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1、主讲主讲-骆德汉骆德汉联系电话联系电话-39322256ext.713、（广东工业大学信息工程学院广东工业大学信息工程学院）Email-；现代传感新技术现代传感新技术一、课程目的一、课程目的掌握现代传感新技术核新思想掌握现代传感新技术核新思想了解现代传感新技术最新进展了解现代传感新技术最新进展学习现代传感新技术最新理论学习现代传感新技术最新理论应用现代传感最新技术应用现代传感最新技术二、教学内容及考核要求二、教学内容及考核要求教材（上下册）教材（上下册）成绩：成绩：10%（听课）（听课）+20%（报告）（报告）+70%（考试）（考试）内容：以下册为主（上册自学）内容：以下册为主（上册自学）考核
2、考核：学习报告：学习报告+卷面考试卷面考试学学习习报报告告-2人人一一个个题题目目，综综述述某某种种传传感器基本原理及最新发展动态（国际前沿）感器基本原理及最新发展动态（国际前沿）第第0章章现代传感新技术综述现代传感新技术综述现现代代传传感感新新技技术术-指指最最近近十十几几年年内内研研究究开开发发出出来来的的、已经已经或正在走向实用化的传感器或正在走向实用化的传感器现现代代传传感感新新技技术术核核心心-新新效效应应机机理理、新新材材料料发发现现、新新加加工工工工艺艺现代现代新型传感器新型传感器-智能传感器智能传感器-IntelligentSensor-SmartSensor-Intellig
3、entSensorSystem-IntelligentInstrumentation现现代代传传感感新新技技术术应应用用-仿仿生生传传感感与与应应用用、生生物物医医学学、食食品品安安全全等等0.1新型传感效应新型传感效应光效应、磁效应、力效应、声效应、化学效应、生物效应光效应、磁效应、力效应、声效应、化学效应、生物效应一、新型光效应一、新型光效应光光电电效效应应-光光电电导导效效应应、光光生生伏伏特特效效应应电电光光效效应应-克克尔尔效效应应、光光弹弹效效应应光多普勒效应光多普勒效应0.1新型传感效应新型传感效应一、新型光效应一、新型光效应1、光电导效应、光电导效应内内光光电电效效应应-在在光
4、光辐辐射射作作用用下下，材材料料的的电电导导率率发发生生变变化化在材质均匀的光电材料两端在材质均匀的光电材料两端加上一定电压，加上一定电压，当光照射到材料上时，由光当光照射到材料上时，由光照产生的光生载流子在外照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向加电场作用下沿一定方向运动，在回路中产生电流运动，在回路中产生电流Ip电流电流Ip的大小受光照强度的控制，的大小受光照强度的控制，用这种光电导效应制作的典型器件就是光敏电阻用这种光电导效应制作的典型器件就是光敏电阻0.1新型传感效应新型传感效应一、新型光效应一、新型光效应2、P-N结光伏效应结光伏效应当光照射当光照射PN结时，只要结时，只要入射
5、光子能量大于材料禁入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生带宽度，就会在结区产生电子一空穴对电子一空穴对这些非平衡载流子在内建电场的作用下，按一定方向运动，在开这些非平衡载流子在内建电场的作用下，按一定方向运动，在开路状态下形成电荷积累，产生了一个与内建电场方向相反的光生路状态下形成电荷积累，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即光生电压电场，即光生电压若若P-N结两边外接一负载电阻结两边外接一负载电阻RL，光激发产生的电子一空穴对形，光激发产生的电子一空穴对形成的光生电流成的光生电流I。它与光照有关，其方向与。它与光照有关，其方向与P-N结反向饱和电流结反向饱和电流相同相同0.1新型
6、传感效应新型传感效应一、新型光效应一、新型光效应3、科顿科顿(Cotton)效应效应科科顿顿效效应应-能能使使左左、右右旋旋圆圆偏偏振振光光传传输输速速度度相相异异的的旋旋光光性性物物质质，在在直直线线偏偏振振光光入入射射并并透透过过时时，会会产产生生a角角的的偏偏转转现现象象称称为为0.1新型传感效应新型传感效应二、磁效效应二、磁效效应磁光效应磁光效应-法拉第效应、克尔效应等法拉第效应、克尔效应等磁电效应磁电效应-霍耳霍耳(Hall)效应、磁阻效应等效应、磁阻效应等压磁效应压磁效应-磁致伸缩、威德曼效应等磁致伸缩、威德曼效应等约瑟夫效应、核磁共振等约瑟夫效应、核磁共振等0.1新型传感效应新型
7、传感效应二、磁光效应二、磁光效应1、法拉第效应、法拉第效应-又又称磁致旋光称磁致旋光效应效应当当线线偏偏振振光光通通过过处处于于磁磁场场下下的的透透明明介介质质时时，光光线线的的偏偏振振面面(光光矢矢量量振振动动方方向向)将将发发生生偏偏转转，其其偏偏转转角角与与磁磁感感应应强强度度B以以及及介介质质的的长长度度L成比例关系成比例关系K-是物质的特性常数，与光波波长和温度有关。是物质的特性常数，与光波波长和温度有关。0.1新型传感效应新型传感效应二、磁效效应二、磁效效应2、霍耳效应霍耳效应霍耳效应实际上是基于洛伦兹力的效应；霍耳效应实际上是基于洛伦兹力的效应；KH-霍尔常数霍尔常数当电流通过半
8、导体薄片时，垂直于电流方向的磁场当电流通过半导体薄片时，垂直于电流方向的磁场B使电子向薄片使电子向薄片的一侧偏转，从而使薄片的两侧产生电位差的一侧偏转，从而使薄片的两侧产生电位差UH，0.1新型传感效应新型传感效应三、三、力效应力效应压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、压阻效应压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、压阻效应1、压电效应压电效应当具有压电效应的材料受到沿当具有压电效应的材料受到沿一定方向的外力作用而变一定方向的外力作用而变形时，形时，在某两个表面上将产生极性相在某两个表面上将产生极性相 反的电荷。反的电荷。石英晶体石英晶体 压电陶瓷压电陶瓷(PZT)，高分子压电薄膜高分子压电薄膜 压电半导体压
9、电半导体常见压电材料常见压电材料0.1新型传感效应新型传感效应三、三、力效应力效应2、磁致伸缩效应磁致伸缩效应 （1）磁致伸缩效应磁致伸缩效应-铁磁体在磁场作用下，产生机械变形，其尺铁磁体在磁场作用下，产生机械变形，其尺寸、寸、大小会作相应的伸缩。大小会作相应的伸缩。当受到外磁场作用时，体内各磁畴转动并使它们的磁化方向尽量与当受到外磁场作用时，体内各磁畴转动并使它们的磁化方向尽量与外磁场相一致，导致磁性体沿外磁场方向的长度发生变化。外磁场相一致，导致磁性体沿外磁场方向的长度发生变化。（2）磁致伸缩机理磁致伸缩机理 从宏观的角度理解，磁性材料产生的长度变化可以看从宏观的角度理解，磁性材料产生的长
10、度变化可以看作磁性材料在作磁性材料在 外磁场作用下产生了自由应变外磁场作用下产生了自由应变E E。无外磁场作用时，磁性物质体内的磁畴排列杂乱无章，磁化均衡；无外磁场作用时，磁性物质体内的磁畴排列杂乱无章，磁化均衡；0.1新型传感效应新型传感效应三、三、力效应力效应3、饱和效应饱和效应 （1）在高分子核磁共振吸收过程中，随入射电磁波振幅的增加，高分子在高分子核磁共振吸收过程中，随入射电磁波振幅的增加，高分子吸收电磁吸收电磁波能量逐渐减少而趋于饱和波能量逐渐减少而趋于饱和 （2）饱和效应饱和效应机理机理 高分子核自旋吸收能量较多时，来不及转移而产生高分子核自旋吸收能量较多时，来不及转移而产生饱和效
11、应饱和效应。核自旋因磁场作用而能级分离，吸收外加电磁波能量使其能级上升发核自旋因磁场作用而能级分离，吸收外加电磁波能量使其能级上升发生核磁共振生核磁共振0.1新型传感效应新型传感效应四、化学效应四、化学效应 表面吸附效应、可顿效应、饱和效应、电泳效应、彼德效应等表面吸附效应、可顿效应、饱和效应、电泳效应、彼德效应等1、吸附效应吸附效应 金属氧化物的半导体陶瓷材料接触气体时，在特定温度下，材料吸附金属氧化物的半导体陶瓷材料接触气体时，在特定温度下，材料吸附气体分子，分子表面和气体分子之间发生电子交换，使得半导气体分子，分子表面和气体分子之间发生电子交换，使得半导体材料体材料 的表面电位、功函数及
12、电导率发生变化，这种现象称为吸附效应的表面电位、功函数及电导率发生变化，这种现象称为吸附效应氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半导体上，或还原型气体吸附到型半导体上，或还原型气体吸附到P型半型半导体上，将使其载流子减小，电阻增大。导体上，将使其载流子减小，电阻增大。吸附效应机理复杂，解释理论较多，在探索中吸附效应机理复杂，解释理论较多，在探索中还原型气体吸附到还原型气体吸附到N型半导体上，或氧化型气体吸附到型半导体上，或氧化型气体吸附到P型半导型半导体上，则其载流子增多，电阻减小体上，则其载流子增多，电阻减小0.1新型传感效应新型传感效应四、化学效应四、化学效应 2、半导体表面场效应半导体表
13、面场效应 表面场效应表面场效应-利用电压所产生的电场控制半导体表面电流的效应利用电压所产生的电场控制半导体表面电流的效应表面场效应表面场效应作用随环境气体、溶液离子浓度等化学物质而变化作用随环境气体、溶液离子浓度等化学物质而变化利用利用表面场效应表面场效应可构成气敏、离子敏、生物敏等半导体场效应化学传可构成气敏、离子敏、生物敏等半导体场效应化学传感器。感器。0.1新型传感效应新型传感效应五、光多普勒效应五、光多普勒效应 2、与信号源的自身频率、与信号源的自身频率f0不相同，并且，若两者相对运动，传感器所不相同，并且，若两者相对运动，传感器所接受的信号频率接受的信号频率ff0f0，若两者相向运动
14、，则，若两者相向运动，则，ff0f0光光多普勒效应多普勒效应声声多普勒效应多普勒效应1、具有一定频率、具有一定频率f0的信号源与传感器之间以速度的信号源与传感器之间以速度V相对运动，传感器相对运动，传感器所接受的信号频率所接受的信号频率f与信号源的自身频率与信号源的自身频率f0不相同。不相同。0.2新型敏感材料新型敏感材料按结晶状态分类按结晶状态分类-单晶、多晶、非晶和微晶等单晶、多晶、非晶和微晶等敏敏感感材材料料-指指能能利利用用物物理理效效应应或或化化学学、生生物物反反应应原原理理做做成成敏敏感感元元件件 的基体材料的基体材料按电子结构和化按电子结构和化学键分类学键分类-金属、陶瓷和聚合物
15、等金属、陶瓷和聚合物等按物理性质分按物理性质分-超导体、导电体、半导超导体、导电体、半导体、介电体、铁血体、压电体、介电体、铁血体、压电 体、铁磁体、铁弹体、磁弹体等等体、铁磁体、铁弹体、磁弹体等等按形态分按形态分-掺杂、掺杂、微粉、薄膜、块状、纤维等微粉、薄膜、块状、纤维等 按按功功能能可可分分-力力敏敏、压压敏敏、光光敏敏、色色敏敏。声声敏敏、磁磁敏敏、气气敏敏、湿湿敏敏等等0.2新型敏感材料新型敏感材料一、半导体敏感材料一、半导体敏感材料半导体材料可以将多种非电量转换为电量半导体材料可以将多种非电量转换为电量光、声、热、磁、气、湿光、声、热、磁、气、湿等都可利用相应的半导体材料进行传感等
16、都可利用相应的半导体材料进行传感光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术 光纤的外界环境变化（压力、温度、电场、磁场），将引起在光纤中传光纤的外界环境变化（压力、温度、电场、磁场），将引起在光纤中传输光波的某些物理量（输光波的某些物理量（光强、相位、频率、偏振态）等光强、相位、频率、偏振态）等发生变化发生变化。二、光导纤维二、光导纤维测出光波物理量变化，就知道导致这些光波特性变化的测出光波物理量变化，就知道导致这些光波特性变化的压力、温度、电压力、温度、电 场、磁场等物理量的大小，场、磁场等物理量的大小，光光导导纤纤维维由由三三层
17、层构构成成-纤纤芯芯、包包层层，保保护护层层0.2新型敏感材料新型敏感材料三、高分子材料三、高分子材料高分子集合体固高分子集合体固体的特征是非晶结构，高分子材料在电气特性上主要体的特征是非晶结构，高分子材料在电气特性上主要 表现为绝缘性表现为绝缘性高分子高分子敏感材料敏感材料-主要用于压电、热释电、光电材料等。主要用于压电、热释电、光电材料等。石石英英晶晶体体化化学学成成分分为为Si0Si02 2，理想形状为六角锥体理想形状为六角锥体在电轴和机械轴方向，石在电轴和机械轴方向，石英英 晶体具有压电效应和逆压电晶体具有压电效应和逆压电 效应；效应；四、石英晶体四、石英晶体在光轴方向，具有光双折射效
18、应。在光轴方向，具有光双折射效应。0.3新加工工艺新加工工艺 薄膜成膜薄膜成膜-主要方法蒸发、溅射、化学气相淀积。主要方法蒸发、溅射、化学气相淀积。化学气相淀积化学气相淀积-使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态物质淀积在衬底上使气态物质经化学反应形成固态物质淀积在衬底上一、薄膜加工工艺一、薄膜加工工艺 蒸发和溅射蒸发和溅射需要在真空中进行，主要设备是真空镀膜机需要在真空中进行，主要设备是真空镀膜机 微细加工方法微细加工方法-腐蚀、键合、光刻、薄膜、腐蚀、键合、光刻、薄膜、刻蚀、拉丝、激光、超声刻蚀、拉丝、激光、超声微微细细加加
19、工工技技术术-已已进进入入纳纳米米量量级级。并并向向0.1nm0.1nm方方向向及及原原子子或或分分子子尺尺寸寸挺挺进进 0.3新加工工艺新加工工艺 曝光微细加工曝光微细加工-光学曝光微细加工工艺；光学曝光微细加工工艺；电子束曝光微细加工工艺；电子束曝光微细加工工艺；离子束曝光微细加工工艺，离子束曝光微细加工工艺，在微电子、光电子、集成光学、光电集成电路等领域都能发挥在微电子、光电子、集成光学、光电集成电路等领域都能发挥广泛的作用。广泛的作用。二、光学曝光微加工工艺二、光学曝光微加工工艺 三、激光徽细加工三、激光徽细加工 激光微细加工技术激光微细加工技术-激光辅助气相淀积、激光辅助固相淀积、光
20、辅助液相淀积、激光辅助气相淀积、激光辅助固相淀积、光辅助液相淀积、激光辅助扩散、激光退火等激光辅助扩散、激光退火等0.4应用举例应用举例一一智能传感器系统智能传感器系统 BlockofintelligentsensorssystemIntelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例二、二、智能传感器系统智能传感器系统-电子鼻电子鼻 Blockofintelligentsensorsystem-electronicnose(智能传感器智能传感器-电子鼻框图电子鼻框图)Intelligent Sensor
21、s System School of Information Engineering传感器阵列传感器阵列气味传递气味传递 0.4应用举例应用举例三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem）(a)A sensor(b)A preprocessing mechanism(预处理装置）预处理装置）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例 三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrec
22、ognitionsystem）(c)A feature extraction mechanism(manual or automated)（特征提取装置（手动或自动）（特征提取装置（手动或自动）(d)A classification or description algorithm（分类或运算）（分类或运算）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例 三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem）(e)A set of e
23、xamples(training set)already classified or described（一组已经被分类或被描述的样本）（一组已经被分类或被描述的样本）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem）Consider the following scenario*(考虑如下假定）考虑如下假定）（1）A fish processing plan wants to aut
24、omate the process of sorting incoming fish according to species(salmon（鲑鱼）（鲑鱼）or sea bass（黑鲈鱼）（黑鲈鱼）)Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例 三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem（2）The automation system consists of a conveyor belt for incoming pro
25、ducts（一条用于输入产品的传送带）（一条用于输入产品的传送带）two conveyor belts for sorted products（二条用于分类产品的传送带）（二条用于分类产品的传送带）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem a pick-and-place robotic arm（一个用于挑选和放置产品的机械手）（一个用于挑选和放置产品的机械手）a vision
26、 system with an overhead CCD camera（一个（一个CCD摄像视觉系统）摄像视觉系统）a computer to analyze images and control the robot arm（一台用于分析图（一台用于分析图象和控制机械手的计算机象和控制机械手的计算机）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem)（1）PreprocessingAd
27、justments for average intensity levelsSegmentation to separate fish from background（调整平均密度，将鱼从平（调整平均密度，将鱼从平台分散）台分散）（2）Sensor The camera captures an image as a new fish enters the sorting area（摄像机捕捉进入存储区的鱼）（摄像机捕捉进入存储区的鱼）（3）Feature ExtractionSuppose we know that,on the average,sea bass is larger than
28、salmon（假设已知黑鲈鱼平均体积大于鲑鱼）（假设已知黑鲈鱼平均体积大于鲑鱼）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem)（1）SensorThe camera captures an image as a new fish enters the sorting area（摄像机捕捉进入存储区的鱼）（摄像机捕捉进入存储区的鱼）（2）PreprocessingAdjustment
29、s for average intensity levelsSegmentation to separate fish from background（调整平均密度，将鱼从平（调整平均密度，将鱼从平台分散）台分散）（3）Feature ExtractionSuppose we know that,on the average,sea bass is larger than salmon（假设已知黑鲈鱼平均体积大于鲑鱼）（假设已知黑鲈鱼平均体积大于鲑鱼）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例
30、三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem)（4）Classification(A)Collect a set of examples from both species（从两种鱼中采集一组样本）（从两种鱼中采集一组样本）Plot a distribution of lengths for both classes（两种鱼长度分布状态图）（两种鱼长度分布状态图）(B)Determine a decision boundary(threshold)that minimizes the classification erro
31、r.（以最小误差确定决策边界线）（以最小误差确定决策边界线）(C)We estimate the systems probability of error and obtain a discouraging result of 40%(估计系统的概率误差，得到估计系统的概率误差，得到40%分类结果分类结果）What is next?Intelligent Sensors System 6-11 School of Information Engineering 0.4应用举例应用举例三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsyst
32、em)（D）Improving the performance of our PR system (a)Committed to achieve a recognition rate of 95%,we try a number of features Width,Area,Position of the eyes and mouth(为达到为达到95%识别率，尝试许多特征，如宽度，面积、眼睛和嘴巴的位置等）识别率，尝试许多特征，如宽度，面积、眼睛和嘴巴的位置等）Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4应用
33、举例应用举例三、仿生视觉检测系统（仿生视觉检测系统（Atypicalvisualpatternrecognitionsystem)（D）Improving the performance of our PR system (b)only to find out that these features contain no discriminatory information（找出这些不同特征区别的信息）（找出这些不同特征区别的信息）(c)Finally we find a“good”feature:average intensity of the scales(最后找到最后找到“好的好的”特征
34、：识别范围内的平均密度）特征：识别范围内的平均密度）Intelligent Sensors System School of Information Engineering0.4应用举例应用举例四、仿生嗅觉检测系统（仿生嗅觉检测系统（Atypicalolfactorypatternrecognitionsystem)0.4应用举例应用举例四、仿生嗅觉检测系统（仿生嗅觉检测系统（Atypicalolfactorypatternrecognitionsystem)1、生物嗅觉系统结构生物嗅觉系统结构0.4应用举例应用举例2 2、生物生物嗅觉信号的嗅觉信号的仿仿生处理方法生处理方法四、仿生嗅觉检测系
35、统（仿生嗅觉检测系统（Atypicalolfactorypatternrecognitionsystem)0.4应用举例应用举例3 3、仿仿生嗅觉信号处理硬件结构生嗅觉信号处理硬件结构四、仿生嗅觉检测系统（仿生嗅觉检测系统（Atypicalolfactorypatternrecognitionsystem)0.4应用举例应用举例4 4、仿、仿生嗅觉信号处理过程生嗅觉信号处理过程四、仿生嗅觉检测系统（仿生嗅觉检测系统（Atypicalolfactorypatternrecognitionsystem)0.4应用举例应用举例5 5、生物与仿、生物与仿生嗅觉信号处理结果比较生嗅觉信号处理结果比较四、
36、仿生嗅觉检测系统（仿生嗅觉检测系统（Atypicalolfactorypatternrecognitionsystem)本人目前研究方向本人目前研究方向二、工业控制系统集成二、工业控制系统集成-基于基于PLCPLC、变频器、组态软件等、变频器、组态软件等三、计算机嗅觉三、计算机嗅觉/味觉味觉-食品品质检、测控制等食品品质检、测控制等一一、智智能能仪仪器器开开发发-基基于于单单片片机机和和嵌嵌入入式式系系统仪统仪器仪表设计开发器仪表设计开发四、绿色电子产品开发四、绿色电子产品开发 6ContactMe Name:Dehan Luo Office:Room 713,Engineering Building 1 Phone:39322256 Ext.713 Email: