傳感器技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)展望
摘要：介紹了傳感器的定義、分類及作用，闡述了傳感器技術(shù)在現(xiàn)代生活與科學(xué)技術(shù)中的一些主要應(yīng)用．分析了傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)
傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，許多國(guó)家已將傳感器技術(shù)列為與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)同等重要的位置．稱之為信息技術(shù)的三大支柱之一。目前敏感元器件與傳感器在工業(yè)部門的應(yīng)用普及率已被國(guó)際社會(huì)作為衡量一個(gè)國(guó)家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。因此．傳感器技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的新興學(xué)科正得到空前迅速的發(fā)展。并且在楓當(dāng)多領(lǐng)域被越來越廣泛的利用。
1 傳感器技術(shù)概述
1．1 傳感器定義
傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng))與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置的總稱 傳感器一般被認(rèn)為由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路三部分組成，有時(shí)還需外加輔助電源?。傳感器可以直接接觸被測(cè)對(duì)象．也可以不接觸。通常對(duì)傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對(duì)所有類型傳感器都適用的．也有只對(duì)特定類型傳感器適用的特殊要求。針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)合均需要的基本要求是：高靈敏度、抗干擾的穩(wěn)定性、線性、容易調(diào)節(jié)、高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長(zhǎng)、可重復(fù)性、抗老化、高響應(yīng)速率、抗環(huán)境影響、互換性、低成本、寬測(cè)量范圍、小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度、寬工作范圍等。
1．2 傳感器分類 由于傳感器的種類繁多．所以分類方法也較多
1)按傳感器的檢測(cè)信息來分可分為光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。
2)按轉(zhuǎn)換原理可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器
3)按其輸出信號(hào)可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器和開關(guān)轉(zhuǎn)換器
4)按傳感器使用的材料可分為：半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、復(fù)合材料傳感器、金屬材料傳感器、高分子材料傳感器、超導(dǎo)材料傳感器、光纖材料傳感器、納米材料傳感器等。
5)按能量轉(zhuǎn)換可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。
6)按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器等。
1. 3 傳感器技術(shù)的作用和地位
當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，就是信息社會(huì)的發(fā)展。早在20世紀(jì)80年代．美國(guó)就認(rèn)為世界已進(jìn)入傳感器時(shí)代． 日本也將傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之首 我國(guó)將傳感器技術(shù)列為國(guó)家八五重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目．建成了“傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“微納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“國(guó)家傳感器工程中心”等研究開發(fā)基地。而且MEMS、MOEMS等研究項(xiàng)目列入了國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。傳感器產(chǎn)業(yè)已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)．它以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。
2 傳感器技術(shù)的主要應(yīng)用
隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的高速發(fā)展．人們生活水平的迅速提高，傳感器技術(shù)越來越受到普遍的重視，它的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
2．1 在工業(yè)生產(chǎn)過程的測(cè)量與控制方面的應(yīng)用
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，必須對(duì)溫度、壓力、流量、液位和氣體成分等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)．從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的監(jiān)控。診斷生產(chǎn)設(shè)備的各種情況．使生產(chǎn)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高效益 目前傳感器與微機(jī)、通訊等的結(jié)合滲透，使工業(yè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化．更具有準(zhǔn)確、效率高等優(yōu)點(diǎn)。如果沒有傳感器．現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)程度將會(huì)大大降低。
2．2 傳感器在汽車電控系統(tǒng)中的應(yīng)用
隨著人們生活水平的提高，汽車已逐漸走進(jìn)千家萬戶。汽車的安全舒適、低污染、高燃率越來越受到社會(huì)重視 而傳感器在汽車中相當(dāng)于感官和觸角．只有它才能準(zhǔn)確地采集汽車工作狀態(tài)的信息，提高自動(dòng)化程度。汽車傳感器主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)。普通汽車上大約裝有l(wèi)O一2O只傳感器，而高級(jí)豪華車有的使用傳感器多達(dá)300個(gè)．因此傳感器作為汽車電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件．它將直接影響到汽車技術(shù)性能的發(fā)揮。
2．3 在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用社會(huì)的飛速發(fā)展
需要人們快速、準(zhǔn)確地獲取相關(guān)信息。醫(yī)學(xué)傳感器作為拾取生命體征信息的五官．它的作用日益顯著．并得
到廣泛應(yīng)用。例如：在圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)的監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)、呼吸、神經(jīng)、心血管疾病的診斷與治療等方面．使用傳感器十分普及．現(xiàn)傳感器在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備中已無所不在。
2．4 在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用
近年來．環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重．人們迫切希望擁有一種能對(duì)污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測(cè)的儀器，傳感器滿足了人們的要求。目前。已有相當(dāng)一部分生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中．如大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)。二氧化硫是酸雨霧形成的主要原因．傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很復(fù)雜?，F(xiàn)在將亞細(xì)胞類脂類固定在醋酸纖維膜上．和氧電極制成安培型
生物傳感器．可對(duì)酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測(cè)，大大簡(jiǎn)化了檢測(cè)方法。
2．5 在軍事方面的應(yīng)用傳感器技術(shù)在軍用電子系統(tǒng)的運(yùn)用
在軍事方面的應(yīng)用傳感器技術(shù)在軍用電子系統(tǒng)的運(yùn)用促進(jìn)了武器、作戰(zhàn)指揮、控制、監(jiān)視和通信方面的智能化。傳感器在遠(yuǎn)方戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)、防空系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)彈系統(tǒng)等方面，都有廣泛的應(yīng)用，是提高軍事戰(zhàn)斗力的重要因素。
2．6 在家用電器方面的應(yīng)用
8O年代以來．隨著以微電子為中心的技術(shù)革命的興起．家用電器正向自動(dòng)化、智能化、節(jié)能、無環(huán)境污染的方向發(fā)展。自動(dòng)化和智能化的中心就是研制由微電腦和各種傳感器組成的控制系統(tǒng) 如：一臺(tái)空調(diào)器采用微電腦控制配合傳感器技術(shù)．可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、風(fēng)扇搖頭、風(fēng)門調(diào)節(jié)、換氣等，從而對(duì)溫度、濕度和空氣濁度進(jìn)行控制 隨著人們對(duì)家用電器方便、舒適、安全、節(jié)能的要求的提高，傳感器將越來越得到顯著應(yīng)用。
2．7 在學(xué)科研究方面的應(yīng)用
科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，蘊(yùn)生了許多新的學(xué)科領(lǐng)域，無論從宏觀的宇宙．還是到微觀的粒子世界，許多未知的現(xiàn)象和規(guī)律要獲取大量人類感官無法獲得的信息，沒有相應(yīng)的傳感器是不可能的。
2．8 在智能建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用
智能建筑是未來建筑的一種必然趨勢(shì)，它涵蓋智能自動(dòng)化、信息化、生態(tài)化等多方面的內(nèi)容，具有微型集成化、高精度與數(shù)字化和智能化特征的智能傳感器將在智能建筑中占有重要的地位。
3 傳感器技術(shù)的發(fā)展展望
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得人們對(duì)傳感器技術(shù)越來越重視．認(rèn)識(shí)到它是影響人們生活水平的重要因素之一。因此對(duì)傳感器的開發(fā)成為目前最熱門的研究課題之一 傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以從以下幾方面來看。一是開發(fā)新材料、新工藝和開發(fā)新型傳感器；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化；三是通過傳感器與其它學(xué)科的交叉整合．實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)化。
3．1 開發(fā)新型傳感器
傳感器的工作機(jī)理是基于各種物理(化學(xué)或生物)效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料。并以此研制具有新原理的新型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。
3．2 開發(fā)新材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)．隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展．除了早期使用的材料．如：半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外，光導(dǎo)纖維、納米材料超導(dǎo)材料等相繼問世 人工智能材料更是給我們帶人了一個(gè)新的天地，它同時(shí)具有三個(gè)特征：能感知環(huán)境條件的變化(傳統(tǒng)傳感器)的功能；識(shí)別、判斷(處理器)功能：發(fā)出指令和自采取行動(dòng)(執(zhí)引器)功能 隨著研究的不斷深入，未來將會(huì)有更多更新的傳感器材料被開發(fā)出來。
3_3 集成化傳感器的開發(fā)
傳感器集成化包含兩種含義：一種是同一功能的多元件并列，目前發(fā)展很快的自掃描光電二極管列陣、CCD圖象傳感器就屬此類 另一種含義是功能一體化，即將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件 例如把壓敏電阻、電橋、電壓放大器和溫度補(bǔ)償電路集成在一起的單塊壓力傳感器。
3．4 多功能集成傳感器
多功能是指一器多能，即一個(gè)傳感器可以檢測(cè)兩個(gè)或兩個(gè)以上的參數(shù)，如最近國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制的硅壓阻式復(fù)合傳感器，可以同時(shí)測(cè)量溫度和壓力等。
3．5 智能傳感器的開發(fā)
智能傳感器是將傳感器與計(jì)算機(jī)集成在一塊芯片上的裝置，它將敏感技術(shù)信息處理技術(shù)相結(jié)合，除了感知的本能外，還具有認(rèn)知能力? 例如：將多個(gè)具有不同特性的氣敏元件集成在一個(gè)芯片上．利用圖像識(shí)別技術(shù)處理，可得到不同靈敏模式．然后將這些模式所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算．與被測(cè)氣體的模式類比推理或模糊推理，可識(shí)
別出氣體的種類和各自的濃度。
3．6 多學(xué)科交叉融合
推動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的．有無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)．是能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的”智能”系統(tǒng)。它是涉及微傳感器與微機(jī)械、通信、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科的綜合技術(shù)，其應(yīng)用已由軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到反恐、防爆、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、家居、商業(yè)、工業(yè)等眾多領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景，因此1999年和2()o3年美國(guó)商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論Techno[ogY Review在預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中．分別將其列為21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的lO大新技術(shù)之一。
3．7 加工技術(shù)微精細(xì)化
隨著傳感器產(chǎn)品質(zhì)量檔次的提升，加工技術(shù)的微精細(xì)化在傳感器的生產(chǎn)中占有越來越重要的地位。微機(jī)械加工技術(shù)是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)．目前已越來越多地用于傳感器制造工藝。例如。濺射、蒸鍍等離子體刻蝕、化學(xué)氣相淀積(CVD)、外延生長(zhǎng)、擴(kuò)散、腐蝕、光刻等。另外一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是越來越多的生產(chǎn)廠家將傳感器作為～ 種工藝品來精雕細(xì)琢。無論是每一根導(dǎo)線，還是導(dǎo)線防水接頭的出孔：無論是每一個(gè)角落．還是每一個(gè)細(xì)節(jié)，傳感器的制作都達(dá)到了工藝品水平。如日本久保田公司的柱式傳感器．外加一個(gè)黑色的防塵罩，柱式傳感器的底座一般易進(jìn)沙塵及其他物質(zhì)．而底座一旦進(jìn)了沙塵或其他物質(zhì)后．對(duì)傳感器來回?fù)u擺產(chǎn)生了影響，外加防塵罩后．顯然克服了上述弊端。這個(gè)附件的設(shè)計(jì)不僅充分考慮了用戶使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，而且制作工藝、外觀非常考究。
4 傳感器技術(shù)面臨的桃戰(zhàn)和機(jī)遇
目前科技的快速發(fā)展．使得復(fù)雜系統(tǒng)越來越復(fù)雜．自動(dòng)化已經(jīng)陷入低谷．其主要原因之一是攝取信息方面的落后：另一方面也表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后．傳感器技術(shù)的落后已成為影響自動(dòng)化業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此其面臨著極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，技術(shù)的推動(dòng)又是加速傳感器技術(shù)發(fā)展的保證和機(jī)遇。幾十年來．以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)．促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。未來10—20年，傳統(tǒng)硅技術(shù)還將得到空前發(fā)展。且不斷擴(kuò)展硅的跨學(xué)科橫向應(yīng)用(如MEMS等)和突破“非穩(wěn)態(tài)物理器件”(量子、分子器件)，將成為未來2O年傳感器技術(shù)的主要發(fā)展方向和機(jī)遇。
（轉(zhuǎn)載）
