传感器检测前沿知识综述

1、传感器检测前沿知识综述杜思诚 GS14060114当今社会的发展， 是信息化社会的发展。 在信息时代， 人们的社会活动将主 要依靠对信息资源的开发及获取、 传输与处理。 而传感器是获取自然领域中信息 的主要途径与手段， 是现代科学的中枢神经系统。 它是指那些对被测对象的某一 确定的信息具有感受 （ 或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应 的可输出信号的元器件或装置的总称。 传感器处于研究对象与测控系统的接口位 置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理 的电信号。 如果把计算机比喻为处理和识别信息的 “大脑 ”，把通信系统比喻为 传递信息的 “神经系统

2、 ”，那么传感器就是感知和获取信息的 “感觉器官 ”。传感器技术是现代科技的前沿技术， 发展迅猛， 同计算机技术与通信技术一 起被称为信息技术的三大支柱， 许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算 机技术同等重要的位置。 现代传感器技术具有巨大的应用潜力， 拥有广泛的开发 空间，发展前景十分广阔。一、传感器简介（一）传感器解释传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出 信号的器件或装置。其利用物理效应 . 化学效应 . 生物效应，把被测的物理 量，化学量，生物量等非电量转换成电量。传感器由敏感元件和转换元件 组成。敏感元件直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传

3、感器。转换元件能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量 的电信号部分。（二）传感器技术的基本特性在测试过程中，要求传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容 易测量的量。被测量有两种形式：一种是稳定的，称为静态信号；一种是随着时 间变化的，称为动态信号。由于输入量的状态不同，传感器的输入特性也不同， 因此，传感器的基本特性一般用静态特性和动态特性来描述。 衡量传感器的静态 特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。影响传感器的动 态特性主要是传感器的固有因素， 如温度传感器的热惯性等， 动态特性还与传感 器输入量的变化形式有关。（三）传感技术的发展历程基于仿生研究

4、的传感技术 , 自古以来就渗透到人类的生产活动、科学实验、 日常生活的各个方面 , 如计时、产品交换、 气候和季节的变化规律等 ; 由于各学 科之间的相互融合和各行各业的需求 , 传感技术应运而生并快速发展 , 其大体 经历了 3代历程。1. 第1代结构型传感器它利用结构参量变化来感受和转化信号。 例如 : 电阻应变式传感器 , 它是利 用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。2. 第2代固体传感器这种传感器是 20 世纪70 年代开始发展起来的 , 由半导体、 电介质、磁性材 料等固体元件构成 , 是利用材料的某些特性制成的 , 比如利用热电效应、霍尔效 应、光敏效应 , 分别制成

5、热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。 70年代后 期 , 随着集成技术、 分子合成技术、 微电子技术及计算机技术的发展 , 出现集成 传感器。集成传感器包括 2种类型 : 传感器本身的集成化和传感器与后续电路的 集成化,例如：电荷耦合器件（CCD）集成温度传感器（AD590）集成霍尔传感 器（UGN3501等。3. 第3代智能传感器智能传感器是 20世纪 80年代刚刚发展起来的 , 其对外界信息具有一定检测、 自诊断、数据处理以及自适应能力 , 是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。 20世纪80年代智能化测量主要以微处理器为核心 , 把传感器信号调节电路、 微计 算机、存贮器及接口集成

6、到一块芯片上 , 使传感器具有一定的人工智能 ; 20世纪 90年代智能化测量技术有了进一步的提高 , 在传感器一级水平实现智能化 , 使 其具有自诊断功能、 记忆功能、 多参量测量功能以及联网通信功能等。 当今世界 传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前发展。二、传感器的应用（一）传感器应用领域概述 就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、 远距离探测、 医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响； 目前开 发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量， 如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生

7、物分子浓度等。 传感器越来越多地被应用到社会发展及人类生活的各个 领域，如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开 发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。（二）传感器具体应用 1在自动检测与自动控制系统中广泛应用电力、冶金、石化、化工等流程工业中，通常建立 24 小时在线监测系统。 石化企业输油管道、 储油罐等压力容器的破损和泄露检测。 车身到位检测。 光线 传感器检测标签，多种气体检测系统。在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂 时，必须对其性能质量检测。2在医学上的应用 对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。 国内已经成功地 开

8、发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。 人类基因组计划的研究也大 大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA RNA蛋白质、嗅觉、味觉和体液组 份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。3在环境保护中的应用保护环境和生态平衡， 实现可持续发展， 必须进行大气监测和江河湖海水质 检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD BOD TP、TN矿物 油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、 风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、S02 NO 03 CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。4在遥感技术中的应用 飞机及航天飞行器：近紫外线

9、、可见光、远红外线、微波。船舶：超声波传 感器。（三）传感器的市场规模2010 年，流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占 到整个传感器市场的 21%、 19%和 14%;压力传感器、温度传感器、流量传感器、 水平传感器已表现出成熟市场的特征 ; 未来传感器市场的主要增长将来自于无线 传感器、微系统传感器、生物传感器等新兴传感器。传感器已进入人们的日常工作和家庭生活中， 并已在国民经济各部门以及国 防建设中得到广泛应用，为中国现代化建设作出了应有的贡献。三、传感技术的国内外研究现状目前, 全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发 , 研发机构 达6 000余家,

10、其中以美、日、俄等国实力较强 , 他们建立了包括物理量、化学 量、生物量三大门类的传感器产业 , 研发生产单位有 4 000余家、产品有 20 000 多种 , 对应用范围广的产品已实现规模化生产 , 大企业的年生产能力达到几千 万支到几亿支。比较著名的传感器厂商有美国霍尼韦尔 （ Honeywel1） 公司、福 克斯波罗（Foxboro）公司、ENDEVC公司、英国 Bell Howell 公司、So lartron 公司、荷兰飞利浦、俄罗斯热工仪表所等。3. 1 我国传感技术的现状在国家的支持下 , “八五”以来我国的传感技术及其产业取得了长足进步。 在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感

11、器分会的积极组织下 , 实施“双加工 程”建立了我国敏感元器件与传感器生产基地。这三大基地分别为 :1）安徽基地 , 主要是建立力、光敏规模经济 ;2）陕西基地 , 1990 年2 月成立了陕西省敏感技术产业集团公司 , 主要以建立 电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标 ;3）黑龙江基地 , 主要以建立气、湿敏规模经济为主要目标。当前我国正在重点开发的MEMS微电子与微机械的结合）、MOMES（ME与微 光学的结合）、智能传感器（MEMS与CPU信息控制技术的结合）、生物化学传感 器（MEMS与生物技术、电化学的结合）等以及今后将大力开发的网络化传感器 （MEM网络技术的结合）、纳米传感器

12、（纳米技术与传感器技术的结合）均是多学科、 多种新技术交叉融合的新一代传感器。3. 2 国外传感技术的发展现状国外传感器的发展各有特点。美国和日本在产品品种和性能方面不相上下 , 但某些技术 (民用产品 )日本发展较快。日本十分重视研究开发功能材料 , 并建立 起很多专业化工厂 , 1986 年生产传感器 17.57 亿只, 其发展特点是先占用民用 产品市场 , 再向高水平发展。美国传感器研究水平较高 , 力图先解决研究上的难 题 , 再转入生产 , 其特点是以“军 ”带“民”。欧洲在许多大学设立传感器研究 中心, 侧重于理论研究。 国外传感器发展中的一种倾向是 : 制造技术、信号处理 技术、

13、新材料的研究开发与应用同时进行 , 并向集成化、多功能化、智能化、薄 膜化方向发展。生物传感器、距离传感器、振动传感器、加速度传感器等年增长 率均在 16%以上, 湿度传感器及烟道气体、 热红外、热图像转距等类型的传感器 , 年增长率分别在 10% 以上。在美国, 传感器大部分应用在军事、 航空航天、石油、 化工、汽车、飞机、自动化装备上 ; 在日本 , 传感器多用于家用电器汽车、机械 工具、机器人、工业装备上 , 法国和英国则在工业过程和飞机工业上得到较多的 应用。3. 3 我国传感技术与国际水平的比较 综合国内外传感技术的发展现状来看 , 我国的优势有 :1) 已经形成了研究、生产和应用体

14、系、人材队伍和部分传感技术的优势 , 是传 感器技术进一步发展的基础 ;2) 有一批先进的成果 , 如刀具/ 砂轮监控仪系列成果 , 石油油井用高温、高压 传感检测系统、高精度热敏检测传感等 ;3) 有一个量大面广的用户市场。 不可否认 , 我国传感技术与国际水平还有一定 差距 , 不足之处有 :1) 研究开发战略在系统性上的不足 , 如: 传感器与传感系统未能统一布置 , 形成两套并列 , 相互脱节的攻关 ;2) 对传统传感器的革新改进不足 , 微小型化步子慢 ;3) 特殊环境和工程项目传感技术的研究开发尚未成熟 ;4) 集成化、智能化和纳米技术与国外差距大。因此, 我国应继续实行 “吸收型

15、”的发展战略方针 , 引进技术、引进设备并 加以改进提高 , 逐步形成自主的技术开发能力 , 并特别重视研究大生产工艺技 术和提高产业水平 , 全面推进我国的传感技术发展。四、传感器的发展趋势传感器今后的发展趋势向集成化、多功能化、智能化、数字化发展，以满足 在工业生产中不断进步的需求 (1) 集成化：集成(传感器、放大器、运算器、补 偿器等)；组合(不同功能的传感器)；排列(成矩阵)。 (2) 多功能化：如温 度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等多功能传感器。 (3) 智能化：不但能对外 界信号进行转换与测量，同时还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。 (4) 数 字化：数字显示与微处理机的应

16、用， 使传感器应用更为方便， 可提高稳定性及精 度，简化结构。对比传感器技术的发展历史与研究现状可以看出， 随着科学技术的迅猛发展 以及相关条件的日趋成熟， 传感器技术逐渐受到了更多人士的高度重视。 当今传 感器技术的研究与发展， 特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的 发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。由于传感器具有频率响应、 阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、 重复性、 精 确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会 造成传感器自身特性的不稳定， 从而给其实际应用造成较大影响。 这就要求我们 针对传感器的工作原理和结构， 在不同

17、场合对传感器规定相应的基本要求， 以最 大程度优化其性能参数与指标， 如高灵敏度、抗干扰的稳定性、 线性、容易调节、 高精度、无迟滞性、工作寿命长、 可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、 互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度等。同时，根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的 理想化要求， 现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面分析与概括： 一是开发 新材料的开发与应用； 二是实现传感器集成化、 多功能化及智能化； 三是实现传 感技术硬件系统与元器件的微小型化；四是通过传感器与其它学科的交叉整合， 实现无线网络化。4.1 新材料的开发、应用材料是传感器技术

18、的重要基础和前提， 是传感器技术升级的重要支撑， 因而 传感器技术的发展必然要求加大新材料的研制力度。 事实上由于材料科学的不断 发展，传感器材料的不断得到更新， 品种不断得到丰富， 目前除传统的半导体材 料、陶瓷材料、光导材料、超导材料以外，新型的纳米材料的诞生有利于传感器向微型方向发展， 随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。 半导体材 料在敏感技术中占有较大的技术优势， 半导体传感器不仅灵敏度高、 响应速度快、 体积小、质量轻，且便于实现集成化，在今后的一个时期，仍占有主要地位。以 一定化学成分组成、经过成型及烧结的功能陶瓷材料，其最大的特点是耐热性， 在敏感技术发展中具有很大的

19、潜力。此外，采用功能金属、功能有机聚合物、非 晶态材料、固体材料、薄膜材料等， 都可进一步提高传感器的产品质量及降低生 产成本。4.2 传感器的集成化、多功能化及智能化传感器的集成化分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。 前 者是在同一芯片上， 或将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型、 二维阵 列（面）型传感器，使传感器的检测参数由点到面到体多维图像化，甚至能加上 时序，变单参数检测为多参数检测； 后者是将传感器与调理、 补偿等电路集成一 体化，使传感器由单一的信号变换功能，扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多 功能 实现了横向和纵向的多功能。如日本丰田研究所开发出同时检测Na

20、+、K+和H+等多种离子的传感器。这种传感器的芯片尺寸为2.5mmK 0.5mm仅用一滴 液体，如一滴血液，即可同时快速检测出其中 Na+ K+和H+的浓度，对医院临床 非常方便实用。 目前集成化传感主要使用硅材料， 它可以制作电路， 又可制作磁 敏、力敏、温敏、光敏和离子敏器件。在制作敏感元件时要采用单硅的各向同性 和各向异性腐蚀、 等离子刻蚀、 离子注入等工艺， 利用微机械加工技术在单晶硅 上加工出各种弹性元件。 当今，发达国家正在把传感器与电路集成在一起进行研 究。智能化传感器是 20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感 器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重

21、视， 尤其在探测器应 用领域，如分布式实时探测、 网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎， 产生的 影响较大。 智能化传感器是指那些装有微处理器的， 不但能够执行信息处理和信 息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。 这一类传感器就相 当于是微型机与传感器的综合体一样， 其主要组成部分包括主传感器、 辅助传感 器及微型机的硬件设备。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：1) 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值 及其误差进行补偿， 而且还能够进行逻辑思考和结论判断， 能够借助于一览表对 非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。2)

22、 智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。3) 智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探 测与应用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号 进行实时处理。4) 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据 需要将它们存储起来。5) 智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计 算机进行通信联络和交换信息。智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、 电磁、光学和核物理等研究领域。 可以预见，新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生的各个领域发挥越来 越大作用。4.3 传感器微小型化为了能够与信息

23、时代信息量激增、 要求捕获和处理信息的能力日益增强的技 术发展趋势保持一致， 对于传感器性能指标的要求越来越严格； 与此同时， 传感 器系统的操作友好性亦被提上了议事日程， 因此还要求传感器必须配有标准的输 出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求， 所以它们已逐步 被各种不同类型的高性能微型传感器所取代； 后者主要由硅材料构成， 具有体积 小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、 远距离探测、 医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响； 目前开 发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量， 如位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。4.4 传感器的无线网络化无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我 们来说也