1、1敏感材料与传感器敏感材料与传感器 总总 学学 时：时：4040任课教师：谢光忠任课教师：谢光忠2第一章：敏感材料与传感器技术研究现状及第一章：敏感材料与传感器技术研究现状及发展发展(4学时学时)第二章第二章: 金属敏感材料金属敏感材料 (2学时学时)第三章：陶瓷敏感材料第三章：陶瓷敏感材料(4学时学时)第四章：半导体材料第四章：半导体材料(4学时学时)第五章：有机敏感材料第五章：有机敏感材料(6学时学时)第六章：新型红外传感器第六章：新型红外传感器(2学时学时)第七章：新型气体传感器及阵列第七章：新型气体传感器及阵列 (8学时学时)第八章：电子聚合物基湿度传感器第八章：电子聚合物基湿度传感器
2、(4学时学时)第九章：专题讲座第九章：专题讲座 (6学时学时)主要内容主要内容3 主要参考资料主要参考资料蒋亚东，谢光忠编著蒋亚东，谢光忠编著.敏感材料与传感器敏感材料与传感器.电子科电子科技大学出版社，技大学出版社，2008年。年。刘迎春，叶湘滨等著刘迎春，叶湘滨等著.现代新型传感器原理与应现代新型传感器原理与应用用.国防工业出版社，国防工业出版社，2000年年5月。月。张福学著，现代压电学张福学著，现代压电学.科学出版社，科学出版社，2002年年6月。月。作业作业4次次,每每2章章(前前8章范围章范围)一次作业。一次作业。4联系方式联系方式谢光忠vEmail: vTel: 83207027
3、5考试方式考试方式v考核方式：闭卷笔试考核方式：闭卷笔试v成绩评定：成绩评定：平时考核成绩（平时考核成绩（30%）期末考试成绩（期末考试成绩（70%）6第一章第一章 敏感材料与传感器技术研究现状及发展敏感材料与传感器技术研究现状及发展7主要内容主要内容v第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术敏感材料及传感器领域相关基本术语（语（1学时）学时）v第第2节节 传感器基本构成型式（传感器基本构成型式（2学时）学时）v第第3节节 敏感材料与传感器技术研究现状及敏感材料与传感器技术研究现状及发展（发展（1学时）学时）81.1传感器定义传感器定义v传感器传感器(Transducer/Sensor)的定
4、义是：传感器是能感的定义是：传感器是能感受规定的受规定的被测量被测量并按照并按照一定规律一定规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的的器件或装置。通常由器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换电路转换电路组成。组成。v敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换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。测量的电信号部分。转换电路转换电路输输出出敏感元件敏感元件电源电源输入输入第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语9经典应用实例经典
5、应用实例“发现号发现号” ” 燃料传感器燃料传感器故障故障 导致导致“发现号发现号”推迟发射。推迟发射。 10物理信息物理信息化学信息化学信息生物信息生物信息电信号电信号光信号光信号传感器传感器敏感材料敏感材料传感功能结构传感功能结构变换处理变换处理1.2 传感器示意图传感器示意图第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语11 敏感材料敏感材料 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 传感器传感器 材料与功能材料与功能第第1节节 敏感材料及传感
6、器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语12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 传感器传感器 处理电路处理电路第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语131) 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒律。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应定律等，其作用与物体在空间的位置 及分布状态有关。及分布状态有关。3) 物质定律：它是
7、表示各种物质本身内在性质的定物质定律：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。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的物理法则。这些法则常与传感器的工 作状态有关。作状态有关。1.2 传感器传感器 传感定律传感定律第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语14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
8、变成电阻变化将角位移变成另一角位移1.3 传感器实例传感器实例第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语15传感检测原理传感检测原理传感器件设计传感器件设计传感器开发和应用传感器开发和应用1.4 传感器技术定义传感器技术定义第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语161.4 传感器技术定义传感器技术定义第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语传感器技术传感器技术是一个汇聚物理是一个汇聚物理,化学化学,材料材料,器器件件,机械机械,电子电子,生物工程等多类型生物工程等多类型交叉学科交叉学科，
9、涉及涉及传感检测原理传感检测原理,传感器件设计传感器件设计,传感器传感器开发和应用开发和应用的综合技术。的综合技术。171.5 敏感材料敏感材料1.5.1 什么叫敏感材料？1.5.2 敏感材料的分类1.5.3 敏感材料基本特性第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语181.5.1 什么叫敏感材料什么叫敏感材料?v敏感材料是指对电、光、声、力、热、磁、敏感材料是指对电、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。明显改变的功能材料。 第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传
10、感器领域相关基本术语191.5.2 敏感材料的分类敏感材料的分类导电材料导电材料介电材料介电材料 压电材料压电材料 热电材料热电材料 光电材料光电材料 磁性材料磁性材料 透光和导光材料透光和导光材料 发光材料发光材料 激光材料激光材料 非线性光学材料非线性光学材料 光调制用材料光调制用材料 红外材料红外材料 隐身材料隐身材料 梯度功能材料梯度功能材料 机敏材料和智能材料机敏材料和智能材料 纳米材料纳米材料 仿生材料仿生材料第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语201.5.2 敏感材料的分类敏感材料的分类金属功能材料金属功能材料半导体材料半导体材料 陶瓷功能
11、材料陶瓷功能材料 高分子功能材料高分子功能材料 复合功能材料复合功能材料 第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语21金属功能材料金属功能材料v磁性材料磁性材料v弹性材料弹性材料v热电偶热电偶v热敏电阻材料热敏电阻材料v应用电阻合金应用电阻合金v形状记忆材料形状记忆材料1.5.3 敏感材料的特性敏感材料的特性第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语22半导体材料半导体材料v半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、磁、各种气体及压力等外界因素具有敏感特性，磁、各种气体及压力等外界因素具
12、有敏感特性，是制造磁敏、热敏、光敏、力敏、离子敏等传是制造磁敏、热敏、光敏、力敏、离子敏等传感器件的主要材料。感器件的主要材料。1.5.3 敏感材料的特性敏感材料的特性第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语23陶瓷功能材料陶瓷功能材料v热敏陶瓷热敏陶瓷v压敏陶瓷压敏陶瓷v湿敏陶瓷湿敏陶瓷v气敏陶瓷气敏陶瓷v光敏陶瓷光敏陶瓷1.5.3 敏感材料的特性敏感材料的特性第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语24高分子功能材料高分子功能材料v导电性高分子材料导电性高分子材料v变换性高分子材料变换性高分子材料v生物传感器用高分子材
13、料生物传感器用高分子材料v绝缘性高分子材料绝缘性高分子材料v高分子光纤高分子光纤1.5.3 敏感材料的特性敏感材料的特性第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语25复合功能材料复合功能材料v材料复合技术发展较晚，从双层到多层的复合，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。料的各自长处。v包括金属系复合功能材料、陶瓷系复合材料、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
14、料间的复合。陶瓷、陶瓷与高分子材料间的复合。v复合功能材料的发展对各种敏感器件的研究与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。开发有着较大的影响。1.5.3 敏感材料的特性敏感材料的特性第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语26信息技术的三大支柱信息技术的三大支柱传感器技术传感器技术采集信息采集信息通信技术通信技术 计算机技术计算机技术传输信息传输信息处理信息处理信息作用作用作用作用作用作用1.6 传感器的地位、作用及应用领域传感器的地位、作用及应用领域第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语27传感
15、器、计算机及执行器的价格性能比传感器、计算机及执行器的价格性能比 传感器发展的必要性传感器发展的必要性28美国，29%西欧，21%中国，1% 尤里卡计划尤里卡计划 八五八五 十一五十一五白宫计划白宫计划日本，19.5% 先进技术计划先进技术计划各国对传感器的重视程度各国对传感器的重视程度 1.6 传感器的地位、作用及应用领域传感器的地位、作用及应用领域对比对比第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语29v工业自动化工业自动化v农业现代化农业现代化v军事工程军事工程v航空航天航空航天v机器人技术机器人技术v资源探测资源探测v海洋开发海洋开发v环境监测环境监测v
16、安全保卫安全保卫v医疗诊断医疗诊断v家用电器家用电器1.6 传感器的地位、作用及应用领域传感器的地位、作用及应用领域应用应用第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语301.6 传感器的地位、作用及应用领域传感器的地位、作用及应用领域市场市场厂家和供应商厂家和供应商 工业过程控制工业过程控制 发动机和车辆发动机和车辆 飞机和船舶飞机和船舶 建筑建筑 消费类电子产品消费类电子产品 其他产其他产业业世界主要应用领域中传感器市场的变化世界主要应用领域中传感器市场的变化第第1节节 敏感材料及传感器领域相关基本术语敏感材料及传感器领域相关基本术语31传感器的基本构成型式
17、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第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 32v自源型自源型为仅含转换元件的最简单、最基本的传为仅含转换元件的最简单、最基本的传感器构成型式。感器构成型式。 v特点：特点：不需要外能源；不需要外能源；其转换元件具有从被测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；对象直接吸取能量，并转换成电量电效应；输出输出能量较好。能量较好。v例子：热电偶，压电器件等。例子：热电偶，压电器件等。自源型自源型(1)敏感敏感元件元件输入输入输出输出第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式
18、 33带激励源型带激励源型(2)敏感敏感元件元件辅助能源辅助能源输入输入输出输出带激励源型带激励源型为转换元件外加辅助能源构成的型式。为转换元件外加辅助能源构成的型式。p辅助能源：起激励作用，可以是电源也可以是磁源。辅助能源：起激励作用，可以是电源也可以是磁源。p特点：需要变换（测量）电路即有较大的电量输出。特点：需要变换（测量）电路即有较大的电量输出。p例子：某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器。例子：某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器。第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 34特点：特点：由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成；由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成；必须通过带外
19、电源的变换（测量）电路，才能获得必须通过带外电源的变换（测量）电路，才能获得电量输出。电量输出。外源型外源型(3)转换电路转换电路输输出出敏感元件敏感元件电源电源输入输入第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 35敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件输入输入输出输出环境量环境量相同传感器的补偿型相同传感器的补偿型(4)v采用采用两个原理和特性完两个原理和特性完全相同的转换元件全相同的转换元件，并，并置于同一环境中置于同一环境中v其中一个接受输入信号其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只和环境影响，另一个只接受环境影响，通过线接受环境影响，通过线路，使后者消除前者的路，使后者消除前者的环
20、境干扰影响。环境干扰影响。v这种构成法在应变式、这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中固态压阻式等传感器中常被采用。常被采用。第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 36 也采用也采用两个原理和特性完两个原理和特性完全相同的转换元件全相同的转换元件，同时接收，同时接收被测输入量，并置于同一环境被测输入量，并置于同一环境中。巧妙的是，中。巧妙的是，两个转换元件两个转换元件对被测输入量作反向转换，对对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，环境干扰量作同向转换，通过通过变换（测量）电路，使有用输变换（测量）电路，使有用输出量增加，干扰量相消。如差出量增加，干扰量相消。如差压传感器
21、等。压传感器等。差动结构补偿型差动结构补偿型(5)敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件电源电源输出输出输输入入环境量环境量（转换电路）（转换电路）第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 37 采用采用两个原理和性质不两个原理和性质不相同的转换元件相同的转换元件，且不一定，且不一定置于同一环境处，其中一个置于同一环境处，其中一个接受信号，并已知其受环境接受信号，并已知其受环境影响的特性；另一个接受环影响的特性；另一个接受环境影响量，并通过电路向前境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响者提供等效的抵消环境影响的补偿信号。如：采用热敏的补偿信号。如：采用热敏元件的温度补偿，采用压电元
22、件的温度补偿，采用压电补偿片的温度和加速度干扰补偿片的温度和加速度干扰补偿等。补偿等。敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件电源电源输出输出输输入入环境量环境量转换电路转换电路不同传感器的补偿型不同传感器的补偿型(6)第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 38v传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型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。和生物型三大类。v物理型传感器分为物性型传感器和结构型传感器物理型传感器分为物性型传感器和结构型传感器，物性，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
23、。结构型传感器以敏感结构具有的特定的物感受被测量。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。理规律来感受被测量。v化学传感器利用电化学反应原理来感受物质的成分、浓化学传感器利用电化学反应原理来感受物质的成分、浓度。度。常用的是离子敏传感器，利用离子选择性电极，测常用的是离子敏传感器，利用离子选择性电极，测量溶液的量溶液的pH值或某些离子的活度，如值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。等。v生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现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，测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质，由其主要由两大部分组成：一为功能识别物质，由其
24、对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置，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。号或光信号。第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 39第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例 温度传感器40第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例非致冷红外传感器（非致冷红外传感器（1）41第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例非致冷红外传感器（非致冷红外传感器（2）42第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式
25、 举例举例离子感烟器离子感烟器43第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例明火探测器明火探测器44第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例 气气体体传感器传感器45第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例半导体敏感元件46第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例薄膜薄膜SnO2气敏传感器结构气敏传感器结构厚膜SnO2气敏传感器结构47第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例接触燃烧式气敏传感器结构接触燃烧式气敏传感器结构48第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例汽车发动机空燃比控制用的
26、汽车发动机空燃比控制用的 ZrO2传感器传感器氧浓淡电池的原理及典型结构（a） 工作原理图； （b） 汽车用氧浓淡电池结构 49第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例湿湿度度传传感感器器50第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例 Fe3O4湿敏元件构造湿敏元件构造51第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例MgCr2O4TiO2半导体陶瓷湿敏元件结构示意图半导体陶瓷湿敏元件结构示意图52第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例电容型湿度传感器结构电容型湿度传感器结构 53第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式
27、 举例举例温湿度传感器温湿度传感器 54第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例尿酸用固定化酶膜传感器尿酸用固定化酶膜传感器55第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例测测2 22 2生成量的葡萄糖传感器生成量的葡萄糖传感器H2O22H+O2+2e试样缓冲液试样缓冲液56第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例免疫免疫FET57第第2节节 传感器基本构成型式传感器基本构成型式 举例举例 半导体生物传感器半导体生物传感器二氧化硅二氧化硅(SiO2)氮化硅氮化硅(Si3N4)酶敏感膜酶敏感膜漏极漏极源极源极铝引线铝引线p-Sin+n+58第第3节节敏感材料与传感器技术研究现状及发展敏感材料与传感器技术研究现状及发展59小结小结v收获v体会
