傳感器的演進(jìn)過(guò)程 未來(lái)將廣泛應(yīng)用科技發(fā)展

　　智能化傳感器是微型計(jì)算機(jī)和傳感器相結(jié)合的成果。它兼有檢測(cè)、判斷與信息處理的功能。智能化傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，具有很多鮮明的特點(diǎn)比如：有自診斷和自校準(zhǔn)功能，有判斷和信息處理功能，可以對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償，從而提高測(cè)量精度，還可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測(cè)量。測(cè)量的數(shù)據(jù)可存取，有數(shù)據(jù)通訊接口，可以與微型計(jì)算機(jī)直接通信。在國(guó)外宇宙飛船上這種靈巧傳感器是非常重要的。

　　集成傳感器的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法達(dá)到的。它可以將輔助電路中的元件和傳感元件集成在一塊芯片上，因而具有校準(zhǔn)、補(bǔ)償、自診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信的功能，并可以降低成本。還可以采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制成CPU、EPROM、靜壓、壓差、溫度三種敏感元件，把傳感器，信號(hào)調(diào)節(jié)電路，單片機(jī)集成在一塊芯片上，制成超大規(guī)模集成化的高級(jí)智能傳感器。

　　國(guó)外傳感器的發(fā)展已有一兩百年的歷史，而我國(guó)傳感器目前的落后狀態(tài)是歷史造成的。我國(guó)要想起上國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，并將傳感器技術(shù)臍身世界先進(jìn)水平，在傳感器的發(fā)展上只有跨過(guò)模擬電壓階段直接進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。這就必須要有新材料、新技術(shù)的快速發(fā)展，才能后來(lái)者居上。敏感元件與傳感器的更新?lián)Q代周期將越來(lái)越短，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越大，二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度增長(zhǎng)，因而高科技在傳感技術(shù)中的應(yīng)用將更加增大。

　　今天，信息技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展信、科學(xué)進(jìn)步起到了決定性的作用。現(xiàn)在信息技術(shù)的基礎(chǔ)包括信息采集、信息傳輸與信息處理，而信息的采集離不開(kāi)傳感器技術(shù)。所以說(shuō)傳感器是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的開(kāi)路先鋒。

　　近年來(lái)，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。微型化是建立在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)基礎(chǔ)上的，目前已成功應(yīng)用在硅器件上形成硅壓力傳感器（如上述EJX變送器）。

　　微電子機(jī)械加工技術(shù)，包括體微機(jī)械加工技術(shù)、表面微機(jī)械加工技術(shù)、LIGA技術(shù)（X光深層光刻、微電鑄和微復(fù)制技術(shù)）、激光微加工技術(shù)和微型封裝技術(shù)等。

　　MEMS的發(fā)展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。傳感器的檢測(cè)儀表，在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上，內(nèi)置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路（運(yùn)算放大器、A/D或D/A、存貯器、網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路）等封裝在一起完成了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化。（注：MEMS技術(shù)還完成了微電動(dòng)機(jī)或執(zhí)行器等產(chǎn)品，將另作文介紹）網(wǎng)絡(luò)化方面，目前主要是指采用多種現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)），這要按各行業(yè)的特點(diǎn)，選擇其中的一種或多種，近年內(nèi)最流行的有FF、Profibus、CAN、Lonworks、AS-Interbus、TCP/IP等。

　　除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術(shù)，如新一代光纖傳感器、超導(dǎo)傳感器、焦平面陳列紅外探測(cè)器、生物傳感器、納米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。

　　多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)正在形成熱點(diǎn)，它形成于20世紀(jì)80年代，它不同于一般信號(hào)處理，也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)和測(cè)量，而是對(duì)基于多個(gè)傳感器測(cè)量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過(guò)程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能進(jìn)一步集成以致于融合，這是必然的趨勢(shì)，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。

　　多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義概括：把分布在不同位置的多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補(bǔ)，降低其不確實(shí)性，獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層（像素層）融合、特征層融合、決策層（證據(jù)層）融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn)，即容錯(cuò)性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性，所以逐步得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，已適用于自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人、海洋監(jiān)視、地震觀測(cè)、建筑、空中交通管制、醫(yī)學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。

　　我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)要適應(yīng)技術(shù)潮流，向國(guó)內(nèi)外兩個(gè)市場(chǎng)相結(jié)合的國(guó)際化方向發(fā)展，讓傳感器和檢測(cè)儀表抓住信息化的發(fā)展機(jī)遇。

　　溫度傳感器是最早開(kāi)發(fā)，應(yīng)用最廣的一類(lèi)傳感器。根據(jù)美國(guó)儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過(guò)了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開(kāi)始，人們開(kāi)始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來(lái)的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國(guó)人西門(mén)子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開(kāi)發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

? ? ? 傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。人類(lèi)社會(huì)對(duì)傳感器提出的越來(lái)越高的要求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。而現(xiàn)代們學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)則提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。

　　隨著科技的發(fā)展，傳感器也在不斷的更新發(fā)展。

　　1、開(kāi)發(fā)新型傳感器

　　新型傳感器，大致應(yīng)包括：①采用新原理；②填補(bǔ)傳感器空白；③仿生傳感器等諸方面。它們之間是互相聯(lián)系的。傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(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，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，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。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說(shuō)它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn)，加之過(guò)去發(fā)展也不夠。世界各國(guó)都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強(qiáng)研究，從而使它成為一個(gè)值得注意的發(fā)展動(dòng)向。其中利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的低靈敏閾傳感器，用來(lái)檢測(cè)微弱的信號(hào)，是發(fā)展新動(dòng)向之一。

　　2、集成化、多功能化、智能化

　　傳感器集成化包括兩種定義，一是同一功能的多元件并列化，即將同一類(lèi)型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，排成1維的為線性傳感器，CCD圖象傳感器就屬于這種情況。集成化的另一個(gè)定義是多功能一體化，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。

　　隨著集成化技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)混合集成和單片集成式壓力傳感器相繼出現(xiàn)，有的已經(jīng)成為商品。集成化壓力傳感器有壓阻式、電容式、等類(lèi)型，其中壓阻式集成化傳感器發(fā)展快、應(yīng)用廣。

　　傳感器的多功能化也是其發(fā)展方向之一。所謂多功能化的典型實(shí)例，美國(guó)某大學(xué)傳感器研究發(fā)展中心研制的單片硅多維力傳感器可以同時(shí)測(cè)量3個(gè)線速度、3個(gè)離心加速度（角速度）和3個(gè)角加速度。主要元件是由4個(gè)正確設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)基板上的懸臂梁組成的單片硅結(jié)構(gòu)，9個(gè)正確布置在各個(gè)懸臂梁上的壓阻敏感元件。多功能化不僅可以降低生產(chǎn)成本，減小體積，而且可以有效的提高傳感器的穩(wěn)定性、可靠性等性能指標(biāo)。

　　把多個(gè)功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)量外，還可對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評(píng)價(jià)，可反映出被測(cè)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。由上還可以看出，集成化對(duì)固態(tài)傳感器帶來(lái)了許多新的機(jī)會(huì)，同時(shí)它也是多功能化的基礎(chǔ)。

　　傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合，使之不僅具有檢測(cè)功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能，就稱之為傳感器的智能化。借助于半導(dǎo)體集成化技術(shù)把傳感器部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成智能傳感器?？梢哉f(shuō)智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實(shí)現(xiàn)將取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類(lèi)傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以肯定地說(shuō)，是傳感器重要的方向之一。

　　3、新材料開(kāi)發(fā)

　　傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，是傳感器技術(shù)升級(jí)的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，傳感器技術(shù)日臻成熟，其種類(lèi)越來(lái)越多，除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外，光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開(kāi)發(fā)，為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如，根據(jù)以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半導(dǎo)體光熱探測(cè)器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點(diǎn)，發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器;在敏感材料中，陶瓷材料、有機(jī)材料發(fā)展很快，可采用不同的配方混合原料，在精密調(diào)配化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)高精度成型燒結(jié)，得到對(duì)某一種或某幾種氣體具有識(shí)別功能的敏感材料，用于制成新型氣體傳感器。此外，高分子有機(jī)敏感材料，是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料，可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，也促進(jìn)了更新型材料的開(kāi)發(fā)，如納米材料等。美國(guó)NRC公司已開(kāi)發(fā)出納米ZrO2氣體傳感器，控制機(jī)動(dòng)車(chē)輛尾氣的排放，對(duì)凈化環(huán)境效果很好，應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器，具有龐大的界面，能提供大量的氣體通道，而且導(dǎo)通電阻很小，有利于傳感器向微型化發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步將有更多的新型材料誕生。

　　4、新工藝的采用

　　在發(fā)展新型傳感器中，離不開(kāi)新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新興傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱微機(jī)械加工技術(shù)，是近年來(lái)隨著集成電路工藝發(fā)展起來(lái)的，它是離子束、電子束、分子束、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(lái)越多地用于傳感器領(lǐng)域，例如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化學(xué)氣體淀積（CVD）、外延、擴(kuò)散、腐蝕、光刻等，迄今已有大量采用上述工藝制成的傳感器的國(guó)內(nèi)外報(bào)道。

　　5、智能材料

　　智能材料是指設(shè)計(jì)和控制材料的物理、化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等參數(shù)，研制出生物體材料所具有的特性或者優(yōu)于生物體材料性能的人造材料。有人認(rèn)為，具有下述功能的材料可稱之為智能材料：具備對(duì)環(huán)境的判斷可自適應(yīng)功能；具備自診斷功能；具備自修復(fù)功能；具備自增強(qiáng)功能（或稱時(shí)基功能）。

　　生物體材料的最突出特點(diǎn)是具有時(shí)基功能，因此這種傳感器特性是微分型的，它對(duì)變分部分比較敏感。反之，長(zhǎng)期處于某一環(huán)境并習(xí)慣了此環(huán)境，則靈敏度下降。一般說(shuō)來(lái)，它能適應(yīng)環(huán)境調(diào)節(jié)其靈敏度。除了生物體材料外，最引人注目的智能材料是形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物。