傳感器的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展前景

1、器的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨院系：新聯(lián)學(xué)院專業(yè)：10 電子信息工程姓名：王俊鋒學(xué)號：1002174050傳感器的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢摘要：隨著信息科學(xué)、生物科學(xué)以及材料科學(xué)的日益進(jìn)步，傳感器技術(shù)也隨著發(fā)展很迅速，日常生活的各個領(lǐng)域它已越來越受到廣泛的關(guān)注。將來的傳感器技術(shù)會向微型化、多功能化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；應(yīng)用；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；微型化；多功能化；智能化；網(wǎng)絡(luò)化隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、石油化工以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，傳感器技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，它正逐漸地滲透到人們的日常生活中去。從某種程度上來講，衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志是傳感器技術(shù)水平的

2、高低，主要體現(xiàn)在傳感器能夠較好地實現(xiàn)自動控制水平和測試技術(shù)的高低。作為測量與自動控制的重要環(huán)節(jié)的傳感器，不僅是新技術(shù)革命的重要技術(shù)基礎(chǔ)，而且還是當(dāng)今信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)。筆者就當(dāng)前一些重要的領(lǐng)域里，講述了傳感器技術(shù)的應(yīng)用情況，并按照目前傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對其將來的發(fā)展方向加以預(yù)測。一、傳感器的定義以及分類(一)傳感器的定義從廣義上來說，傳感器是指將被測量對象的某一確定的信息具有定量檢出與感知功能，而且根據(jù)一定的規(guī)律能夠轉(zhuǎn)化為與之相符的有價值認(rèn)識信號的裝置或者元器件。從狹義上來說， 可以感受被測量， 而且可以根據(jù)特定的規(guī)律把其轉(zhuǎn)化為性質(zhì)相同或不同的輸出信號的裝置。(二)傳感器的分類1 1

3、.傳感器種類及品種繁多，原理也各式各樣。2 2 .按照輸入物理量的分類，傳感器常以別測物理量命名，如位移傳感器，速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等；3 3 .按照工作原理分類，傳感器的命名常能夠根據(jù)工作原理，如應(yīng)變式、電容式、電感式、熱點式、光電傳感器等；4 4 . .按輸出信號分類，可分為模擬傳感器和數(shù)字式傳感器。若輸出量為模擬量則成為模擬式，輸出量為數(shù)字式則稱為數(shù)字式傳感器等。5 5 . .按照被測量的性質(zhì)，可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器三大類。(1)(1)物理傳感器原理及應(yīng)用物理傳感器是利用某些物理效應(yīng)，把被測量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號裝置，其輸出的信號和輸入的信號有

4、確定的關(guān)系。常用的物理傳感器有光電式傳感器、壓電式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。(2)(2)化學(xué)傳感器原理及應(yīng)用化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，將被測信號量的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號。常用的有氣敏、濕敏和離子傳感器。(3)(3)生物傳感器原理及應(yīng)用生物傳感器是利用生物分子探測生物反應(yīng)信息的器件。換句話說，它是利用生物的或有生命物質(zhì)分子的識別功能與信號轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，將生物反應(yīng)所引起的化學(xué)、物理變化變換成電信號、光信號等。有人將生物傳感器形象地定義為:由生物識別單元?？梢姡魏我粋€生物傳感器都具有兩種功能，即分子識別和信號轉(zhuǎn)換功能。二、傳感器技

5、術(shù)的應(yīng)用傳感器技術(shù)是當(dāng)前代表國家綜合科研水平的重要水平，傳感器技術(shù)的具體應(yīng)用是傳感器技術(shù)轉(zhuǎn)化的重要途徑和方法。（一）主要傳感器技術(shù)分類1 1 . .光電傳感器技術(shù)光電傳感器技術(shù)又稱為光感器技術(shù)，是將光感信號轉(zhuǎn)化為電信號的一種傳感器技術(shù)。光感器技術(shù)可用于檢測直接引起光量變化的非電量，也可用于來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，目前主要應(yīng)用于工業(yè)自動化裝置和機(jī)器人技術(shù)中。2 2 . .多傳感器技術(shù)傳感器是獲取信息的工具。多傳感器信息融合技術(shù)軍事上的成功應(yīng)用后，極大地提高了傳感器系統(tǒng)的可靠性，擴(kuò)展時間上和空間上的觀測范圍、增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度、增強(qiáng)系統(tǒng)的分辨能力。多傳感器技術(shù)主要是信息融合技術(shù)。3 3

6、. .生物傳感器技術(shù)生物傳感器技術(shù)是一種將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化成電信號的分析測試技術(shù)，以此而制成的傳感器裝置具有選擇性高、分析速度快、操作簡單和價格低廉的特點。作為一門在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科，應(yīng)用很廣泛。（二）傳感器技術(shù)在 ITSITS 中的應(yīng)用ITSITS 是人們將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及計算機(jī)處理技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于整個交通運(yùn)輸體系。1 1 .傳感器技術(shù)在智能汽車中的應(yīng)用2 2 .傳感器技術(shù)在虛擬儀器中的應(yīng)用3 3 .傳感器技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用三、傳感器的發(fā)展趨勢近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，傳感器技術(shù)飛速發(fā)展

7、。由于微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展，傳感器必將向微型化、多功能化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。（一）微型化（MicroMicro）微型化傳感器主要由硅材料構(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。其核心技術(shù)是研究微電子和微機(jī)械加工與封裝技術(shù)的巧妙結(jié)合，期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強(qiáng)大的新型系統(tǒng)。3D3D 微型結(jié)構(gòu)已作為微型傳感器的主要敏感元件被廣泛應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域中。（二）多功能化（MultifunctionMultifunction）通常情況下一個傳感器只能用來探測一種物理量，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時測量大量的物理量。

8、由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨一個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)多種傳感器的功能。隨著傳感器技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以生產(chǎn)出來將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器。(三)智能化(Smart)(Smart)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，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(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。智能傳感器因

9、具有測量、存儲、通信、控制等優(yōu)點而成為未來傳感器技術(shù)發(fā)展的一個重要的方向。智能化傳感器與人工智能相結(jié)合，創(chuàng)造出各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的高度智能傳感器已經(jīng)在家用電器方面得到了很好的利用，智能化傳感器必將成為未來傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向。智能化傳感器將數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等一體化，顯然，它自身必須帶有微型計算機(jī)，從而還具備自診斷、遠(yuǎn)距離通信、自動調(diào)節(jié)零點和量程等功能?；谀：碚摰男滦椭悄芑瘋鞲衅骱蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能化傳感器系統(tǒng)和發(fā)展的重要作用，也日益受到了相關(guān)研究人員的極大重視。(四)無線網(wǎng)絡(luò)化(wirelessnetworked)(wirelessnetwor

10、ked)傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現(xiàn)代的先進(jìn)微電子技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、系統(tǒng) SOC(system-on-chip)SOC(system-on-chip)芯片設(shè)計技術(shù)、納米材料與技術(shù)、現(xiàn)代信息通訊技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合，以實現(xiàn)其微型化、集成化、多功能化及系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，特別是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的超低功耗系統(tǒng)

11、設(shè)計。但是，目前，傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，今后一段時間里，傳感器的研究工作將主要是選擇靈敏度高的敏感元件；提高信號檢測器的使用壽命和傳感器的穩(wěn)定性以及傳感器的微型化、便攜式等問題。在不久白將來，傳感器會給人們的生活帶來巨大的變化，它具有廣闊的應(yīng)用前景，必將在市場上大放異彩。傳感器技術(shù)的不斷推進(jìn)與廣泛應(yīng)用大大地提高了相關(guān)行業(yè)和部門的技術(shù)水平，促進(jìn)了生產(chǎn)力的不斷發(fā)展。通過對傳感器技術(shù)應(yīng)用的研究綜述，筆者認(rèn)為傳感器技術(shù)發(fā)展的趨勢將是開發(fā)新材料與傳感器智能化發(fā)展相結(jié)合，相互促進(jìn)。(五)新材料開發(fā)、應(yīng)用傳感器材料是傳感器技術(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

12、要求加大新材料的研制力度。事實上，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，目前除了傳統(tǒng)上的半導(dǎo)體材料、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促進(jìn)了傳感技術(shù)的新發(fā)展，我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步將有更多的新型材料誕生。1 1 .新材料的開發(fā)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，且便于實現(xiàn)集成化，在今后的一個時期，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

13、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。2 2 . .新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用將半導(dǎo)體的精密細(xì)微加工技術(shù)應(yīng)用在傳感器的制造中，可極大地提高傳感器的性能指標(biāo)，并為傳感器的集成化、超小型化提供了技術(shù)支撐。3 3 . .利用新的效應(yīng)開發(fā)新型傳感器（六）新型傳感器隨著人們對自然的認(rèn)識深化，會不斷發(fā)現(xiàn)一些新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等。利用這些新的效應(yīng)可開發(fā)出相應(yīng)的新型傳感器，從而為提高傳感器性能和拓展傳感器的應(yīng)用范圍提供新的可能。1 1 .傳感器的集成化利用集成加工技術(shù)，將敏感元件、測量電路、放大電路、補(bǔ)償電路、運(yùn)算電路等制作在同一芯片上，從而使傳感器具有了體積小、質(zhì)量輕、生產(chǎn)自動化程度高

14、、制造成本低、穩(wěn)定性和可靠性高、電路設(shè)計簡單、安裝調(diào)試時間短等優(yōu)點。2 2 .傳感器的多維化一般的傳感器只限于對某一點物理量的測量，而利用電子掃描方法，把多個傳感器單元做在一起，就可以研究一維、二維以至三維空間的測量問題，甚至向包含時間系的四維空間發(fā)展。X X 射線的 CTCT 就是多維傳感器的實例。3 3 .傳感器的多功能化一般一個傳感器只能測量一種參數(shù)，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時測量大量的參數(shù)。多功能化則意味著一個傳感器具有多種參數(shù)的檢測功能，如可以將一個溫度探測器和一個濕度探測器配置在一起制成一種新的傳感器-同時測量溫度和濕度等。從實用的角度考慮，在多功能傳感器中應(yīng)用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器。以上所介紹的傳感器“三新四化”的發(fā)展趨勢是相互交叉、滲透和相輔相成的。事實上，這遠(yuǎn)不能完全描繪傳感器的前景。相信在任何一個領(lǐng)域中研究的深入，都會對傳感器的發(fā)展起到推進(jìn)作用。傳感器的種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍越來越廣泛，早已引起世