传感器未来的发展前景分析

传感器未来的发展前景分析

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王澈

摘 要：

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它在自动化生产领域扮演了极其重要角色。

传感器技术是世界各国竞相发展的高新技术，也是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。本文首先介绍了传感器的基本知识和传感器技术的发展历史。之后，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究状况。最后，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 Sensor is a detection device, can feel the measured information and will feel the information, according to a certain rule transform become electrical signals or other required forms of information output, in order to meet the requirement of the information transmission, processing, storage, display, record and control requirements. It plays a very important role in the field of automated production. Sensor technology is the development of the world's high and new technology, but also to enter the top ten top technology development since twenty-first Century, one of the priority. Sensor technology is involved in the field of knowledge is very broad, and its research and development is also more and more closely related to the development of other disciplines. This paper firstly introduces the basic knowledge of the sensor and the history of the development of sensor technology. After that, the paper summarizes the main research status of photoelectric sensor technology and biosensor technology in recent years. Finally, the development and application prospect of modern sensor technology are discussed.

引言：

随着“信息时代”的到来，作为获取信息 的手段----传感器技术得到了长足的进步：一方面其应用领域越来越广泛，人们对其要求越来越高，需求越来越迫切。虽然传感器能将各种物理量，化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是他们都不同成都的存在温漂和非线性等影响因素。因此，对于相关工程和研究人员不仅必须掌握各类传感器的结构、原理极其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路才能满足信号的处理、显示和控制要求。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，各自都在开发研制合适的应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器是非常重要的。 传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域。

一、传感器的历史

传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。 当今传感器技术发展大体经历了以下四个阶段：

(1)结构型传感器例如应变式位移计

(2)物性型传感器例如固态压阻式压力传感器

(3)智能性传感器例如美国霍尼威尔公司的ST--3000型智能压力传感器,它带有微处理器,具有检测和信息处理功能。自诊断、自适应功能。

(4)分子型传感器,它是利用竹子的构形和构象以及由此而表现出电磁现象为理论基而制作的。显著特点：尺寸小到竹子级,并由一个大分子或几个分子器件所构成。

人体是各类传感器会集之处,而且绝大部分生物体内的传感器都是分子传感器。到目前为止,真正的传感器,只有在生物体内能够找到、这就提示我们,可以借助基因工程、生物合成分子传感器系统。

有人预计未来对世纪分子传感器时代即将到来。

二、现代传感器技术的发展趋势和应用前景

对比传感器技术的发展历史与研究现状可以看出，随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了更多人士的高度重

视。当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。

2.1集成化、多功能化、智能化 传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况。集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。

随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。集成化压力传感器有压阻式、电容式、等类型，其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。

传感器的多功能化也是其发展方向之一。所谓多功能化的典型实例，美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度和3个角加速度。主要元件是由4个正确设计安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。

把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。由上还可以看出，集成化对固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。

传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能传感器。可以说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，可以肯定地说，是传感器重要的方向之一。

2.2新材料开发

传感器材料是传感器技术的重要基础，随着材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器，光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器，用陶瓷制成压力传感器。 高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成的等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，具有测湿范围宽、温度范围宽、响应速度快、尺寸小、可用于小空间测湿、温度系数小等特点。 陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量的满量程误差不超过0.1%，温漂小，抗过载更可达量程的数百倍。 光导纤维的应用是传感材料的重大突破，光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。而光纤传感器与集成光路技术的结合，加速了光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，光纤传感器又具有了高带宽、低信号处理电压、可靠性高、成本低等特点。

2.3新工艺的采用

在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。

三、未来市场需求分布

中国传感器市场近几年一直持续增长，增长速度超过15%。2012年中国传感器应用四大领域为工业控制、汽车电子、通信电子及消费电子，其中工业和汽车电子产品占市场份额的42%左右。根据中国《中国电子元件“十二五”规划》，“十二五”期间将投资5000亿元，主要集中在新型电子元件的研发和产业化领域。其中包括基于MEMS技术的传感器、环境监测设备用气体传感器、流量传感器、湿度传感器等。此外，工业和信息化部于2012年2月发布的《物联网“十二五”规划》中，在重点工程内容中也提到发展微型和智能传感器、无线传感器网络等。

未来5年将是中国传感器市场稳步快速发展的5年，在持续30%以上的年度增长动力之下，2014年中国传感器市场规模有望达到1200亿元以上。中国作为国际战场中的主战场，亚太地区的发展中心地，在一定程度上也反映出，谁能成功抢占到中国市场，也就意味着能够成功抢滩到传感器市场，必将在传感器市场中分的最大的那块蛋糕。我国未来传感器产业或将遵循以下三个方向：

第一，以工业控制、汽车、通讯、环保为重点服务领域，以传感器、弹性元件、光学元件、专用电路为重点对象，发展具有自主知识产权的原创性技术和产品。

第二，以增加品种、提高质量和经济效益为主要目标，加速产业化，使国产传感器的品种占有率达到70%~80%，高档产品达60%以上。

第三，以MEMS工艺为基础，以集成化、智能化和网络化技术为依托，加强制造工艺和新型传感器和仪表元器件的开发，使主导产品达到和接近国外同类产品的先进水平。

四、结语

传感器行业的发展已经进入了一个新的时代，网络传感器、生物传感器、纳米传感器等更尖端的传感器已进入国内市场，进入我们的生活。当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS 技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。