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先进传感技术(“十二五”国家重点图书出版规划项目)

先进传感技术
先进传感技术(“十二五”国家重点图书出版规划项目)
作者:杨圣 等(编著)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-03403-9
估价:41.00元
版本:1
装帧:平装
预计出版年月:201401
丛书名称:中国科学技术大学精品教材

图书简介:

  本书的主要内容包括:国内外先进传感技术现状及发展趋势,先进传感材料,微传感器制造技术,传感器建模新方法,传感器设计、仿真及其工具软件等新概念、新思想和新知识,以及国内外典型先进传感器的材料特性、结构特点、原理分析和设计方法。本书讲述先进传感技术,具体体现在新原理、新材料、微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化和融合化。书中还引入了“外化”、“体外进化”和“师法自然”等哲学概念,目的是揭示传感技术发展的内在规律,寻求创新的有效途径。
  本书适合于精密仪器与机械、机械电子工程、测试计量技术及仪器等专业的研究生学习,也可作为相关科技工作者的参考书。

前言:
  传感器是自动化信息化智能化系统与设备的关键部件。我们正处在信息时代,几乎所有的行业都在用自动化信息化智能化的设备与系统取代老式设备与系统。目前,敏感元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化程度的重要标志,正如国外有的专家认为:谁支配了传感器,谁就支配了目前的新时代。
  传感技术涉及的学科广泛,不仅工程技术类学科离不开它,即使是数学、物理学、化学、地球科学、生物学、天文学这些基础学科也与之相互融合。举例来说,传统上数学是传感技术的基础之一,但传感器对数学的贡献却很少,出人意料的是近年来“压缩传感技术”成了很多数学家的研究课题。在作者的教学实践中,经常会有一些学基础科学的同学不解地问:“传感技术对基础科学研究真的很重要吗?”回答是肯定的。买来的仪器基本上都不是你所独有的,世界上那么多人用此仪器都没有观察到的现象,被你观察到的概率也会非常小。如果你能自己研制或改进传感器,那就大不一样了,你可以看到别人看不到的现象,进而发现别人发现不了的规律。客观地说,很少有一门技术能像传感技术这样来源于如此多的学科,而又反过来服务于这些学科。
  本书选取的内容侧重于先进传感技术。所谓先进传感技术,就是代表传感技术发展方向的传感技术,主要体现在以下几个方面:新原理、新材料、微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化和融合化。除此之外,先进传感技术必然要拥有先进的分析、仿真和设计手段,离不开最新软件工具的支持。由于先进传感技术涉及光、机、电等多个领域,需要掌握的软件工具也就随之增多,以至于一个人要花大量的时间才能够熟悉这些软件工具。限于篇幅,本书只能对这些软件工具作简要介绍,无法深入展开。
  本书首次将哲学上的“外化”与“体外进化”概念引入到先进传感技术领域。作者相信,这两个概念的引入有助于我们更好地理解传感技术的本质,把握传感技术发展的脉络,看清传感技术的美好未来。另外,本书对“师法自然”思想给予了很高的评价。回顾科学技术发展的历史,大自然的启迪功不可没。众所周知,无论是中文书中介绍的传感技术,还是外文书中介绍的传感技术,都是别人已经解决的传感技术;然而,从大自然这本无字天书中得到的传感技术一定是原创的。需要指出的是,要读懂大自然这本无字天书可不是一件容易的事,得下一辈子的苦功夫。还有“智能传感器”这个概念,目前学术界使用比较混乱,本书尝试对此概念作出定义。
  本书是在国家自然科学基金项目(批准号:61172036)科研工作基础上完成的,在此对国家自然科学基金委信息一处给予的支持表示衷心的感谢!
 
 
杨圣
2013年12月
目录:
总序(ⅰ)
前言(ⅲ)
第1章传感器概论(1)
1.1人体感官与传感器(3)
1.1.1人的外化(3)
1.1.2人的体外进化(4)
1.1.3人体感官的外化与体外进化(5)
1.1.4师法自然与仿生传感器(9)
1.2传感器的分类、构成与发展动向(13)
1.2.1传感器的分类(14)
1.2.2传感器的构成(16)
1.2.3传感器的发展动向(17)
参考文献(20)
第2章传感器材料(21)
2.1电学功能材料(21)
2.1.1导电材料(22)
2.1.2绝缘材料(22)
2.1.3半导体材料(23)
2.2磁学功能材料(25)
2.2.1磁性材料(25)
2.2.2有机磁体(26)
2.2.3磁电材料(26)
2.3光学功能材料(27)
2.3.1透光材料和导光材料(27)
2.3.2发光材料(27)
2.3.3激光材料(28)
2.3.4光调制用材料(28)
2.3.5光电材料(30)
2.4热功能材料(30)
2.4.1热电材料(30)
2.4.2磁热材料(32)
2.4.3高温材料(32)
2.5生物体功能材料(33)
2.5.1生物材料(33)
2.5.2仿生材料(35)
2.6特殊功能材料(37)
2.6.1复合功能材料(37)
2.6.2纳米材料(39)
2.6.3隐身材料(41)
2.6.4聪明材料和智能材料(41)
参考文献(42)
第3章传感器工艺(43)
3.1去除加工(45)
3.1.1腐蚀工艺(45)
3.1.2牺牲层技术(45)
3.2附加加工(48)
3.2.1镀膜工艺(48)
3.2.2光刻技术(53)
3.2.3LIGA技术(58)
3.3辅助工艺(59)
3.3.1黏结(59)
3.3.2共晶键合(59)
3.3.3玻璃密封(59)
3.3.4阳极键合(60)
3.3.5冷焊(60)
3.3.6钎焊(61)
3.3.7硅硅直接键合(61)
3.3.8微装配(61)
3.4封装技术(64)
3.4.1芯片级封装(65)
3.4.2圆片级封装(67)
3.4.3系统级封装(67)
3.5质量控制(68)
3.5.1微测试技术(68)
3.5.2可靠性技术(69)
3.6洁净室(70)
参考文献(71)
第4章微传感器设计、建模与仿真(73)
4.1微传感器设计(73)
4.1.1尺度效应(74)
4.1.2微传感器动力学(76)
4.2微传感器建模(77)
4.2.1相似等效法(78)
4.2.2分析力学建模(78)
4.2.3耦合场建模(80)
4.3微传感器仿真(82)
4.3.1MEMS CAD软件(82)
4.3.2SolidWorks软件(84)
4.3.3Comsol,Ansys,MATLAB软件(84)
4.3.4Zemax,TracePro,OptisWorks 软件(85)
参考文献(85)
第5章硅电容式微传感器(87)
5.1典型传感器结构及工作原理(87)
5.1.1微型硅加速度计(88)
5.1.2硅集成压力传感器(93)
5.1.3CMOS集成电容湿度传感器(94)
5.2设计、建模与仿真(97)
5.2.1硅微加速度传感器设计(97)
5.2.2硅集成压力传感器设计(99)
5.2.3等效电学模型(100)
5.3典型接口电路(101)
5.3.1CAV系列接口电路(101)
5.3.2XE2004接口电路(104)
5.4检测与质量保证(107)
5.4.1加速度计的静态校准(107)
5.4.2硅压力传感器的可靠性测试(108)
参考文献(109)
第6章谐振式传感器(111)
6.1常用的激振、拾振方法(111)
6.1.1静电激振与静电拾振(112)
6.1.2电磁激振与拾振(113)
6.1.3压电激振与拾振(113)
6.1.4电热激振与压阻拾振(113)
6.1.5光激振与拾振(114)
6.2谐振式加速度传感器(117)
6.2.1振梁型谐振加速度计(117)
6.2.2静电刚度式谐振微加速度计(118)
6.2.3DETF谐振式微加速度计(119)
6.3谐振式压力传感器(120)
6.3.1硅谐振式压力微传感器(120)
6.3.2石英谐振式压力传感器(123)
6.3.3振弦式称重传感器(125)
6.4谐振式微机械陀螺(127)
6.4.1工作原理及理论公式(127)
6.4.2理论分析(127)
参考文献(129)
第7章声表面波传感器(131)
7.1叉指换能器(132)
7.1.1基本结构(132)
7.1.2声表面波激励(132)
7.1.3基本分析模型(133)
7.2SAW传感器的结构及等效电路(136)
7.2.1延迟线型结构(136)
7.2.2谐振器型结构(137)
7.2.3SAW器件等效电路(139)
7.2.4SAW传感器封装(139)
7.2.5SAW传感器测量方法(142)
7.3典型SAW传感器(143)
7.3.1SAW加速度传感器(143)
7.3.2SAW压力传感器(145)
7.3.3SAW温度传感器(147)
7.3.4SAW无源无线传感器(148)
参考文献(150)
第8章薄膜传感器(152)
8.1薄膜的测量与分析(152)
8.1.1薄膜的方块电阻(152)
8.1.2薄膜的附着力(154)
8.1.3薄膜的硬度(158)
8.1.4薄膜的厚度(158)
8.1.5薄膜的分析(159)
8.2薄膜温度传感器(160)
8.2.1热电阻传感薄膜(161)
8.2.2薄膜热电偶(162)
8.3薄膜力传感器(165)
8.3.1超低温薄膜压力传感器(165)
8.3.2单点力传感器(166)
8.4薄膜磁敏电阻传感器(169)
8.4.1电流传感器(170)
8.4.2机械量传感器(170)
8.4.3薄膜磁敏电阻元件KMZ10(171)
8.4.4MR400,ER450磁阻器件(173)
参考文献(174)
第9章隧道传感器(175)
9.1隧道加速度计(177)
9.1.1JPL设计原型(178)
9.1.2JPL改进型(179)
9.1.3力平衡式(180)
9.2隧道陀螺(181)
9.2.1悬臂梁式微机械隧道陀螺仪(181)
9.2.2正交梁式隧道效应微机械陀螺仪(182)
9.2.3隧道角速度传感器(184)
9.3隧道磁强计(188)
9.3.1隧道磁强计原型(188)
9.3.2水平式隧道磁强计(191)
9.4触觉传感器(192)
9.5隧道红外探测器(193)
9.5.1JPL设计原型(193)
9.5.2JPL改进型(194)
参考文献(195)
第10章光学传感器(196)
10.1光电传感器(197)
10.1.1光敏电阻(199)
10.1.2光电池(202)
10.1.3光敏晶体管(204)
10.1.4光电倍增管(207)
10.2光波传感器(211)
10.2.1红外温度传感器(211)
10.2.2电光传感器(212)
10.2.3磁光传感器(217)
10.2.4多普勒传感器(218)
10.3光纤传感器(221)
10.3.1通信光纤(222)
10.3.2非通信光纤(229)
10.3.3光纤器件(237)
10.3.4光纤法布里珀罗传感器(240)
10.3.5光纤水听器(242)
10.3.6光纤陀螺(245)
参考文献(247)
第11章图像传感器(249)
11.1可见光图像传感器(249)
11.1.1CCD图像传感器(256)
11.1.2CMOS图像传感器(260)
11.1.3CIS图像传感器(264)
11.2红外图像传感器(266)
11.2.1红外探测器(268)
11.2.2凝视型红外成像(269)
11.2.3扫描型红外成像(270)
11.2.4红外制导技术(270)
11.3紫外图像传感器(274)
11.3.1紫外探测器件(275)
11.3.2紫外告警技术(277)
11.3.3极紫外成像仪(279)
11.3.4紫外指纹检测(280)
参考文献(281)
第12章智能传感器(283)
12.1独立智能传感器(283)
12.1.1基本功能(283)
12.1.2典型结构(285)
12.2传感器网络(285)
12.2.1有线传感器网络(286)
12.2.2无线传感器网络(287)
12.2.3传感器网络编程(289)
12.3多传感器信息融合(290)
12.3.1基本概念(292)
12.3.2层次结构(292)
12.3.3实现方法(294)
参考文献(295)
第13章化学传感器(296)
13.1电化学传感器(297)
13.1.1恒电位电解式气体传感器(299)
13.1.2离子电极式气体传感器(301)
13.1.3电量式气体传感器(302)
13.1.4伽伐尼电池式气体传感器(302)
13.1.5浓差电池式气体传感器(303)
13.2半导体化学传感器(305)
13.2.1薄膜电导型气体传感器(305)
13.2.2二极管型气体传感器(306)
13.2.3晶体管型气体传感器(307)
13.2.4场效应管型气体传感器(307)
13.2.5平面热线型气体传感器(307)
13.3光化学传感器(309)
13.3.1光纤化学传感器(309)
13.3.2荧光、磷光传感器(312)
13.3.3电化学发光传感器(316)
13.4机械化学传感器(317)
13.4.1石英晶体气体传感器(317)
13.4.2硅梁谐振器气体传感器(317)
13.4.3声表面波气体传感器(318)
13.5分子印迹(319)
参考文献(320)
第14章生物传感器(322)
14.1信号转换器(325)
14.1.1电化学电极(325)
14.1.2场效应管(326)
14.1.3热敏电阻(326)
14.1.4压电晶体(326)
14.1.5光纤(327)
14.1.6SPR(327)
14.2生物敏感材料固定(328)
14.2.1吸附法(328)
14.2.2包埋法(329)
14.2.3共价键法(331)
14.2.4LB膜法(331)
14.3典型生物传感器(333)
14.3.1酶传感器(333)
14.3.2组织传感器(336)
14.3.3微生物传感器(338)
14.3.4免疫传感器(341)
14.3.5DNA传感器(343)
14.3.6SPR生物传感器(345)
14.3.7生物芯片(346)
参考文献(347)
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