的可能性仿表皮電子器件，展現(xiàn)與人體皮膚自然粘附及柔性射頻的可能性（NatureMaterials9:511-517,2010）（Science333,838-843,2011）第42頁/共80頁43三、傳感器技術(shù)的特點及發(fā)展動向傳感器技術(shù)的特點傳感器技術(shù)的發(fā)展動向第43頁/共80頁44傳感器技術(shù)的特點涉及多學(xué)科與技術(shù)，包括材料科學(xué)、精密機械、微電子、微機械加工工藝、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、計算機技術(shù)、物理學(xué)、生物化學(xué)、測試技術(shù)等。品種繁多，被測參數(shù)包括熱工量、電工量、化學(xué)量、物理量、機械量、生物量、狀態(tài)量等。應(yīng)具有高穩(wěn)定性、高可靠性、高重復(fù)性、低遲滯、快響應(yīng)和良好的環(huán)境適應(yīng)性。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，無論是高新技術(shù)，還是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，都需要應(yīng)用大量的傳感器。應(yīng)用要求千差萬別，有的量大面廣，有的專業(yè)性很強；有的要求高精度，有的要求高穩(wěn)定性，有的要求高可靠性；有的要求耐振動，有的要求防爆，等等。發(fā)展相對緩慢。但一旦成熟，其生命力強，如應(yīng)變式傳感技術(shù)已有70年的歷史，目前仍然占有重要的地位。第44頁/共80頁451.新材料、新功能的開發(fā)應(yīng)用

2.微機械加工工藝的發(fā)展

3.傳感器的多功能化發(fā)展

4.傳感器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展傳感器技術(shù)的發(fā)展動向第45頁/共80頁461.新材料、新功能的開發(fā)應(yīng)用此外，一些化合物半導(dǎo)體材料、復(fù)合材料、薄膜材料、形狀記憶合金材料等在傳感器技術(shù)中得到了成功地應(yīng)用。半導(dǎo)體硅材料石英晶體材料功能陶瓷材料其他材料第46頁/共80頁472.微機械加工工藝的發(fā)展平面電子加工工藝技術(shù)固相鍵合工藝技術(shù)機械切割技術(shù)整體封裝工藝技術(shù)微機械加工工藝第47頁/共80頁483.傳感器的多功能化發(fā)展一種同時檢測Na+、K+和H+離子的傳感器一種多功能氣體傳感器能夠同時測量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四種氣體第48頁/共80頁494.傳感器的智能化發(fā)展傳感器微處理器+智能化傳感器有線智能傳感器及網(wǎng)絡(luò)無線智能傳感器及網(wǎng)絡(luò)第49頁/共80頁50《我國將制定24項傳感器國家新標(biāo)準(zhǔn)》中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)2015.05.20

隨著新一輪工業(yè)革命的興起，傳感器產(chǎn)業(yè)市場前景不可估量。工信部電子元器件行業(yè)發(fā)展研究中心總工程師郭源生指出，未來5年內(nèi)，全球傳感器年復(fù)合增長率預(yù)計將超過10%。2015年全球市場規(guī)模將達到1770億美元，受可穿戴、智能制造技術(shù)發(fā)展加快和全球經(jīng)濟復(fù)蘇等因素影響，市場需求可能出現(xiàn)更大幅度增長。與巨大的市場需求相比，現(xiàn)階段我國市場主要應(yīng)用的傳感器絕大部分仍然依賴進口，主流市場產(chǎn)品依賴國外配套的情況尤為突出。與國外相比，我國企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)、工藝水平、生產(chǎn)裝備、企業(yè)規(guī)模、市場占有率和綜合競爭能力等方面仍不能與國外同類企業(yè)抗衡。同國際先進水平相比，新品研制仍落后5~10年，而產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)工藝則落后10~15年。第50頁/共80頁51

智能傳感器的定義及功能智能傳感器的定義

目前，關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂尚未完全統(tǒng)一。英國人將智能傳感器稱為“IntelligentSensor”；美國人則習(xí)慣于把智能傳感器稱作“SmartSensor”，直譯就是“靈巧的、聰明的傳感器”。

所謂智能傳感器，就是帶微處理器的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶與邏輯判斷功能的傳感器。

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智能傳感器的最大特點就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機地融合在一起。從一定意義上講，它具有類似于人工智能的作用。

需要指出，這里講的“帶微處理器”包含兩種情況：

1）將傳感器與微處理器集成在一個芯片上構(gòu)成所謂的“集成智能傳感器”或者“單片智能傳感器”

2）傳感器能夠協(xié)同微處理器進行工作，即“傳感器的智能化”。二者均屬于智能傳感器，雖然技術(shù)實現(xiàn)上有不同，但是對基本原理進行理解時不用區(qū)別。

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世界上第一個智能傳感器是美國霍尼韋爾（Honeywell）公司在1983年開發(fā)的ST3000系列智能壓力傳感器。它具有的多參數(shù)傳感(差壓、靜壓和溫度)與智能化的信號調(diào)理功能。最近，該公司還相繼開發(fā)出ST3000－900/2000等系列的新產(chǎn)品，使之功能進一步完善。目前，ST3000系列智能壓力傳感器在全世界的銷量已突破50萬只，深受廣大用戶的青睞。

第53頁/共80頁54智能傳感器的功能

1）具有自校準(zhǔn)和自診斷功能。智能傳感器不僅能自動檢測各種被測參數(shù)，還能進行自動調(diào)零、自動調(diào)平衡、自動校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自標(biāo)定功能。

第54頁/共80頁55

2）具有數(shù)據(jù)存儲、邏輯判斷和信息處理功能，能對被測量進行信號調(diào)理或信號處理（包括對信號進行預(yù)處理、線性化，或?qū)囟?、靜壓力等參數(shù)進行自動補償?shù)龋?/p>

第55頁/共80頁56

3）具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測量功能。

4）具有雙向通信功能，能直接與微處理器或單片機通信。

第56頁/共80頁574智能傳感器的應(yīng)用

多路智能溫度控制器智能微塵傳感器

生物芯片第57頁/共80頁58圖Pentium4處理器芯片

多路智能溫度控制器Pentium4處理器是Intel公司推出的高性能微處理器。最高主頻目前已達3.6GHz，它采用了0.13μm制程，集成度高達5500萬～7700萬只晶體管，在芯片中還有內(nèi)置數(shù)字溫度傳感器。第58頁/共80頁59隨著Pentium4處理器運行速度的大幅度提高，其功耗也顯著增加，必須采取更完善的散熱保護措施。

2010年，美國ADI公司專門開發(fā)出適配Pentium4處理器的ADT7460型智能化遠程散熱風(fēng)扇控制器集成電路，并已用于奔騰4計算機產(chǎn)品中。

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奔騰4計算機的散熱控制電路。該計算機中共使用了3臺散熱風(fēng)扇。其中，風(fēng)扇1專門給CPU散熱，風(fēng)扇2和風(fēng)扇3分別安裝在主機箱的前面和后面給機箱散熱。第60頁/共80頁61配套軟件日臻完善溫度傳感器＋專用計算機測試軟件。第61頁/共80頁62第62頁/共80頁634.2智能微塵傳感器

智能微塵（SmartMicroDust）是一種具有電腦功能的超微型傳感器。從肉眼看來，它和一顆沙粒沒有多大區(qū)別。但內(nèi)部卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。

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目前，直徑約為1mm的智能微塵已經(jīng)問世，智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時，搜集、處理并無線發(fā)射信息。智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)a）肉眼所看到的智能微塵b）智能微塵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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智能微塵還可以“永久”使用，因為它不僅自帶微型薄膜電池，還有一個微型的太陽能電池為它充電。最近，美國英特爾公司制定了基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算機的發(fā)展規(guī)劃，也將致力于研究智能微塵傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作。第65頁/共80頁66

4.3生物芯片西門子公司最近研制出一種能辨別氣體及其味道的微型芯片傳感器，可檢測空氣中臭氧含量，監(jiān)測火災(zāi)以及氣體泄漏。第66頁/共80頁67

生物傳感器系統(tǒng)亦稱生物芯片，它是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠意義的科技革命。生物芯片不僅能模擬人的嗅覺（如電子鼻）、視覺（如電子眼）、聽覺、味覺、觸覺等，還能實現(xiàn)某些動物的特異功能（例如海豚的聲納導(dǎo)航測距，蝙蝠的超聲波定位，犬類極靈敏的嗅覺，信鴿的方向識別，昆蟲的復(fù)眼）。生物芯片的效率是傳統(tǒng)檢測手段的成百、上千倍。

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德國英飛凌（Infineon）公司最近開發(fā)出具有活神經(jīng)細胞、能讀取細胞所發(fā)出電子信息的“神經(jīng)元芯片”，芯片上有16384個傳感器，每個傳感器之間的距離僅為8μm。當(dāng)人體受到電擊時，利用它可獲取神經(jīng)組織的活動數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成彩色圖片。

第68頁/共80頁69傳感器敏感機理敏感材料選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝優(yōu)化五、傳感器研究方法第69頁/共80頁70傳感器研究思路研究傳感器，首先得從研究敏感材料入手，研究敏感材料對外界物理、化學(xué)變化的敏感特性，包括響應(yīng)時間，變化規(guī)律，以及外界其他物理、化學(xué)環(huán)境變化對敏感材料敏感特性的影響設(shè)計合適的傳感功能結(jié)構(gòu)?？紤]將敏感材料鍍在什么樣的器件結(jié)構(gòu)上才使得敏感材料能夠發(fā)揮好其敏感特性制備工藝的研究后端對信號的處理電路，包括放大電路、濾波電路等。第70頁/共80頁71六、電子科大傳感技術(shù)部分研究成果第71頁/共80頁72研究方向動態(tài)有機