浅谈传感器的现状以及发展趋势(一)

1、浅谈传感器的现状以及开展趋势 一 1 微型化 Micro 为了能够与信息时代信息量激增、 要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术开展趋势保持 一致，对于传感器性能指标包括精确性、可靠性、灵敏性等的要求越来越严格；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、反响快、灵 敏度高以及本钱低等优点。1.1由计算机辅助设计CAD技术和微机电系统MEMS技术引发的传感器微型化 目前，几乎所有的传感器都在由传

2、统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计CAD的模拟式工程化设计转变， 从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低本钱、 高性能的新型系 统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科 技开展需求的微型化的方向开展。对于微机电系统MEMS的研究工作始于 20世纪60年代，其研究范畴涉及材料科学、机 械控制、 加工与封装工艺、 电子技术以及传感器和执行器等多种学科， 是一个极具前景的新 兴研究领域。 MEMS 的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。 经过几十年的开展， 尤其最近十多年的研 究与开展，

3、MEMS技术已经显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。 在当前技术水平下， 微切削加 工技术已经可以生产出来具有不同层次的 3D 微型结构，从而可以生产出体积非常微小的微 型传感器敏感元件， 象毒气传感器、 离子传感器、 光电探测器这样的以硅为主要构成材料的 传感/探测器都装有极好的敏感元件 1， 2。目前，这一类元器件已作为微型传感器的主要 敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。1 .2微型传感器应用现状就当前技术开展现状来看，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

4、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2 智能化 Smart 智能化传感器SmartSensor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送，产生的影响较大。2.1 智能化传感器的特点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。

5、 这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一 样，其主要组成局部包括主传感器、 辅助传感器及微型机的硬件设备。 如智能化压力传感器， 主传感器为压力传感器， 用来探测压力参数， 辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感 器。采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差，而环境压力传感器测量工作环境的压力变化并对测定结果进行校正； 而硬件系统除了能够对传感器的弱 输出信号进行放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。通常情况下， 一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量， 其信号调节是由那些与主探测 部件相连接着的模拟电路来完成的； 但智能化传感器却能够实现所有的

6、功能， 而且其精度更 高、价格更廉价、处理质量也更好。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。 此外， 还能够利用软件实现非线性补偿或其它更复杂 的环境补偿，以改良测量精度。2. 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。当工作环境临近其极限条件时， 它将发出告警信号， 并根据其分析器的输入信号给出相关的诊断信息。 当智能化 传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借

7、助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。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。此外，其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最正确的工作性能，也能够使它们适合于各不相同的工作环境。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。 存储大量信息的目的主要是以备事后查询， 这一类信息包括设备的历史信息以及有 关探测分析结果的索引等；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。此外

8、， 智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，譬如，可以对探测 系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。2.2 智能化传感器的开展与应用现状 目前，智能化传感器技术正处于蓬勃开展时期， 具有代表意义的典型产品是美国霍尼韦尔公 司的ST-3000系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器，以及另外一些含有微处理器(MCU)的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器(SSIS等。与此同时，基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系 统的研究和开展中的重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。指出的一点是： 目前的智

9、能化传感器系统本身尽管全都是数字式的， 但其通信协议却仍需借 助于420mA的标准模拟信号来实现。一些国际性标准化研究机构目前正在积极研究推出 相关的通用现场总线数字信号传输标准； 不过，在眼下过渡阶段仍大多采用远距离总线寻址 传感器(HART 协议，即 HighwayAddressableRemoteTransducer。这是一种适用于智能化传 感器的通信协议，与目前使用420mA模拟信号的系统完全兼容，模拟信号和数字信号可以同时进行通信，从而使不同生产厂家的产品具有通用性。 能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量，如美国霍尼韦尔公司 的ST3000系列全智能变送器和德

10、国斯特曼公司的二维加速度传感器就属于这一类传感器。 另外，智能化传感器在空间技术研究领域亦有比拟成功的应用实例6。开展中，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。3 多功能传感器( Multifunction )如前所述， 通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量， 但在许多应用领域中， 为了能 够完美而准确地反映客观事物和环境， 往往需要同时测量大量的物理量。 由假设干种敏感元件 组成的多功能传感器那么是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构

11、或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。 随着传感器技术和微机技术的飞速开展， 目前已经可以生产出来 将假设干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。3.1 多功能传感器的执行规那么和结构模式 概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规那么和结构模式包括：(1) 多功能传感器系统由假设干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。 譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起 即将热敏元件和湿敏元件分别 配置在同一个传感器承载体上 制造成一种新的传感器， 这样， 这种新的传感器就能够同时 测量温度和湿度。2将假设干种

12、不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化 和小型化的多功能传感器。 由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的， 它们无论何时都 工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。3借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的 电容和电感是各不相同的。4在不同的鼓励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温 度等鼓励条件均不相同的情况下， 由假设干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而 知将会是多么的千差万别！ 有时候简直就相当于是假设干个不同的传感器一样， 其多功能特征 可谓名副其实。3.2 多功能传感器的

13、研制与应用现状 多功能传感器无疑是当前传感器技术开展中一个全新的研究方向， 日前有许多学者正在积极 从事于该领域的研究工作。 如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器， 如 用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。 又如， 为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度 同时探测多种信号， 微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、 光敏元件和磁敏元件； 这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号 . 从目前的开展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、 刺激以及视听区分等方面已有最新研究成果问世。 从实用的角度考虑， 多功能传感器

14、中应用 较多的是各种类型的多功能触觉传感器， 譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一， 这种传感 器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等 组成。据悉，美国 MERRITT 公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无 触点超声波传感器、 红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、 气体传感器等在 美国外乡应用甚广。与其它方面的研究成果相比， 目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人意。 由于嗅觉元 件接收到的判别信号是非常复杂的， 其中总是混合着成千上万种化学物质， 这就使得嗅觉系 统处理起这些信号来异常错综复杂。人工嗅觉传感系统的典型产

15、品是功能各异的Electronicnose 电子鼻，近10多年来，该技术的开展很快，目前已有数种商品化的产品在国际市场流通，美、法、德、英等国家均有比 较先进的电子鼻产品问世。“电子鼻 系统通常由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技术组成，并配以恰当的模式识别系统， 具有识别简单和复杂气味的能力， 主要用来解决一般情况下的气味探测 问题。根据应用对象的不同， “电子鼻系统传感器阵列中传感器的构成材料及配置数量亦有 所不同，其中，构成材料包括金属氧化物半导体、导电聚合物、石英晶振等，配置数量那么从 几个到数十个不等。 总之， “电子鼻 系统是气体传感器技术和信息处理技术进行有效结合的

16、高科技产物，其气体传感器的体积很小， 功耗也很低，能够方便地捕获并处理气味信号。气 流经过气体传感器阵列进入到 “电子鼻系统的信号预处理元件中， 最后由阵列响应模式来确 定其所测气体的特征。 阵列响应模式采用关联法、 最小二乘法、 群集法以及主要元素分析法 等方法对所测气体进行定性和定量鉴别。美国Cyra no scie nces公司生产的 Cyran ose320电子鼻是目前技术较为先进、 适用范围也比拟广的嗅觉传感系统之一， 该系统主要由传感器阵列 和数据分析算法两局部组成，其根本技术是将假设干个独特的薄膜式碳-黑聚合物复合材料化学电阻器配置成一个传感器阵列， 然后采用标准的数据分析技术，

17、 通过分析由此传感器阵列 所收集到的输出值的方法来识别未知分析物。据称，Cyranose320 电子鼻的适用范围包括食 品与饮料的生产与保鲜、 环境保护、 化学品分析与鉴定、 疾病诊断与医药分析以及工业生产 过程控制与消费品的监控与管理等。4 无线网络化( wirelessnetworked ) 无线网络对我们来说并不陌生， 比方 ， 无线上网， 电视机。 传感器对我们来说也不陌生， 比方温度传感器、压力传感器，还有比拟新颖的气味传感器。但是，把二者结合在起来，提 出无线传感器网络( WirelessSensorNetworks )这个概念，却是近几年才发生的事情。 这个网络的主要组成局部就是

18、一个个可爱的传感器节点。 说它们可爱， 是因为它们的体积都 非常小巧。这些节点可以感受温度的上下、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人 感兴趣的是， 每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机， 它们将传感器收集到的 信息转化成为数字信号， 进行编码， 然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具 有更大处理能力的效劳器4.1 传感器网络 传感器网络是当前国际上备受关注的、 由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。 传感器 网络综合了传感器技术、 嵌入式计算技术、 现代网络及无线通信技术、 分布式信息处理技术 等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、 感知和采集各种环境或监测对象的 信息，通过嵌入式系统对信息进行处理， 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将 所感知信息传送到用户终端。 从而真正实现 “无处不在的计算 理念。 传感器网络的研究采用 系统开展模式， 因而必须将现代的先进微电子技