傳感器的目前現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢綜述

1、傳感器的目前現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢吳偉 1106032008 材控 2班摘 要 ： 傳感器是高度自動(dòng)化系統(tǒng)乃至現(xiàn)代尖端技術(shù)必不可少的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。傳感器技術(shù)是世界各國競相發(fā)展的高新技術(shù)，也是進(jìn)入 21 世紀(jì)以來優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一。 傳感器技術(shù)所涉及的知識(shí)領(lǐng)域非常廣泛， 其研究和發(fā)展也越來越多地和其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系。 本文首先介紹了傳感器的基本知識(shí)和傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史。 之后， 綜述了近幾年高端前沿的光電傳感器技術(shù)和生物傳感器技術(shù)的主要研究狀況。 最后， 展望了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 ：傳感器技術(shù)；傳感器；研究現(xiàn)狀；趨勢引言當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展， 是信息化社會(huì)的發(fā)展。 在

2、信息時(shí)代， 人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對信息資源的開發(fā)及獲取、 傳輸與處理。 而傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段， 是現(xiàn)代科學(xué)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。 它是指那些對被測對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)換成與之對應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置的總稱。 傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置， 一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程所要獲取的信息都要通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號(hào)。 如果把計(jì)算機(jī)比喻為處理和識(shí)別信息的“大腦”， 把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”，那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)， 發(fā)展迅猛， 同計(jì)算機(jī)

3、技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱， 許多國家已將傳感器技術(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。 現(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力， 擁有廣泛的開發(fā)空間，發(fā)展前景十分廣闊。1 傳感器的基本知識(shí)1.1 傳感器的定義和組成廣義地說，傳感器是指將被測量轉(zhuǎn)化為可感知或定量認(rèn)識(shí)的信號(hào)的傳感器。從狹義方面講， 感受被測量， 并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)化為同種或別種性質(zhì)的輸出信號(hào)的裝置。 傳感器一般由敏感元件、 轉(zhuǎn)換元件、 測量電路和輔助電源四部分組成，其中敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可能合二為一，而有的傳感器不需要輔助電源。1.2 傳感器技術(shù)的基本特性在測試過程中， 要求傳感器能感受到被測量的變化并將其不失真

4、地轉(zhuǎn)換成容易測量的量。被測量有兩種形式：一種是穩(wěn)定的，稱為靜態(tài)信號(hào)；一種是隨著時(shí)間變化的，稱為動(dòng)態(tài)信號(hào)。由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器的輸入特性也不同，因此， 傳感器的基本特性一般用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來描述。 衡量傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)有線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率和漂移等。影響傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要是傳感器的固有因素， 如溫度傳感器的熱慣性等， 動(dòng)態(tài)特性還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。2 傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史與回顧傳感器技術(shù)是在20世紀(jì)的中期才剛剛問世的。在那時(shí)， 與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相比， 傳感技術(shù)的發(fā)展都落后于它們， 不少先進(jìn)的成果仍停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，并沒有投入到實(shí)際生產(chǎn)與廣泛

5、應(yīng)用中，轉(zhuǎn)化率比較低。在國外，傳感器技術(shù)主要是在各國不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的， 并在早期多用于國家級項(xiàng)目的科研研發(fā)以及各國軍事技術(shù)、 航空航天領(lǐng)域的試驗(yàn)研究。 然而， 隨著各國機(jī)械工業(yè)、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以日本和歐美等西方國家為代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國際市場中逐步占有了重要的份額。我國從20世紀(jì)60年代開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，經(jīng)過從“六五”到“九五”的國家攻關(guān)，在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長足的進(jìn)步，初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系，并在數(shù)控機(jī)床攻關(guān)中取得了一批可喜的、 為世界矚目的發(fā)明專利與工況監(jiān)

6、控系統(tǒng)或儀器的成果。 但從總體上講， 它還不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展， 我國不少傳感器、 信號(hào)處理和識(shí)別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。 同時(shí)， 我國傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場競爭力優(yōu)勢尚未形成，產(chǎn)品的改進(jìn)與革新速度慢，生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)少。3 傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀21世紀(jì)是邁向信息化社會(huì)的嶄新階段。 其中， 光電信息學(xué)與生物學(xué)的迅猛發(fā)展已成為這一時(shí)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，并最有機(jī)會(huì)尋求更大的突破與飛躍。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，在人類邁向新世紀(jì)，步入信息化社會(huì)的關(guān)鍵階段想要尋求空前迅速的發(fā)展， 很大程度上取決于傳感器在這兩個(gè)前沿領(lǐng)域中的深入研究與廣泛應(yīng)用。在國外， 光電傳感器

7、技術(shù)已廣泛地運(yùn)用到各國軍事技術(shù)、 航空航天、 檢測技術(shù)以及車輛工程等諸多領(lǐng)域。例如，軍事上，國外激光制導(dǎo)技術(shù)迅猛發(fā)展，使導(dǎo)彈發(fā)射的精度和射中目標(biāo)的準(zhǔn)確性大幅度提高； 美國在航空航天領(lǐng)域， 研制出了新型高精度高耐性紅外測溫傳感器，使其在惡劣的環(huán)境中仍能高精度測量出運(yùn)行中的飛行器各部分溫度； 國外的城市交通管理也大多運(yùn)用電子紅外光電傳感器進(jìn)行路段事故檢測和故障排解的指揮；同時(shí)，國外現(xiàn)有汽車中常裝載有新型光電傳感器，如激光防撞雷達(dá)、紅外夜視裝置、測量發(fā)動(dòng)機(jī)燃料特性、壓力變化并用于導(dǎo)航的光纖陀螺等。在國內(nèi)， 傳感器行業(yè)發(fā)展迅速， 傳感器市場近些年一直持續(xù)增長， 勢頭良好，主要應(yīng)用于工業(yè)制造、 汽車產(chǎn)品

8、、 電子通訊和專用設(shè)備， 其中工業(yè)制造和汽車產(chǎn)品達(dá)到市場份額的三分之一。 傳感器給我國的迅速發(fā)展帶來了無限商機(jī)， 西門子、霍尼韋爾、 凱樂、 橫河等傳感器大企業(yè)紛紛進(jìn)入我國市場， 這為我國工業(yè)設(shè)備制造商和汽車制造業(yè)等傳感器最終消費(fèi)者帶來了很大便利， 但也對國內(nèi)傳感器行業(yè)施加了很大壓力。國內(nèi)傳感器產(chǎn)品存在的主要問題是：品種少，質(zhì)量較差；制造工藝技術(shù)相對落后； 生產(chǎn)企業(yè)不掌握先進(jìn)的核心制造技術(shù)； 高性能傳感器的科研成果轉(zhuǎn)化率較低。4 現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景對比傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀可以看出， 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及相關(guān)條件的日趨成熟， 傳感器技術(shù)逐漸受到了更多人士的高度重視

9、。 當(dāng)今傳感器技術(shù)的研究與發(fā)展， 特別是基于光電通信和生物學(xué)原理的新型傳感器技術(shù)的發(fā)展，已成為推動(dòng)國家乃至世界信息化產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要標(biāo)志與動(dòng)力。由于傳感器具有頻率響應(yīng)、 階躍響應(yīng)等動(dòng)態(tài)特性以及諸如漂移、 重復(fù)性、 精確度、靈敏度、分辨率、線性度等靜態(tài)特性，所以外界因素的改變與動(dòng)蕩必然會(huì)造成傳感器自身特性的不穩(wěn)定， 從而給其實(shí)際應(yīng)用造成較大影響。 這就要求我們針對傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)， 在不同場合對傳感器規(guī)定相應(yīng)的基本要求， 以最大程度優(yōu)化其性能參數(shù)與指標(biāo)， 如高靈敏度、 抗干擾的穩(wěn)定性、 線性、 容易調(diào)節(jié)、高精度、 無遲滯性、 工作壽命長、 可重復(fù)性、 抗老化、 高響應(yīng)速率、 抗環(huán)境影響、互換

10、性、低成本、寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度等。同時(shí)， 根據(jù)對國內(nèi)外傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析以及對傳感器各性能參數(shù)的理想化要求， 現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢可以從四個(gè)方面分析與概括： 一是開發(fā)新材料的開發(fā)與應(yīng)用； 二是實(shí)現(xiàn)傳感器集成化、 多功能化及智能化； 三是實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化；四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。4.1 新材料的開發(fā)、應(yīng)用材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)和前提， 是傳感器技術(shù)升級的重要支撐， 因而傳感器技術(shù)的發(fā)展必然要求加大新材料的研制力度。 事實(shí)上由于材料科學(xué)的不斷發(fā)展， 傳感器材料的不斷得到更新， 品種不斷得到豐富， 目前除傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料

11、、陶瓷材料、光導(dǎo)材料、超導(dǎo)材料以外，新型的納米材料的誕生有利于傳感器向微型方向發(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。半導(dǎo)體材料在敏感技術(shù)中占有較大的技術(shù)優(yōu)勢，半導(dǎo)體傳感器不僅靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕，且便于實(shí)現(xiàn)集成化，在今后的一個(gè)時(shí)期，仍占有主要地位。以一定化學(xué)成分組成、 經(jīng)過成型及燒結(jié)的功能陶瓷材料， 其最大的特點(diǎn)是耐熱性，在敏感技術(shù)發(fā)展中具有很大的潛力。此外，采用功能金屬、功能有機(jī)聚合物、非晶態(tài)材料、固體材料、薄膜材料等，都可進(jìn)一步提高傳感器的產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。4.2 傳感器的集成化、多功能化及智能化傳感器的集成化分為傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集

12、成化。 前 者是在同一芯片上， 或?qū)⒈姸嗤活愋偷膯蝹€(gè)傳感器件集成為一維線型、 二維陣 列(面)型傳感器，使傳感器的檢測參數(shù)由點(diǎn)到面到體多維圖像化，甚至能加上 時(shí)序， 變單參數(shù)檢測為多參數(shù)檢測； 后者是將傳感器與調(diào)理、 補(bǔ)償?shù)入娐芳梢?體化，使傳感器由單一的信號(hào)變換功能，擴(kuò)展為兼有放大、運(yùn)算、干擾補(bǔ)償?shù)榷喙δ軐?shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。如日本豐田研究所開發(fā)出同時(shí)檢測Na+、 K+和H+等多種離子的傳感器。這種傳感器的芯片尺寸為2.5mm< 0.5mm僅用一滴 液體，如一滴血液，即可同時(shí)快速檢測出其中Na+ K+f口H+勺濃度，對醫(yī)院臨床非常方便實(shí)用。 目前集成化傳感主要使用硅材料， 它可

13、以制作電路， 又可制作磁 敏、力敏、溫敏、光敏和離子敏器件。在制作敏感元件時(shí)要采用單硅的各向同性 和各向異性腐蝕、 等離子刻蝕、 離子注入等工藝， 利用微機(jī)械加工技術(shù)在單晶硅 上加工出各種彈性元件。 當(dāng)今， 發(fā)達(dá)國家正在把傳感器與電路集成在一起進(jìn)行研 究。智能化傳感器是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的另外一種涉及多種學(xué)科的新型傳感器系統(tǒng)。 此類傳感器系統(tǒng)一經(jīng)問世即刻受到科研界的普遍重視， 尤其在探測器應(yīng)用領(lǐng)域， 如分布式實(shí)時(shí)探測、 網(wǎng)絡(luò)探測和多信號(hào)探測方面一直頗受歡迎， 產(chǎn)生的影響較大。 智能化傳感器是指那些裝有微處理器的， 不但能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲(chǔ)， 而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系

14、統(tǒng)。 這一類傳感器就相當(dāng)于是微型機(jī)與傳感器的綜合體一樣， 其主要組成部分包括主傳感器、 輔助傳感 器及微型機(jī)的硬件設(shè)備。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 智能化傳感器不但能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理、 分析和調(diào)節(jié)， 能夠?qū)λ鶞y的數(shù)值及其誤差進(jìn)行補(bǔ)償， 而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷， 能夠借助于一覽表對非 線性信號(hào)進(jìn)行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號(hào)。2) 智能化傳感器具有自診斷和自校準(zhǔn)功能，可以用來檢測工作環(huán)境。3) 智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測量， 從而進(jìn)一步拓寬了其探測與應(yīng)用領(lǐng)域， 而微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對多種信號(hào)進(jìn) 行實(shí)時(shí)處理。4)

15、 智能化傳感器既能夠很方便地實(shí)時(shí)處理所探測到的大量數(shù)據(jù)， 也可以根據(jù)需要將它們存儲(chǔ)起來。5) 智能化傳感器備有一個(gè)數(shù)字式通信接口， 通過此接口可以直接與其所屬計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)和交換信息。智能化傳感器無疑將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、 電磁、 光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見， 新興的智能化傳感器將會(huì)在關(guān)系到全人類國民生的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大作用。4.3 傳感器微小型化為了能夠與信息時(shí)代信息量激增、 要求捕獲和處理信息的能力日益增強(qiáng)的技術(shù)發(fā)展趨勢保持一致， 對于傳感器性能指標(biāo)的要求越來越嚴(yán)格； 與此同時(shí)， 傳感器系統(tǒng)的操作友好性亦被提上了議事日程， 因此還要求傳感器必須配有標(biāo)準(zhǔn)的輸出模式； 而傳統(tǒng)的大

16、體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求， 所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代； 后者主要由硅材料構(gòu)成， 具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。就當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，微型傳感器已經(jīng)對大量不同應(yīng)用領(lǐng)域，如航空、遠(yuǎn)距離探測、 醫(yī)療及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的信號(hào)探測系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響； 目前開發(fā)并進(jìn)入實(shí)用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學(xué)量和生物量，如位移、速度、加速度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、聲、光、電、磁、熱、PK、離子濃度及生物分子濃度等。4.4 傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)化無線網(wǎng)絡(luò)對我們來說并不陌生，比如手機(jī)，無線上網(wǎng)，電視機(jī)。傳感器對我們來說也不陌生，比如溫度傳感器。

17、但是，把二者結(jié)合在起來，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)概念， 卻是近幾年才發(fā)生的事情。 這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分就是一個(gè)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)可以感受溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。 更讓人感興趣的是， 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)可以進(jìn)行快速運(yùn)算的微型計(jì)算機(jī)，它們將傳感器收集到的信息轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)， 進(jìn)行編碼， 然后通過節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn) 之間自行建立的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給具有更大處理能力的服務(wù)器。傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、 由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域， 被認(rèn)為是將對二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有

18、具有巨大的運(yùn)用價(jià)值， 在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性， 如家用、 保健、交通等領(lǐng)域。 我們可以大膽的預(yù)見， 將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在， 將完全融入我們的生活。 比如微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、 個(gè)人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤， 家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)安全調(diào)控、 節(jié) 電等。5 結(jié)語傳感器行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代， 網(wǎng)絡(luò)傳感器、 生物傳感器、 納 米傳感器等更尖端的傳感器已進(jìn)入國內(nèi)市場， 進(jìn)入我們的生活。 當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。今后，隨著CA鼓術(shù)、MEM跋術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來的傳感器系統(tǒng)必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。參考文獻(xiàn)：1 劉梅 . 傳感器技術(shù)現(xiàn)代科技的開路先鋒 J. 中國科技信息, (18) .2 谷有臣 , 孔英 , 陳若輝 . 傳感器技術(shù)的發(fā)展和趨勢綜述 J. 物理實(shí)驗(yàn) ,2002(12).3 張福學(xué) . 傳感器敏