传感器发展趋势

传感器应用的发展现状与研究趋势1引言随着工业数字化、智能化发展，传感器在机械加工，温度监测，可穿戴设备、智能家居、智慧交通中得到了广泛的应用。传感器技术水平在一定程度上反映了一个国家科技现代化的水平，传感器在实现自动化控制及测试控制中发挥着重要的作用。传感器技术在近些年来发展迅速，与计算机技术和通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，近年来，我国传感器市场发展比较迅猛，但是我国传感器技术并不成熟，在国际竞争中并不占优势，传感器市场被德国、美国、日本等工业国家所主导。根据传感器技术的发展趋势，它将由简单的传感器系统向智能化、集成化、微型化、网络化、多样化的复杂传感器系统方向发展。近年来我国传感器产业快速增长，应用模式也日渐成熟。传感器的重要性可说是不言而喻的，它在机械加工，可穿戴设备、智能家居、智能交通等各个领域都有着极为重要的应用。传感器在智能可穿戴设备、智能家居和智能交通的最新应用，以及目前传感器的市场前景、现代科技中，自动化与智能化己经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间[1-3]。1传感器的研究现状1.1光电传感器技术光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。随着光电科技的飞速发展，光电传感器己成为光电传感器己成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。光电传感器工作时，光电器件负责将光能(红外辐射、可见光及紫外辐射)信号转换为电学信号。光电器件不仅结构简单，且具有响应快、可靠性强等优势，在自动控制、智能化控制等方面应用前景十分广阔。此外，光电传感器除了对光学信号进行测量，还能够对引起光源变化的构件或其它被测量进行信息捕捉，再通过电路对转换的电学信号进行放大和输出[4]。1.2生物传感器技术生物传感器的原理主要由两大部分组成:生物功能物质的分子识别部分和转换部分前者的作用是识别被测物质，当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选适合于自己的分子并与之产生作用，使其具有选择识别的能九转换部分，是由于细胞膜受体与外界发生了共价结合，通过细胞膜的通透性改变，诱发了一系列的电化学过程，而这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成了生物传感器[5]。1.3气敏传感器技术气体传感器是指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。被测气体的种类繁多，它们的性质也各不相同。所以不可能用一种方法来检测各种气体，其分析方法也随气体的种类、浓度、成分和用途而异。随着工业生产和环境检测的迫切需要，纳米气敏传感器己获得长足的进展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。这是因为纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点:①纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度;②工作温度大大降低;③大大缩小了传感器的尺寸[6]。1.4无线传感器网络技术：无线传感器网络技术被公认为对21世纪产生巨大影响力的技术之一，是国际上备受关注的前沿热点研究领域。它是由传感器节点、汇聚节点(sink节点)，互联网和用户终端等部分组成。传感器节点被部署在监测区域内，节点通过自组织的方式组成无线网络，它能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息通过无线方式发送到用户终端，以实现指定范围内的目标检测与跟踪。高效、实时地获取作物环境和作物信息，这将有利于推进农业现代化。国内外越来越多的专家和学者纷纷加入到该研究行列，研究成果日益丰富。1.5接近觉传感器：接近觉传感器在机器人实现目标的识别、定位与跟踪，以及运动中的避障等各种智能中发挥着重要作用。通过机器人能够感知到与对象物之间的接近程度，从而实现无冲击接近，避免碰撞和抓取操作接近觉传感器，是指机器人能感知相距几毫米至，几十厘米内对象物距离、表面性质的一种传感器。它是一种非接触的测量元件，用来感知测量范围内是否有物体存在。机器人利用接近觉传感器，可以感觉到近距离的对象物或障碍物，能检测出物体的距离、相对倾角甚至对象物体的表面状态。可以用来避免碰撞，实现无冲击接近和抓取操作，它比视觉系统和触觉系统简单，应用也比较广泛[7]。2.传感器的应用现状现代科技中，自动化与智能化己经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间[8]。2.1传感器在智能穿戴设备上的应用近几年各种智能穿戴设备兴起，其中智能手环、腕表甚至是智能服装的形式也是多种多样。但究其根本，在于传感器的不同。目前主流智能手环所用的传感器有意法半导体公司的LIS3DH、BoschSensortec公司的BMA250、ADI公司的ADXL362、InvenSence公司的MPU6500等。这些传感器几乎都集成了陀螺仪和加速度传感器，陀螺仪用于测量角速度，加速度传感器则用于测量线性加速度，两者结合可以实现对人体睡眠、日常运动强度等监测操作。而且定位更高端的一些手环，还搭载有心率传感器、内置有GPS。心率传感器能够读取用户运动时的心跳频率，比如目前很火的AppleWatch。这种传感器可发射LED绿光照射皮肤、再通过光敏二极管检测血液对绿光的吸收，从而判断血管的血流量，进一步了解心脏的运动频率。内置有GPS的专用运动手表，可精确捕捉运动者位置，实现测距、测时间，根据公式计算速度等专业运动功能。相比于一般的运动手环、智能手表，它可以获得更加精确的数据。日本大阪大学学者研究出一种NiCr薄膜触觉传感器[9]，该传感器使用硅为基底，在硅基底上面依次沉积氧化硅、氮化硅、NiCr薄膜后，将硅基底腐蚀形成一定形状，上面的薄膜层便形成悬臂梁结构，3个悬臂梁结构可实现触觉的各个方位的感知。该触觉传感器可感知机械手的触觉压力最大值可达到3KPa。图1是上述触觉传感器的基本结构的示意图。a微悬臂梁的触觉传感器b的横截面结构的结构图1触觉传感器的基本结构的示意图2.2传感器在机械加工中的应用随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。传感器作为自动控制系统的神经末梢，其应用也越来越广泛。压力、温度、湿度、流量传感器、电流传感器、转速传感器、烟雾传感器等．在工业自动化领域有着广阔的应用前景。刀杆（1）、切削刀片（2）、传感器单元（3）、可换刀片定位螺钉（4）、压板（5）、定位螺栓（6）、导线（7）、信号输出接口端（8）、接口端定位螺钉（9）图2薄膜切削力测量系统示意图图3薄膜切传感器各层示意图薄膜传感器已应用于在监测刀具切削过程中温度、切削力的的监控[10-12]。若采用沉积技术和微机电MEMS技术，在刀具内嵌入薄膜微传感器进行测力，可以直接的反应刀具工作情况，具有准确、有效，可靠性高等特点。切削加工系统配备装有传感器和执行元件的智能化刀具，这将是未来加工智能化的发展方向，借助于微机电技术在刀具上嵌入微传感器是实现刀具切削力监测的有效方法。图2为薄膜切削力测量系统示意图，图3为薄膜传感器各层示意图。图4薄膜传感器测力现场图5前刀面溅射沉积形成的电阻栅图4为嵌入刀具的薄膜测力传感器系统切削力测量现场，当刀具刀柄受力后，嵌入刀柄的薄膜传感器中的电阻栅发生应变，电阻改变，将电阻栅连接为惠斯通电桥。接通电压，当电阻栅电阻发生改变，便有电压输出，从而实现切削力的测量。在曲面（非平面）上沉积溅射材料形成所需图案的薄膜，这种方式通常很难实现，难点在于在曲面表面曝光刻蚀形成所需图案。。德国的布伦瑞克物理研究院使用一种自主研发的激光光刻机器，精确度在10μm一下，这种机器可以将喷涂在金属曲面上的光刻胶形成所需的图案，而无需使用掩膜版，直接控制紫外激光在光刻胶表面形成所需图案，然后通过刻蚀电阻层形成应变传感器[13]。图5是通过这种技术将NiCr薄膜沉积溅射在前刀面并形成薄膜电阻栅，以用来监控刀具切削过程中切削力、温度的变化以及刀具磨损的状态。一种镍铬薄膜传感器应用于电子封装技术方面[14]，在相邻的两个封装焊点之间通过一系列溅射沉积技术形成NiCr薄膜传感器，用来测量在封装过程中封装焊点的残余应力的变化。图6是包含有封装焊点的NiCr薄膜传感器。制造传感器的过程中运用了典型的MEMS工艺技术，即直流溅射、光刻、腐蚀以及化学蒸发沉积技术等。传感器的制作环境是在室温下进行的，而不像以硅为应变层的传感器需要在高温环境下进行。图6包含有封装焊点的NiCr薄膜传感器德国汉诺威激光中心OliverSuttmann等人利用激光烧结技术，直接在沉积好的NiCr薄膜上烧结去除薄膜形成所需电阻栅图案，并研究了激光烧结过程中的工艺参数对其绝缘基底Al2O3的损伤性[15]。这种工艺不使用传统的光刻工艺，而是直接利用激光烧结薄膜形成图案，大大提高了生产效率。该工艺的关键技术在于既要烧结NiCr薄膜形车工图案，而又不会烧结到下面的Al2O3绝缘层。图7是在不同激光烧结功率下厚度为1.0μm的Al2O3薄膜烧结后的的扫描电镜图。图7不同激光烧结功率下1.0μm的Al2O3薄膜的扫描电镜图:I0.45J/cm²;II1.05J/cm²,III1.61J/cm²哈尔滨工艺大学XChen等人将压电薄膜传感器嵌入到刀具刀柄内部，使用螺钉与刀柄固定到一起，用来测量刀具切削过程中的切削力[16]。图8是嵌入压电传感器的刀具测力系统的智能车刀结构，使用解耦算法可以实现切削过程中三向力的测量。将刀具与传感器结合为一体的新型测力系统极大的减小了测力系统的体积，提高了测力系统的使用环境。图8智能车刀结构：嵌入压电传感器的刀具测力系统另外埋入光纤进行传感在机械加工的刀具中[17]，利用光纤能高精度地传感结构中的应力变化值，探测被测试结构内部的变化并利用光时域反射计(OTDR)和光频域反射计(OFDR)技术，测试从光纤反射的信号而将各种被测的量定位。将光纤传感器网络埋入结构中，就可以“实时”检测结构中各种力学参数、损坏情况及进行系统评估，实现测试的实时化。2.3传感器在智能家居中的应用智能家居与普通家居相比，不仅具有传统的居住功能，还兼备信息家电、设备自动化、提供全方位的信息交互功能。而这些功能的实现几乎都需要大量的传感器作为支持。传感器在智能家居中的应用包括：居家安全与便利，如安防监视、火灾烟雾检测、可燃和有毒气体检测等；节能与健康环境，如光线明亮检测、温湿度控制、空气质量等。在居家安全方面，市面上即将推出的传感器有，小米公司的小米门窗传感器[18]和Loopabs公司的“notion”传感器[19]。前者可以监控门窗的开关状态，后者可以识别门的开关与否，同时还能监听烟雾警报以及门铃。在居家节能与健康环境方面，智慧云谷推出系列能检测出精确数值的家用无线自动组网空气质量传感器，能够检测损害健康的甲醛、苯、一氧化碳等10几种气体及家中的温湿度并实时显示，且可以根据检测的结果对通风、加氧、除湿等进行自动调整。2.4传感器在智能交通中的应用传感器在智能交通系统里，就如同人的五官一样，发挥着极其重要的作用。例如采用多目标雷达传感器与图像传感器的技术目前已经在智能交通领域崭露头角，传感器配合相机，可以在一张图片上同时显示多辆车的速度、距离、角度等信息，有效的监控道路车辆状况。同时，随着智能城市的兴起，车流量雷达、2D/3D多目标跟踪雷达也逐渐普及起来。作为系统眼睛的传感器，实时搜集道路交通状况，以便更好控制的车流显得越发重要。未来车辆排放法规、燃油的效能都将成为智能交通行业的驱动力，而传感器亦将在这些领域发挥重要的作用。在提高汽车燃油能效方面，新一代智能型的液压泵使用一个位置传感器实现对检测液压泵挡板的位置检测，从而较传统的泵节省15%燃油[20]。图9是一种嵌入电动车电池内部的一种薄