国内外传感器现状及发展趋势

1引言2正文21.传感器的开发21.1气体传感器21.2温度传感器52.传感器的现状及发展趋势72.1传感器发展的三个阶段72.2我国传感器的现状82.3传感器的发展方向与途径82.4欧美传感器发展趋势92.5传感器的宏观技术特点分析143.传感器的精度问题143.1消除传感器零点误差和零点漂移的方法153.2提供直流供电电源的稳定性方法153.3统一和标准化保证传感器精度153.4传感器的标校163.5敏感元件的质量控制163.6精度的结构防护技术163.7传感器补偿技术174.传感器的品牌184.1称重传感器184.2压力传感器184.3流量传感器184.4位移传感器194.5温湿度传感器194.6液位传感器194.7传感器的一些竞争品牌204.8中国的传感器基地202引言随着科学技术的发展,检测技术巳应用于人类科研、生产、生活等活动中。检测技术既是服务于其它学科的工具,又是综合运用其它多门学科最新成果的尖端技术。因此检测技术的发展是科学技术和生产发展的重要基础,也是一个国家生产力发展和现代化程度的重要标志。而研究检测技术的进步总是从检测的新方法与新对象来考虑。但不论是检测方法的更新还是检测对象的扩展,都与传感器的开发有着密切的联系,也就是说检测技术的发展,如果离开传感器的开发那是绝对不行的。正文1.传感器的开发1.1气体传感器气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，气体传感器通常是用来检测气体的类别、浓度和成分。气体传感器的种类很多，分类方法也各不相同。按气体传感器的材料分，可分为半导体型和非半导体型。应用广泛的气体传感器有：半导体型气体传感器、固体电解质气体传感器、电化学传感器、光学气体传感器等。1.半导体型气体传感器这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电阻型半导体气体传感器和非电阻型半导体气体传感器。1.1电阻型半导体气体传感器电阻型半导体气体传感器是将气体浓度的变化转变成电阻值变化的一种传感器，典型的电阻型半导体气体传感器材料是322ennOOFOZS、、等因为这些材料存在气敏效应，当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化，作为传感器，还要求这种反应必须是可逆的。电阻型半导体气体传感器中应用最广泛的是2nOS气敏元件，其工作原理是2nOS和空气中电子亲和性大的气体发生反应形成吸附氧束缚晶体中的电子。使器件处于高阻状态，当它与被测气体接触时，气体与吸附氧发生反应，元件表面电导增加，电阻减小。2nOS气敏元件制作时多采用烧结工艺。以多孔2nOS陶瓷为基底材料，再添加不同的其他物质，用制陶工艺烧结而成。烧结时埋入加热电阻丝和测量电极。此外，还有薄膜型与厚膜型两种工艺。1.2非电阻型半导体气体传感器31.2.1结型气体传感器结型气体传感器又称气敏二极管。是利用气体改变二极管的整流特性，将金属与半导体结合做成整流二级管，其整流作用来源于金属和半导体功函数的差异。随着功函数因吸附气体而变化，其整流作用也随之变化。1.2.2MOSFET型气体传感器气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变,这一特性如果发生在场效应管的栅极,将使场效应管的阈值电压UT改变。利用这一原理可以制成MOSFET型气敏器件。氢气敏MOSFET是一种最典型的气体传感器，它用金属钯（Pd）制成钯栅。在含有氢气的气氛中由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面。最终导致MOSFET的阈值电压UT发生变化。使用时常将栅漏短接，可以保证MOSFET工作在饱和区，利用这一气敏器件可以测出氢气浓度。氢气敏MOSFET在氢气浓度高时其灵敏度变低，氢气浓度低时灵敏度则升高。2.固体电解质气体传感器这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池。分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器。其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。稳定的氧化锆固体电解质传感器已成功地应用于钢水中氧的侧定和发动机空燃比成分测量等。为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上蒸镀一层气体敏膜。把周围环境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量联系起来。3.接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器的工作原理是:气敏材料在通电状态下,温度约在300～600℃,当可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,燃烧热进一步使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化,测量电阻变化从而测量气体浓度。该种气体传感器的优点是对气体选择性好,受温度和湿度影响小,响应快,已经被广泛应用在石油化工厂、矿井、浴室和厨房等处。目前接触燃烧式气体传感器实现规模生产的有H2、LPG、CH4以及部分有机溶剂蒸气检测用产品。该类传感器市场上一般以各类报警器的形式出现较多,但它们对低浓度可燃性气体灵敏度低,敏感元件受催化剂侵害较严重。4.光学式气体传感器光学式气体传感器包括光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等类型。光谱吸收型荧光型的原理是:不同的气体物质由于其分子结构不同、浓度不同和能量分布的差异而有各自不同的吸收光谱。这就决定了光谱吸收型气体传感器的选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定性。若能测出这种光谱便可对气体进行定性、定量分析。目前已经开发了流体切换式、流程直接测量式等多种在线红外吸收式气体传感器[16,24]。在汽车的尾气中,CO、CO2和烃类物4质的浓度,以及工业燃烧锅炉中的有害气体SO2、NO2都可采用光谱吸收型气体传感器来检测。荧光型是指气体分子受激发光照射后处于激发态,在返回基态的过程中发出荧光。由于荧光强度与待测气体的浓度成线性关系,荧光型气体传感器通过测试荧光强度便可测出气体的浓度。光纤化学材料型气体传感器是在光纤的表面或端面涂一层特殊的化学材料,而该材料与一种或几种气体接触时,引起光纤的耦合度、反射系数、有效折射率等诸多性能参数的变化,这些参数又可以通过强度调制等方法来检测。例如:涂在光纤上的钯膜遇H2时就会膨胀,薄膜的膨胀可以通过测量干涉仪的输出光的强度来测得。光谱吸收型的原理清楚,技术相对成熟,是目前光学式气体传感器的市场主流。5.石英谐振式气体传感器石英谐振式气体传感器的气敏元件主要由石英基片、金电极和支架三部分组成。其电极上涂有一层气体敏感膜,当被测气体分子吸附在气体敏感膜上时,敏感膜的质量增加,从而使石英振子的谐振频率降低。由于谐振频率的变化量与被测气体的浓度成正比,故通过检测谐振频率便可判断气体浓度大小[7]。该传感器结构简单、灵敏度高,但只能使用在室温下工作的气体敏感膜。选取聚乙烯亚胺PEI(polyethyleneimine)作敏感膜,该传感器对CO2的气敏特性、选择性都很好,对体积分数为500×10-6的CO2进行测试,其响应时间为5s,恢复时间为2s。另外酞菁类聚合物也常被用来制成石英谐振式气敏元件。目前已经开发出可测试NH3、SO2、HCl、H2S、醋酸蒸气等气体的石英谐振式气体传感器,但产业化还需时日,尤其是选择性还未得到根本解决。6.表面声波气体传感器表面声波气体传感器的发展历史很短,可谓是后起之秀。表面声波传播速度的影响因素很多,例如:环境温度、压力、电磁场、气体性质、固体介质的质量、电导率等。通过选择合适的敏感膜来控制诸多影响因素中的一个因素起主导作用。当质量起主导作用时,表面声波的振荡频率与气体敏感膜的密度成正比;当电导率起主导作用时,表面声波的振荡频率与气体敏感膜的电导率成反比。设计时,通常采用双通道延迟线结构来实现对环境温度和压力变化的补偿。目前研究的该类气体传感器大多采用有机膜做气敏材料,主要有聚异丁烯、氟聚多元醇等,被用来检测苯乙烯和甲苯等有机蒸气[16,28];酞菁类聚合物薄膜被用来检测NO2、NH3、CO、SO2等气体[7]。尽管该类气体传感器在实用化方面还存在许多问题,但它符合信号系统数字化、集成化、高精度的方向,因此受到许多国家的高度重视。7.气体传感器的发展方向气体传感器的研究涉及面广、难度大,属于多学科交叉的研究领域。要切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。气敏材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。在综合气体传感器的国内外的研究未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。主要内容为:(1)气敏材料的进一步开发:一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料的敏感特性进一5步提高,尤其是通过选择不同的添加剂来改善同一基质材料对不同气体的选择性;另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术使气敏材料各方面的性能均得到大大改善,譬如:纳米器件比表面积大,有利于提高其灵敏度,大大降低使用温度,易于器件集成化,降低成本,便于使用。(2)新型气体传感器的开发和设计:根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气体传感器是气体传感器未来发展的重要方向和后劲。近年来表面声波气体传感器、光学式气体传感器、石英谐振式气体传感器等新型传感器的开发成功进一步开阔了设计者的视野。目前仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想气敏传感器,结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的”电子鼻”将是气体传感器发展的重要趋势和目标之一。(3)气体传感器传感机理的研究:新的气敏材料和新型传感器层出不穷,需要在理论上对它们的传感机理进行深入研究。传感机理一旦明确,设计者便可有据可依地针对传感器的不足之处加以改进,也将大大促进气体传感器的产业化进程。(4)气体传感器的智能化:生产和生活日新月异的发展变化对气体传感器提出了更高的要求,气体传感器智能化是其发展的必由之路。纳米、薄膜技术等新材料制备技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件[30]。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字化的智能气体传感器将是以后该领域的重要研究方向。1.2温度传感器1.气体温度传感器气体的状态方程为PV=nRT，其中P为压力，V为体积，n为气体的摩尔量，R为常数，T为温度。如果其中一个量保持不变，测量另外一个变量，然后第三个变量可以通过计算得到。因此，如果气体的摩尔量保持不变，温度可以通过测量压力计算出。简单的气体温度计最早是1952年Simon使用的。它包括一个球形容器，并通过一毛细管连接至测量压力的规管。这个气体温度计在低温下的测量结果非常准确。在高温下需要经过一些修正。在温度降低的时候，外来体积的比例越来越小，因此修正值也越来越小。2.蒸汽压力温度传感器液体的饱和蒸汽压随温度的变化而表现出一定的关系，因此可以通过测量液体的饱和蒸汽压推算出环境温度。蒸汽压温度计的一个最大的优势是在其使用的温度范围内其灵敏度非常高，适合于蒸汽压温度计的气体包括氧气、氮气、氢气和氦气。这些温度计比较精确，可以从临界点到三相点的温度区间内使用。因此，对于某些温度区间可能蒸汽压力温度计并不6适合。例如从40K至50K，这个温度区间比氖气的高，但比氧气和氮气的低。这些温度计的响应时间比较迅速，并且其准确度不受离子束和磁场的影响。蒸汽压力温度计的准确度非常高，常用来作为对其他温度计的标定。3.金属电阻温度传感器金属电阻温度传感器的原理是基于金属的电阻与温度之间的关系。一般来说，金属的电阻与温度成正比例方向的关系。根据Mattheissen定律，纯金属的总的电阻可以表示为:P=Po+P1。这里P是指总的电阻，P0是本身的残余电阻，是不依赖于温度，由材料本身的缺陷或杂质引起的电子散射而产生的电阻。P1是温度依赖的电阻。大约在20K以下，纯金属的电阻只剩下残余电阻，而与温度关系不大。因此，在该温度范围内不能使用这种类型的电阻。4.铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器是在20K至800K温度范围内精确度高和重复性好的温度计。它具有很多优势，例如，它的电阻与温度几乎呈线性。根据Lakeshore的PT一100温度计的温度、