傳感器廣工駱德漢ppt課件

1、主講主講-駱德漢駱德漢聯(lián)系電話聯(lián)系電話-39322256 ext.713、 廣東工業(yè)大學信息工程學院廣東工業(yè)大學信息工程學院 ） -； 現(xiàn)代傳感新技術現(xiàn)代傳感新技術一、課程目的一、課程目的 掌握現(xiàn)代傳感新技術核新思想掌握現(xiàn)代傳感新技術核新思想 了解現(xiàn)代傳感新技術最新進展了解現(xiàn)代傳感新技術最新進展 學習現(xiàn)代傳感新技術最新理論學習現(xiàn)代傳感新技術最新理論 應用現(xiàn)代傳感最新技術應用現(xiàn)代傳感最新技術二、教學內(nèi)容及考核要求二、教學內(nèi)容及考核要求 教材上下冊）教材上下冊） 成果：成果：10%（聽課）（聽課）+20%（報

2、告）（報告）+70%（考試）（考試） 內(nèi)容：以下冊為主上冊自學）內(nèi)容：以下冊為主上冊自學） 考核：學習報告考核：學習報告+卷面考試卷面考試學習報告學習報告-2人一個題目，綜述某種傳感人一個題目，綜述某種傳感器基本原理及最新發(fā)展動態(tài)國際前沿）器基本原理及最新發(fā)展動態(tài)國際前沿）第第 0 章章 現(xiàn)代傳感新技術綜述現(xiàn)代傳感新技術綜述 現(xiàn)代傳感新技術現(xiàn)代傳感新技術-指最近十幾年內(nèi)研究開發(fā)出來的、已經(jīng)指最近十幾年內(nèi)研究開發(fā)出來的、已經(jīng) 或正在走向實用化的傳感器或正在走向實用化的傳感器現(xiàn)代傳感新技術核心現(xiàn)代傳感新技術核心-新效應機理、新材料發(fā)現(xiàn)、新加工工藝新效應機理、新材料發(fā)現(xiàn)、新加工工藝 現(xiàn)代新型傳感器現(xiàn)

3、代新型傳感器-智能傳感器智能傳感器-Intelligent Sensor- Smart Sensor- Intelligent Sensor System -Intelligent Instrumentation現(xiàn)代傳感新技術應用現(xiàn)代傳感新技術應用-仿生傳感與應用、生物醫(yī)學、食品安全等仿生傳感與應用、生物醫(yī)學、食品安全等 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應 光效應、磁效應、力效應、聲效應、化學效應、生物效應光效應、磁效應、力效應、聲效應、化學效應、生物效應一、新型光效應一、新型光效應光電效應光電效應-光電導效應、光生伏特效應光電導效應、光生伏特效應電光效應電光效應-克爾效應、光彈效應克爾

4、效應、光彈效應光多普勒效應光多普勒效應 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應一、新型光效應一、新型光效應1、光電導效應、光電導效應 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應-在光輻射作用下，材料的電導率發(fā)生變化在光輻射作用下，材料的電導率發(fā)生變化 在材質均勻的光電材料兩端在材質均勻的光電材料兩端 加上一定電壓，加上一定電壓， 當光照射到材料上時，由光當光照射到材料上時，由光 照產(chǎn)生的光生載流子在外照產(chǎn)生的光生載流子在外 加電場作用下沿一定方向加電場作用下沿一定方向 運動，在回路中產(chǎn)生電流運動，在回路中產(chǎn)生電流Ip 電流電流Ip的大小受光照強度的控制，的大小受光照強度的控制， 用這種光電導效應制作的典型器件就是

5、光敏電阻用這種光電導效應制作的典型器件就是光敏電阻 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應一、新型光效應一、新型光效應2、P-N 結光伏效應結光伏效應 當光照射當光照射PN結時，只要結時，只要 入射光子能量大于材料禁入射光子能量大于材料禁 帶寬度，就會在結區(qū)產(chǎn)生帶寬度，就會在結區(qū)產(chǎn)生 電子一空穴對電子一空穴對 這些非平衡載流子在內(nèi)建電場的作用下，按一定方向運動，在開這些非平衡載流子在內(nèi)建電場的作用下，按一定方向運動，在開 路狀態(tài)下形成電荷積累，產(chǎn)生了一個與內(nèi)建電場方向相反的光生路狀態(tài)下形成電荷積累，產(chǎn)生了一個與內(nèi)建電場方向相反的光生 電場，即光生電壓電場，即光生電壓 若若P-N結兩邊外接一負

6、載電阻結兩邊外接一負載電阻RL，光激發(fā)產(chǎn)生的電子一空穴對，光激發(fā)產(chǎn)生的電子一空穴對形形 成的光生電流成的光生電流I。它與光照有關，其方向與。它與光照有關，其方向與P-N結反向飽和電流結反向飽和電流 一樣一樣 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應一、新型光效應一、新型光效應3、科頓、科頓(Cotton)效應效應 科頓效應科頓效應-能使左、右旋圓偏振光傳輸速度相異的旋光性物能使左、右旋圓偏振光傳輸速度相異的旋光性物質，在直線偏振光入射并透過時，會產(chǎn)生質，在直線偏振光入射并透過時，會產(chǎn)生a角的偏轉現(xiàn)象稱為角的偏轉現(xiàn)象稱為 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應二、磁效效應二、磁效效應磁光效應磁

7、光效應-法拉第效應、克爾效應等法拉第效應、克爾效應等磁電效應磁電效應-霍耳霍耳(Hall)效應、磁阻效應等效應、磁阻效應等壓磁效應壓磁效應-磁致伸縮、威德曼效應等磁致伸縮、威德曼效應等約瑟夫效應、核磁共振等約瑟夫效應、核磁共振等 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應二、磁光效應二、磁光效應1、法拉第效應、法拉第效應-又稱磁致旋光效應又稱磁致旋光效應當線偏振光通過處于磁場下的透明介質時，光線的偏振面當線偏振光通過處于磁場下的透明介質時，光線的偏振面(光矢量光矢量振動方向振動方向)將發(fā)生偏轉，其偏轉角將發(fā)生偏轉，其偏轉角與磁感應強度與磁感應強度B以及介質的長度以及介質的長度L成比例關系成比例關

8、系 K-是物質的特性常數(shù)，與光波波長和溫度有關。是物質的特性常數(shù)，與光波波長和溫度有關。 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應二、磁效效應二、磁效效應2、霍耳效應、霍耳效應 霍耳效應實際上是基于洛倫茲力的效應；霍耳效應實際上是基于洛倫茲力的效應；KH-霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) 當電流通過半導體薄片時，垂直于電流方向的磁場當電流通過半導體薄片時，垂直于電流方向的磁場B使電子向薄片使電子向薄片 的一側偏轉，從而使薄片的兩側產(chǎn)生電位差的一側偏轉，從而使薄片的兩側產(chǎn)生電位差UH， 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應三、力效應三、力效應 壓電效應、磁致伸縮、電致伸縮、壓阻效應壓電效應、磁致伸縮、電致伸

9、縮、壓阻效應1、壓電效應、壓電效應 當具有壓電效應的材料受到沿當具有壓電效應的材料受到沿 一定方向的外力作用而變形時，一定方向的外力作用而變形時， 在某兩個表面上將產(chǎn)生極性相在某兩個表面上將產(chǎn)生極性相 反的電荷。反的電荷。 石英晶體石英晶體 壓電陶瓷壓電陶瓷(PZT)(PZT)， 高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜 壓電半導體壓電半導體 常見壓電材料常見壓電材料 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應三、力效應三、力效應 2、磁致伸縮效應、磁致伸縮效應 （1磁致伸縮效應磁致伸縮效應-鐵磁體在磁場作用下，產(chǎn)生機械變形，其尺寸、鐵磁體在磁場作用下，產(chǎn)生機械變形，其尺寸、 大小會作相應的伸縮。大小會作相

10、應的伸縮。 當受到外磁場作用時，體內(nèi)各磁疇轉動并使它們的磁化方向盡量與當受到外磁場作用時，體內(nèi)各磁疇轉動并使它們的磁化方向盡量與 外磁場相一致，導致磁性體沿外磁場方向的長度發(fā)生變化。外磁場相一致，導致磁性體沿外磁場方向的長度發(fā)生變化。（2磁致伸縮機理磁致伸縮機理 從宏觀的角度理解，磁性材料產(chǎn)生的長度變化可以看作磁性材料在從宏觀的角度理解，磁性材料產(chǎn)生的長度變化可以看作磁性材料在 外磁場作用下產(chǎn)生了自由應變外磁場作用下產(chǎn)生了自由應變E E。 無外磁場作用時，磁性物質體內(nèi)的磁疇排列雜亂無章，磁化均衡；無外磁場作用時，磁性物質體內(nèi)的磁疇排列雜亂無章，磁化均衡； 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效

11、應三、力效應三、力效應 3、飽和效應、飽和效應 （1在高分子核磁共振吸收過程中，隨入射電磁波振幅的增加，高分子在高分子核磁共振吸收過程中，隨入射電磁波振幅的增加，高分子 吸收電磁波能量逐漸減少而趨于飽和吸收電磁波能量逐漸減少而趨于飽和 （2飽和效應機理飽和效應機理 高分子核自旋吸收能量較多時，來不及轉移而產(chǎn)生飽和效應。高分子核自旋吸收能量較多時，來不及轉移而產(chǎn)生飽和效應。 核自旋因磁場作用而能級分離，吸收外加電磁波能量使其能級上升發(fā)核自旋因磁場作用而能級分離，吸收外加電磁波能量使其能級上升發(fā) 生核磁共振生核磁共振 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應四、化學效應四、化學效應 表面吸附效應、

12、可頓效應、飽和效應、電泳效應、彼德效應等表面吸附效應、可頓效應、飽和效應、電泳效應、彼德效應等 1、吸附效應、吸附效應 金屬氧化物的半導體陶瓷材料接觸氣體時，在特定溫度下，材料吸附金屬氧化物的半導體陶瓷材料接觸氣體時，在特定溫度下，材料吸附 氣體分子，分子表面和氣體分子之間發(fā)生電子交換，使得半導體材料氣體分子，分子表面和氣體分子之間發(fā)生電子交換，使得半導體材料 的表面電位、功函數(shù)及電導率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為吸附效應的表面電位、功函數(shù)及電導率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為吸附效應 氧化型氣體吸附到氧化型氣體吸附到N型半導體上，或還原型氣體吸附到型半導體上，或還原型氣體吸附到P型半型半 導體上，將使其載

13、流子減小，電阻增大。導體上，將使其載流子減小，電阻增大。 吸附效應機理復雜，解釋理論較多，在探索中吸附效應機理復雜，解釋理論較多，在探索中 還原型氣體吸附到還原型氣體吸附到N型半導體上，或氧化型氣體吸附到型半導體上，或氧化型氣體吸附到P型半導型半導 體上，則其載流子增多，電阻減小體上，則其載流子增多，電阻減小 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應四、化學效應四、化學效應 2、半導體表面場效應、半導體表面場效應 表面場效應表面場效應-利用電壓所產(chǎn)生的電場控制半導體表面電流的效應利用電壓所產(chǎn)生的電場控制半導體表面電流的效應 表面場效應作用隨環(huán)境氣體、溶液離子濃度等化學物質而變化表面場效應作用隨

14、環(huán)境氣體、溶液離子濃度等化學物質而變化 利用表面場效應可構成氣敏、離子敏、生物敏等半導體場效應化學傳利用表面場效應可構成氣敏、離子敏、生物敏等半導體場效應化學傳 感器。感器。 0.1 0.1 新型傳感效應新型傳感效應五、光多普勒效應五、光多普勒效應 2、與信號源的自身頻率、與信號源的自身頻率f0不相同，并且，若兩者相對運動，傳感器所不相同，并且，若兩者相對運動，傳感器所 接受的信號頻率接受的信號頻率 f f0，若兩者相向運動，那么，若兩者相向運動，那么，f f0 光多普勒效應光多普勒效應 聲多普勒效應聲多普勒效應1、具有一定頻率、具有一定頻率 f0 的信號源與傳感器之間以速度的信號源與傳感器之

15、間以速度V相對運動，傳感器相對運動，傳感器 所接受的信號頻率所接受的信號頻率f與信號源的自身頻率與信號源的自身頻率f0不相同。不相同。 0.2 0.2 新型敏感材料新型敏感材料 按結晶狀態(tài)分類按結晶狀態(tài)分類-單晶、多晶、非晶和微晶等單晶、多晶、非晶和微晶等敏感材料敏感材料-指能利用物理效應或化學、生物反應原理做成敏感元件指能利用物理效應或化學、生物反應原理做成敏感元件 的基體材料的基體材料 按電子結構和化學鍵分類按電子結構和化學鍵分類-金屬、陶瓷和聚合物等金屬、陶瓷和聚合物等 按物理性質分按物理性質分-超導體、導電體、半導體、介電體、鐵血體、壓電超導體、導電體、半導體、介電體、鐵血體、壓電 體

16、、鐵磁體、鐵彈體、磁彈體等等體、鐵磁體、鐵彈體、磁彈體等等 按形態(tài)分按形態(tài)分-摻雜、微粉、薄膜、塊狀、纖維等摻雜、微粉、薄膜、塊狀、纖維等 按功能可分按功能可分-力敏、壓敏、光敏、色敏。聲敏、磁敏、氣敏、濕敏等力敏、壓敏、光敏、色敏。聲敏、磁敏、氣敏、濕敏等 0.2 0.2 新型敏感材料新型敏感材料 一、半導體敏感材料一、半導體敏感材料 半導體材料可以將多種非電量轉換為電量半導體材料可以將多種非電量轉換為電量 光、聲、熱、磁、氣、濕等都可利用相應的半導體材料進行傳感光、聲、熱、磁、氣、濕等都可利用相應的半導體材料進行傳感 光纖作為遠距離傳輸光波信號的媒質，最早用于光通信技術光纖作為遠距離傳輸光

17、波信號的媒質，最早用于光通信技術 光纖的外界環(huán)境變化壓力、溫度、電場、磁場），將引起在光纖中傳光纖的外界環(huán)境變化壓力、溫度、電場、磁場），將引起在光纖中傳 輸光波的某些物理量光強、相位、頻率、偏振態(tài)等發(fā)生變化。輸光波的某些物理量光強、相位、頻率、偏振態(tài)等發(fā)生變化。 二、光導纖維二、光導纖維 測出光波物理量變化，就知道導致這些光波特性變化的壓力、溫度、電測出光波物理量變化，就知道導致這些光波特性變化的壓力、溫度、電 場、磁場等物理量的大小，場、磁場等物理量的大小， 光導纖維由三層構成光導纖維由三層構成-纖芯、包層，保護層纖芯、包層，保護層 0.2 0.2 新型敏感材料新型敏感材料 三、高分子材料

18、三、高分子材料 高分子集合體固體的特征是非晶結構，高分子材料在電氣特性上主要高分子集合體固體的特征是非晶結構，高分子材料在電氣特性上主要 表現(xiàn)為絕緣性表現(xiàn)為絕緣性 高分子敏感材料高分子敏感材料-主要用于壓電、熱釋電、光電材料等。主要用于壓電、熱釋電、光電材料等。 石英晶體化學成分為石英晶體化學成分為Si02， 理想形狀為六角錐體理想形狀為六角錐體 在電軸和機械軸方向，石英在電軸和機械軸方向，石英 晶體具有壓電效應和逆壓電晶體具有壓電效應和逆壓電 效應；效應； 四、石英晶體四、石英晶體 在光軸方向，具有光雙折射效應。在光軸方向，具有光雙折射效應。 0.3 0.3 新加工工藝新加工工藝 薄膜成膜薄

19、膜成膜-主要方法蒸發(fā)、濺射、化學氣相淀積。主要方法蒸發(fā)、濺射、化學氣相淀積。 化學氣相淀積化學氣相淀積-使用加熱、等離子體和紫外線等各種能源，使用加熱、等離子體和紫外線等各種能源， 使氣態(tài)物質經(jīng)化學反應形成固態(tài)物質淀積在襯底上使氣態(tài)物質經(jīng)化學反應形成固態(tài)物質淀積在襯底上一、薄膜加工工藝一、薄膜加工工藝 蒸發(fā)和濺射需要在真空中進行，主要設備是真空鍍膜機蒸發(fā)和濺射需要在真空中進行，主要設備是真空鍍膜機 微細加工方法微細加工方法-腐蝕、鍵合、光刻、薄膜、刻蝕、拉絲、激光、超聲腐蝕、鍵合、光刻、薄膜、刻蝕、拉絲、激光、超聲微細加工技術微細加工技術-已進入納米量級。并向已進入納米量級。并向0.1nm方向

20、及原子或分子尺寸挺進方向及原子或分子尺寸挺進 0.3 0.3 新加工工藝新加工工藝 曝光微細加工曝光微細加工-光學曝光微細加工工藝；光學曝光微細加工工藝； 電子束曝光微細加工工藝；電子束曝光微細加工工藝； 離子束曝光微細加工工藝，離子束曝光微細加工工藝， 在微電子、光電子、集成光學、光電集成電路等領域都能發(fā)揮在微電子、光電子、集成光學、光電集成電路等領域都能發(fā)揮 廣泛的作用。廣泛的作用。二、光學曝光微加工工藝二、光學曝光微加工工藝 三、激光徽細加工三、激光徽細加工 激光微細加工技術激光微細加工技術- 激光輔助氣相淀積、激光輔助固相淀積、光輔助液相淀積、激光輔助氣相淀積、激光輔助固相淀積、光輔助

21、液相淀積、 激光輔助擴散、激光退火等激光輔助擴散、激光退火等 0.4 0.4 應用舉例應用舉例一一 智能傳感器系統(tǒng)智能傳感器系統(tǒng) Block of intelligent sensors systemBlock of intelligent sensors system Intelligent Sensors System Intelligent Sensors System School of Information EngineeringSchool of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例二、二、 智能傳感器系統(tǒng)智能傳感器系統(tǒng)-電子鼻電子鼻 Bloc

22、k of intelligent sensor system-electronic nose (智能傳感器智能傳感器-電子鼻框圖電子鼻框圖) Intelligent Sensors System School of Information Engineering傳感器陣列傳感器陣列氣味傳遞氣味傳遞 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system ）(a) A sensor(b) A preprocessing mechanism(預處理裝置）預處理裝置） Intelligent Senso

23、rs System School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system ） (c) A feature extraction mechanism (manual or automated)（特征提取裝置手動或自動）（特征提取裝置手動或自動）(d) A classification or description algorithm分類分類或運算）或運算） Intelligent Sensors System School of

24、Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system ） (e) A set of examples (training set) already classified or described（一組已經(jīng)被分類或被描述的樣本）（一組已經(jīng)被分類或被描述的樣本） Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A

25、typical visual pattern recognition system ）Consider the following scenario*(考慮如下假定）考慮如下假定）（1A fish processing plan wants to automate the process of sorting incoming fish according to species (salmon （鮭魚（鮭魚or sea bass（黑鱸（黑鱸魚）魚）) Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉

26、例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system（2The automation system consists of a conveyor belt for incoming products （一條用于（一條用于輸入產(chǎn)品的傳送帶）輸入產(chǎn)品的傳送帶） two conveyor belts for sorted products （二條用（二條用于分類產(chǎn)品的傳送帶）于分類產(chǎn)品的傳送帶） Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4

27、 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system a pick-and-place robotic arm一個用于挑選和放置產(chǎn)一個用于挑選和放置產(chǎn)品的機械手）品的機械手） a vision system with an overhead CCD camera一一個個CCD攝像視覺系統(tǒng)）攝像視覺系統(tǒng)） a computer to analyze images and control the robot arm一臺用于分析圖象和控制機械手的計算機）一臺用于分析圖象和控制機械手的計算機） Intelli

28、gent Sensors System School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system)（1） PreprocessingAdjustments for average intensity levelsSegmentation to separate fish from background （調整平均密度，將魚從平（調整平均密度，將魚從平臺分散）臺分散） （2） Sensor The camera captures an

29、 image as a new fish enters the sorting area（攝像機捕捉進入存儲區(qū)的魚）（攝像機捕捉進入存儲區(qū)的魚）（3） Feature ExtractionSuppose we know that, on the average, sea bass is larger than salmon（假設已知黑鱸魚平均體積大于鮭魚）（假設已知黑鱸魚平均體積大于鮭魚） Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical

30、 visual pattern recognition system)（1SensorThe camera captures an image as a new fish enters the sorting area（攝像機捕捉進入存儲區(qū)的魚）（攝像機捕捉進入存儲區(qū)的魚）（2PreprocessingAdjustments for average intensity levelsSegmentation to separate fish from background （調整平均密度，將魚從平（調整平均密度，將魚從平臺分散）臺分散）（3） Feature ExtractionSuppose

31、we know that, on the average, sea bass is larger than salmon（假設已知黑鱸魚平均體積大于鮭魚）（假設已知黑鱸魚平均體積大于鮭魚） Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system)（4） Classification(A) Collect a set of examples from both species從兩

32、種魚中采集一組樣本）從兩種魚中采集一組樣本）Plot a distribution of lengths for both classes （兩（兩種魚長度分布狀態(tài)圖）種魚長度分布狀態(tài)圖）(B) Determine a decision boundary (threshold) that minimizes the classification error.（以最（以最小誤差確定決策邊界線）小誤差確定決策邊界線）(C) We estimate the systems probability of error and obtain a discouraging result of 40%(估計系

33、統(tǒng)估計系統(tǒng)的概率誤差，得到的概率誤差，得到40%分類結果）分類結果）What is next? Intelligent Sensors System 6-11 School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system) （D） Improving the performance of our PR system (a) Committed to achieve a recognition rate of 95%, we try a

34、number of features Width, Area, Position of the eyes and mouth(為達到為達到95%識別率，嘗試許多特征，如寬度，面積、識別率，嘗試許多特征，如寬度，面積、眼睛和嘴巴的位置等）眼睛和嘴巴的位置等） Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 應用舉例應用舉例三、三、 仿生視覺檢測系統(tǒng)仿生視覺檢測系統(tǒng)A typical visual pattern recognition system)（D） Improving the performance of our PR system (b) only to find out that these features contain no d