智能传感器及其融合技术

人工智能时代的到来，激发了传感器更为广泛的应用，本书以国际视角对传感器及其融合技术进行了系统且全面的介绍，可帮助读者迅速概览全球传感器行业现状，展望未来，掌握新技术！ 

《智能传感器及其融合技术》是一本全面介绍当今智能传感器及其融合技术的著作，以24章内容从4个方面对当今 传感器及其融合技术进行了全面且细致的介绍，内容涵盖了微流体技术及生物传感器、化学及 环境传感器、汽车及工业传感器以及与传感器相关的软件和传感器系统。这些内容深入展示了 智能传感器及其融合领域丰富多彩的开发工作。通过本书希望读者能够及时、深入地了解未来 传感器的工作，并能够继续开发自己的新型智能传感器及系统。

凯文·亚鲁(KevinYallup)博士是加拿大艾伯塔（Alberta）省ACAMP的首席技术官，其致力于将基于技术的新产品推向市场。ACAMP正在与一些开发传感器的公司合作开发各种商业应用，如生物医学、能源、导航和跟踪等。
凯文·亚鲁博士在多个行业拥有超过15年的MNT产品开发经验。他曾在Technology for Industry （TFI）公司、CDT公司、Kymata公司，BCO Technologies（NI）公司、National Semiconductor和Analog Devices等公司担任工程管理职位。他曾与多家大学和公司合作开展技术的全面商业化转化工作。凯文·亚鲁博士毕业于英国剑桥大学固体物理学专业，获得自然科学学位，并在比利时鲁汶大学（University of Leuven）获得博士学位。
在进入ACAMP之前，凯文·亚鲁博士是TFI公司的技术总监，专门为诸如微米和纳米技术等新兴技术的商业化提供服务和咨询服务，从而将其技术转化经验从从大学扩展到了商用领域。在为TFI公司工作期间，凯文·亚鲁博士是艾伯塔省MNT商业化研究的项目负责人，并为ACAMP开发了商业案例。他职业生涯的早期是在半导体行业中从事前沿的模拟CMOS和BiCMOS工艺的开发和商业化工作。

克日什托夫·印纽斯基（Krzysztof（Kris）Iniewski）博士负责管理加拿大温哥华创业公司Redlen Technologies公司的研发工作。该公司革命性的先进半导体材料生产工艺使新一代的全数字辐射成像解决方案成为可能。印纽斯基还是CMOS Emerging Technologies Research(wwwcmosetrcom)公司的总裁，该公司是一个涵盖通信、微系统、光电子和传感器的高科技组织。在他的职业生涯中，印纽斯基博士在多伦多大学、艾伯塔大学、SFU和PMCSierra公司担任过众多教学和管理职位。他在国际期刊和会议上发表了100多篇研究论文。他拥有在美国、加拿大、法国、德国和日本授予的18项国际专利。他也经常受邀演讲，并为多个国际组织提供咨询。他为CRC Press、Cambridge University Press、IEEE Press、Wiley、McGrawHill、Artech House和Springer等多家出版社编写和编辑过多本著作。他的个人目标是通过创新工程解决方案为健康生活和可持续发展做出贡献。在闲暇的时间里，人们可以在不列颠哥伦比亚省迷人的风景中发现Kris远足、航海、滑雪或骑自行车的身影。读者可以通过krisiniewski@gmailcom与他联系。

目录

译者序
原书前言
第1部分微流体技术及生物传感器
第1章用于生物样本制备和分析的基于微滴的微流体技术1
1.1引言1
1.2基于微滴的操作2
1.2.1微滴的产生2
1.2.2微滴内试剂的组合及混合4
1.2.3微滴的培养6
1.2.4微滴的读出策略6
1.3基于微滴的微流体的前景9
1.3.1基于LC/MS的蛋白质组增强分析9
1.3.2单细胞化学分析13
1.4结论13
参考文献13
第2章微流控技术中被动流体控制的裁剪润湿性17
2.1引言17
2.2润湿理论18
2.2.1热力学平衡18
2.2.2润湿迟滞19
2.2.3动态润湿21
2.3微通道的润湿性裁剪22
2.4微通道中的流体控制25
2.4.1毛细管流25
2.4.2毛细管拉普拉斯阀28
2.4.3润湿性流导引30
2.4.4分散相微流体34
2.5总结与展望38
参考文献39
第3章用于自动多步骤过程即时诊断的二维纸网络46
3.1低资源环境下性能改进试验的需求46
3.2纸基的诊断是一个潜在的解决方案46
3.3用于自动多步样品处理的纸网络47
3.4纸流体工具箱:纸网络中的泵控制和阀48
3.5二维纸网络（2DPN）的应用52
3.5.1样本稀释和混合53
3.5.2小分子提取53
3.5.3信号扩增54
3.5.4与纸基微流体技术互补的特定技术进展55
3.6总结57
参考文献57
第4章碳纳米纤维作为硅兼容平台上的电流生物传感器60
4.1引言60
4.2背景60
4.2.1第一代电流传感器61
4.2.2第二代电流传感器61
4.2.3第三代电流传感器61
4.3碳纳米纤维作为生物传感器的电极62
4.3.1碳纳米纤维生长技术62
4.3.2纳米纤维电极的功能化64
4.4基于碳纳米纤维的生物传感器的具体应用67
4.5与传感器结构的集成68
4.6硅的兼容性68
4.7相关挑战69
4.8结论69
参考文献70
第5章传感器技术到医疗器械环境的转化73
5.1引言73
5.2医疗器械的FDA监管控制过程73
5.2.1器械如何使用74
5.2.2安全性和有效性74
5.2.3实质等效比较的建立74
5.2.4监管途径75
5.2.5独立的器械测试76
5.2.6引起监管决策点的传感器特性的一些具体实例76
5.3葡萄糖传感器78
5.4胶囊内窥镜80
5.5人工耳蜗植入80
5.6FDA监管的当前趋势81
5.7总结83
参考文献83
第2部分化学及环境传感器
第6章多区域表面等离子体谐振光纤传感器85
6.1引言85
6.2平面SPR理论概述85
6.3光纤标准90
6.4光纤SPR理论91
6.5建模结果93
6.6实验94
6.6.1纤维制备94
6.6.2MATLAB算法97
6.6.3GAS样品生成97
6.7结果97
6.7.1Pd/H297
6.7.2Ag/H2S98

6.7.3SiO2/H2O100
6.8多功能SPR纤维101
6.9结论103
参考文献103
第7章有源纤芯光纤化学传感器及应用105
7.1AC-OFCS和EW-OFCS的原理105
7.1.1用光纤芯作为传感器的OFCS106
7.1.2用定制包层作为传感器的OFCS106
7.2AC-OFCS与EW-OFCS的比较107
7.3AC-OFCS和应用107
7.3.1用裁剪定制的PSOF作为传感器的AC-OFCS107
7.3.2用LCW作为传感器的AC-OFCS111
7.3.3用HWG作为传感器的AC-OFCS116
参考文献117
第8章全聚合物柔性平板波装置119
8.1引言119
8.1.1动机119
8.1.2声波微传感器120
8.1.3重量测量1218.2柔性平板波121
8.2.1背景121
8.2.2灵敏度122
8.2.3低刚度衬底效应123
8.2.4传感限制124
8.3制造124
8.3.1材料、制备和表征124
8.3.2封装127
8.3.3喷墨打印127
8.3.4FPW设备测试128
8.4FPW设备性能128
8.4.1质量加载129
8.4.2气体传感130
8.4.3聚合物表征131
8.4.4FPW设备的性能极限132
8.5结论132
参考文献133
第9章耳语画廊微腔传感135
9.1引言135
9.2耳语画廊微谐音器的基础135
9.3微腔的材料138
9.4微腔的结构138
9.4.1二氧化硅微球140
9.4.2微盘140
9.4.3二氧化硅微型环芯141

9.4.4双盘微型谐振器141
9.4.5硅环谐振器141
9.4.6液芯光环谐振器141
9.4.7瓶颈微谐振器141
9.4.8二氧化硅微泡谐振器142
9.5反应敏感142
9.6参考干涉仪检测144
9.7分频检测145
9.8等离子体激增147
9.9光机械传感148
9.10利用二次谐波生成进行感测149
9.11结论和未来研究149
参考文献150
第10章动态纳米约束的耦合化学反应:Ⅲ蚀刻轨道及其前体结构中Ag2O膜的电子表征153
10.1引言153
10.2试验153
10.2.1形成具有嵌入式Ag2O膜的蚀刻轨道153
10.2.2电子表征154
10.3电子表征在PET箔蚀刻轨道内的Ag2O膜的形成过程:结果和讨论155
10.3.1电流/电压谱155
10.3.2伯德图160
10.3.3傅里叶光谱161
10.3.4四极参数162
10.4总结165
参考文献166
第11章走向无监督的智能化学传感器阵列168
11.1引言168
11.2智能化学传感器阵列169
11.2.1电位传感器169
11.2.2电位传感器的选择性问题169
11.2.3化学传感器阵列170
11.3盲源分离170
11.3.1问题描述171
11.3.2盲源分离的执行策略171
11.3.3非线性混合173
11.4盲源分离方法在化学传感器阵列中的应用174
11.4.1第一个结果174
11.4.2不同价情况下的基于独立成分分析的分析方法174
11.4.3使用先念信息估计电极的斜率176
11.4.4贝叶斯分离在化学传感器阵列中的应用176
11.5实用问题178
11.5.1尺度歧义的处理178
11.5.2ISEA数据库179
11.6结论179
参考文献179
第12章金属氧化物半导体气体鉴别传感器中的沸石转化层181
12.1引言181
12.1.1MOS简介181
12.1.2气体相互作用模型:p型传感器响应18212.1.3等效电路模型182
12.1.4丝网印刷183
12.1.5什么是沸石183
12.1.6在该领域工作的其他团体184
12.2实验准备184
12.2.1材料的制作184
12.2.2材料表征185
12.2.3传感器特性和测试186
12.2.4相关理论:扩散反应建模187
12.3测试结果188
12.3.1增加识别度188
12.3.2分析物调谐的气体传感器:乙醇189
12.3.3分析物调谐的气体传感器:二氧化氮190
12.3.4测试结果的扩散反应建模191
12.4讨论192
12.4.1实验结果192
12.4.2实验结果的扩散反应建模194
12.5结论196
参考文献196
第3部分汽车及工业传感器
第13章微机械非接触式悬浮装置198
13.1引言198
13.2基于非接触式悬浮的微机械动力调谐陀螺仪201
13.2.1动力学模型及工作原理201
13.2.2数学模型203
13.2.3特定情况下的模型分析205
13.3零性系数的悬浮209
13.3.1悬浮的运动学特性及工作原理209
13.3.2数学模型210
13.3.3稳定悬浮的条件212
13.3.4弹性系数的补偿215
参考文献217
第14章汽车、消费和工业应用中的非接触角度检测219
14.1引言219
14.2非接触式电位计的应用220
14.2.1汽车行业中的应用220
14.2.2工业应用22114.2.3消费应用221
14.3非接触角度检测技术222
14.3.1光学传感器222

14.3.2电容传感器222
14.3.3感应传感器223
14.3.4霍尔效应传感器223
14.3.5磁敏感晶体管和MAGFET223
14.3.6磁阻223
14.3.7各向异性磁阻传感器224
14.3.8巨磁阻传感器224
14.4案例研究:基于巨磁阻传感器的非接触式电位计224
14.4.1非接触式电位计的物理布置225
14.4.2巨磁阻传感器桥226
14.4.3传感器误差和温度补偿227
14.4.4放大和电气误差补偿228
14.4.5传感器信号线性化230
14.4.6测量结果和性能比较235
14.5结论238
参考文献239
第15章用于安全应用的电容式传感器241
15.1引言:目的、目标和现状241
15.2电容测量242
15.2.1电容测量中的物理学特性242
15.2.2应用示例242
15.2.3在开放环境中的寄生效应246
15.2.4屏蔽与耦合248
15.3测量电路及模式249
15.3.1应用示例中的测量系统250
15.3.2不同的方法:电容层析成像252
15.4测量系统254
15.4.1评估电路的设计254
15.4.2与最先进的电容式传感器的比较255
15.4.3机器手臂上高反应性接近度检测传感器的测量258
15.5结论260
参考文献261
第16章保形微机电传感器265
16.1引言265
16.2保形微机电传感技术26616.3制造方法267
16.4封装268
16.5设计和特殊考虑270
16.6保形微机电传感器的例子270
16.6.1温度传感器270
16.6.2压力/力/触觉传感器271
16.6.3绝对压力传感器273
16.6.4加速度计273
16.7结论和未来的方向275
参考文献275
第17章射频毫米波模拟电路的嵌入式温度传感器表征279
17.1引言279
17.2用于射频电路测试的温度监测的物理原理280
17.3模拟电路的电气性能与温升产生之间的关系285
17.4温度感测策略:差分温度传感器287
17.5实验例子291
17.6结论294
参考文献295
第4部分软件和传感器系统
第18章多传感器系统的集成可靠性298
18.1背景和相关工作299
18.2容错筛选过程300
18.3最佳线性数据融合302
18.3.1问题描述302
18.3.2问题的确定解303
18.3.3精确度分析304
18.4实验设置和结果305
18.4.1具有温度传感器的系统配置305
18.4.2具有加速度计的系统配置306
18.4.3温度传感器的校准306
18.4.4加速度计的校准309
18.4.5准确度比较310
18.5总结和讨论313
参考文献313
第19章非静态干扰破坏信号模型的可用信号处理构建及干扰的检测与消除315
19.1可用信号段的一般统计分析31519.1.1引言315
19.1.2段长度建模315
19.1.3语音音素段相关性的建模320
19.1.4语音音素段的目标干扰比建模324
19.1.5结论328
19.2鲁棒信号段干扰的物理建模实例328
19.2.1引言328
19.2.2语音的分类329
19.2.3语音分割特征330
19.2.4主成分分析339
19.2.5语音音素段分类342
19.2.6结论348
19.A附录TIMIT数据库348
参考文献350
第20章用于实时观测和遥感数据采集的集成地理信息系统352
20.1引言352
20.2相关工作353
20.3地理环境的建立354

20.3.1传感器网络354
20.3.2网格计算355
20.3.3网络实现356
20.4架构的必要性356
20.5环境网络实现和遥感方案357
20.5.1空气质量监测系统359
20.5.2空气污染预防模型360
20.6实验结果362
20.7结论364
参考文献364
第21章基于Haar-Like特征的人体感知多功能识别366
21.1引言366
21.1.1传感器网络366
21.1.2潜在的应用366
21.1.3上下文识别中的常规方法368
21.1.4方法概述:多功能识别371
21.2为声音设计Haar-like特征373
21.2.1声音信号的特征373
21.2.2设计一维Haar-Like特征373
21.2.3Haar-Like特征值的计算37721.2.4Haar-Like特征计算成本的降低378
21.2.5用于评估的声音数据集378
21.3加速度信号的Haar-like特征的设计379
21.3.1引言379
21.3.2人类活动识别的传统研究380
21.3.3传感器的技术参数和人类活动数据集381
21.3.4评估标准381
21.3.5统计特征的集成381
21.4紧凑型分类器的设计384
21.4.1引言384
21.4.2正向估计386
21.4.3冗余特征选择388
21.4.4动态查找表388
21.4.5性能评估390
21.5结论和讨论393
参考文献393
第22章远程RF探测信息学398
22.1引言398
22.2背景398
22.2.1Shannon和Weaver的总体框架398
22.2.2互信息399
22.2.3可观测量、观测和逻辑推理400
22.3远程RF探测模式402
22.3.1有效性问题和查询方403
22.3.2语义问题是有效性和技术问题之间的接口404
22.3.3技术问题405
22.3.4应用信息理论来分析问题的各个方面407
22.4讨论408
22.5未来展望409
参考文献410
第23章电磁污染环境中集成过温传感器的可靠性411
23.1引言411
23.2热关断过温保护电路:正常工作状态412
23.3无线电频率干扰环境下的热关断过温保护电路414
23.4试验结果418
23.5结论420
参考文献421
第24章动态纳米约束的耦合化学反应:Ⅱ蚀刻轨道中Ag2O膜的制备条件423
24.1引言423
24.2实验:嵌入Ag2O膜蚀刻轨道的形成424
24.2.1预蚀刻步骤424
24.2.2膜形成步骤424
24.2.3电子表征424
24.2.4膜形成的细节425
24.3结果与讨论426
24.3.1预蚀刻时间对蚀刻轨道内Ag2O膜形成的影响426
24.3.2PET箔蚀刻轨道中Ag2O膜的去除430
24.4总结430
参考文献431

原书前言

微系统和微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）已经彻底改变了传感器和检测器的世界。一系列小型化的传感器已经出现，可以为便携式设备增加各种功能。例如，基于MEMS的加速度计和陀螺仪可以为便携式设备增加许多运动感知功能，使运动能够用于设备的控制或在捕捉数字图像时进行抖动的校正。诸如CCD以及最近的CMOS图像光学传感器已经给摄影带来了变革，并为各种应用实现了低成本的图像获取。
到目前为止，大多数传感器应用都专注于单传感器及相对简单的处理，以从传感器提取特定的信息。然而，有两个激动人心的新发展使传感器超越了简单的运动感知或图像捕捉领域，从而提供更多信息以及应用，如建筑环境中的位置、触觉感知，以及诸如毒素或流感病原体等化学物质的存在感知。这些新型传感器为机器提供了以更智能和更复杂的方式与周围世界进行交互的潜力，并可能导致诸如自主机器人那样更智能系统的出现，并能够独立完成复杂而艰巨的任务。本书旨在概述这些令人兴奋的新发展。
本书研究的第一个趋势是可以集成到阵列中的传感器数量和种类越来越多。不断增加的多样性意味着越来越多不同的刺激可以被可靠和准确地感知，从而形成更为复杂的环境感知方式。本书包含多种应用领域的传感器处理技术，例如生物技术、医学科学、化学检测、环境监测、汽车传感以及工业应用中的控制和感知等。这些领域传感能力的改进为传感器带来了许多令人兴奋的新应用。第二个趋势是通信设备的可用性和计算能力的提升，它们都将支持降低来自多个传感器的原始传感器数据量的算法，并将原始传感转换为传感器阵列所需要的信息，从而能够将感测结果快速地传输到需求点。
本书汇集了许多内容，以讨论软件和传感器系统以及传感器融合方面的问题。本书中各章节的内容，均为从工作在传感器技术前沿的作者那里收集并加以整理的，这些内容展示了智能传感器和传感器融合领域丰富多彩的开发工作。通过本书，希望读者能够及时、深入地了解未来传感器的工作，并能够继续开发自己的新型智能传感器和传感器系统。