现代传感技术

现代传感技术发展与趋势李成成摘要:人类社会进入信息时代，传感器也越来越受人们的重视。新的传感器件与传感技术不断涌现，它在信息技术系统中的地位与重要性也进一步得到体现。文章结合现代传感技术的发展现状及特点，讨论了现代传感技术的发展趋势。关键词：现代传感技术；发展TheDevelopmentandTrendOfModernTransducerLiChengchengAbstract:Humansocietyhasenteredtheinformationage,moreandmorepeopleattachimportancetothesensor.Thenewsensorandseningtechnologyappearconstanly,itspositionandimportanceininformationtechnologysystemhasbeenfurtherembodiment.thearticlebasedonthedevelopmentsituationandcharacterticsofthemoderntransducer,anddiscussthedevelopmenttrendofthemoderntransducer.Keyword:modernsensortechnology;development0引言信息技术是人类获取外界信息所必不可少的一种技术，它所涉及的领域非常大，包括材料技术、光学技术、计算机技术、生化技术、检测技术等。但我们从系统角度来看，就是通信技术、传感技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“神经”、“感官”和“大脑”。现在涌现出许多名词，比如物联网、智能家居、智能医疗保健等智能化产物，无一例外的和传感技术有不可分割的关系。但是这些方面的产品并没有较大的进步，原因在于传感技术发展比较缓慢，不能很好的服务于信息技术的整体发展，从而形成了智能产业发展缓慢的现象。由此可见，传感技术发展滞后反过来影响和制约其他相关方面的发展与进步，在近几年的科学技术的快速发展过程中表现得尤为突出。1国内外发展现状美国早在20世纪80年代初就成立了国家技术小组，帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感开发工作，在国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中，有6项与传感技术直接相关。美国空军2000年提出的15项有助于提高21世纪美国空军作战能力的关键技术中，传感技术位居第二。由此可见，传感技术已成为一项与现代技术密切相关的尖端技术。我国在20世纪80年代将“敏感元件与传感器”列入国家攻关计划，1987年制定了《传感器技术发展政策》白皮书，1991年《中共中央关于制定国民经济和社会发展十年规划和“八五”计划建议》中明确要求“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”。进入21世纪，国家自然科学基金委员会和科技部部署了与传感技术相关的研究课题。可见，传感技术的地位不断的到提升，在国内外都得到了高度的重视，传感技术的发展迎来了新的时代。2现代传感技术发展趋势传感技术涉及传感器机理研究与分析、设计与研制、性能评估与应用等，是一门多学科交叉的现代科学技术。大规模集成电路、微纳加工、网络等技术的发展，为传感技术的发展奠定了技术。光学、化学、生物学、电子学、信息处理的学科互相渗透与融合，为新型传感器的研制提供了技术支持。随着自动化程度的不断提高，人们对智能化的需求越来越迫切，对传感器的需求也越来越高。需求导向和技术支撑共同决定了现代传感技术的发展趋势。（1）新型传感器的研发现有传感器的测量原理主要是依据各种定律和效应、化学原理以及相关理论等。如根据电阻定律、变磁阻原理、半导体有关理论等。但是基于物理方面的传感器在国外的技术非常先进，已经实现了产业化，然而最近兴起的新能源方面的产业则又带动了一批新的传感器的研发进程。比如生物传感器在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面都有大量的应用需求。目前，生物传感器价格较高，性能也比较低。但随着技术的发展，低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命的生物传感器技术将会加速生物传感器市场化、商业化的进程。利用量子力学中的有关效应，为设计、研制新型传感器提供了理论基础。随着纳米电子学的发展，将会在传感技术领域中引起一次新的技术革命，从而把传感技术推向更高的发展阶段。（2）高精度化现在我们国家已经由机械化步入自动化时代，虽然自动化水平并不是非常先进，但是现今的自动化程度对传感器的要求日益提高，必须研制出灵敏度高、精密度高、响应速度快的传感器以确保自动化系统的可靠性。但是生产这样高紧密度传感器的公司比较少，目前我国的传感器大部分是进口国外厂家的传感器，并没有实现生产、销售、售后等方面的一体化服务，从而可知高精密的传感器的研发是社会发展的需要。例如，一种高性能小型石英绝对压力传感器，具有±10Pa高精度与0.1Pa高分辨力，其体积为12.5ml、质量为15g。该压力传感器的敏感单元为音叉型晶体单元，可以得到稳定度很高的细致频率，从而实现具有高精度及高分辨力的石英晶体压力传感器。（3）微型化自动化设备的功能越来越强大，要求传感器本身的体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术。目前，利用硅材料、石英晶体材料和陶瓷材料，使用光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺以及各种微精细加工技术制成的微结构传感器，其体积非常小，动态特性好，互换性与可靠性都较好。微结构传感器的敏感元件尺寸一般为um级，可以使活动的膜片、悬臂梁、桥以及凹槽、孔隙、锥体等。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的集成电路相结合，已成功地用于制造各种微传感器以及多功能的敏感元阵列，实现了诸如压力、力、加速度、角速度、应力、湿度、磁场、离子和分子浓度以及生物传感器等。例如，一种可安装在蜻蜓等昆虫的翅膀上分析翅膀动作的微型风速传感器，在3mm*3mm的芯片上设置了2个传感器，每个传感器的尺寸约为1.5mm*3mm，厚度约为1mm。传感器采用在带电极的SOI底板上形成长约0.5mm、厚1um以下的悬臂梁压电的结构。悬臂梁部分的质量仅为0.1ug，能够实现-2—2m/s风速的测量。这种传感器具有较好的抗干扰性，同时，传感器的最低阶固有频率在10HZ以上，能够满足几HZ的翅膀振动测量。（4）微功耗及无源化传感器多为非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方往往需要电池供电或使用太阳能等供电。研制微功耗的传感器以及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。一种无需电池即可驱动的无线传感器终端，配有可将振动转换为能量的微型发电机和双层电容器；可将安装地点的振动作为能量使用，发电剩余的电力可储存在电双层电容器中。该终端具有广阔的前景。（5）多传感器融合和智能化随着现代化的发展，传感器的功能形成突破。由于单传感器不可避免地存在不确定或偶然不确定性，缺乏全面性、鲁棒性，所以偶然的股长就会导致系统失效。多传感器集成与融合技术正是解决这些问题的好办法。多个传感器不仅可以描述同一环境特征的多个冗余信息，而且可以描述不同的环境特征。它的特点是冗余性、互补性、及时性和低成本性。多传感器的集成与融合技术已经成为智能机器与系统领域的一个重要研究方向，它涉及信息学科的多个领域，已经扩展到军事和非军事的各个应用领域，如：自动目标识别、自主车辆导航、遥感、生产过程监控、机器人、医疗应用等。所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用的微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起，并且据偶遇诊断、数字双通信等新功能的传感器。智能化传感器将由多个模块组成，包括微传感器、微处理器、微执行器和接口电路，它们构成一个微闭环系统。这样智能化传感器功能会更多，精度和可靠性会变高，优点会更突出，应用会更广泛。（6）高可靠性传感器的可靠性直接影响系统的性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器是永恒的主题。提高温度使用范围历来是传感器的工作重点，大部分传感器其工作温度都在-20—70℃之间。一些特殊场合要求传感器的温度更高，因此，发展新兴材料的传感器尤为重要。（7）传感器网络无线传感器网络是由大量无处不在的、有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。它是涉及微传感器与微机械、通信、人工智能等多学科的综合技术，大量传感器通过网络构成分布式、智能化信息处理系统，以协同方式工作，从多种视角、多种感知模式对事件、现象和环境进行观察和分析，获取大量信息。随着3C技术的发展和日益成熟，无线传感网络更是得到快速发展，引起人们更大的关注。结束语传感技术的发展主要沿着两个方向进行：一是开发新材料、研究新工艺和利用新概念、新原理、新的设计方法，开发出新型传感器；二是研究传感器的高精度、微型化、智能化及多传感器的融合和传感器技术的集成等。当前，现代传感技术研究热点主要集中在光传感器、化学传感器、生物传感器、医学传感器以及多传感器融合技术等。随着科技的不断发展，现代传感技术也必将不断创新与发展，在一个国家的综合国力中的作用，也一定会得到充分体现。参考文献[1]樊尚春等.现代传感技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011:2-6.[2]黄元庆等.现代传感技术[M].北京：机械工业出版社，2008:2-5.[3]樊尚春,刘广玉.新型传感器技术与应用[M].北京：中国电力出版社，2005.