新型傳感器技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

1、新型傳感器技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)中文摘要隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)信號(hào)檢測(cè) 與傳輸?shù)男枨?，新型傳感器?yīng)運(yùn)而生。新型傳感器包括采用新原理、新材料、新 技術(shù)等開(kāi)發(fā)出來(lái)的傳感器，和傳統(tǒng)的傳感器相比精度更高、 響應(yīng)更快、可靠性更 強(qiáng)、集成度更高、智能性更好。本文詳細(xì)介紹了新型傳感器的發(fā)展背景、分類、 優(yōu)勢(shì)、發(fā)展前景及方向，還介紹了納米傳感器、智能傳感器、生物傳感器、微機(jī) 電系統(tǒng)傳感器等比較常見(jiàn)的新型傳感器。關(guān)鍵詞：傳感器、智能、集成度、精度A new sensor technology and its development trendABSTRACTWith the dev

2、elopme nt of in dustrial automati on, the traditi on al sen sor cant meet the sig nal detect ion and tran smissi on requireme nts of moder n in dustrial anym ore.The n new sen sors arises. The new sen sors depe nds on new prin ciples, new materials and new tech no logy, compared with the traditional

3、 sensor, the new ones have higher precision, faster repercussion , better intelligent ,higher reliability and integration. This article introduces the background of the developme nt of new sen sors, the classificati on, the adva ntages ,the developme nt prospect and direct ion .It in troduces the na

4、no meter sen sor, i ntellige nt sen sor, biological sen sors, mems sen sor and some more com mon new sen sors.Keywords: sen sors, in tellige nee, in tegrati on, precisi on刖言隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)的進(jìn)步，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，傳感器發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。人類社會(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

5、發(fā)展。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)在精度、 靈敏性、集成度、可靠性等方面已經(jīng)逐漸不能滿足要求。在這種工業(yè)背景下，新 型傳感器應(yīng)運(yùn)而生。1新型傳感器的分類所謂新型傳感器，大致應(yīng)包括：采用新原理、填補(bǔ)傳感器空白、仿生傳感器 等諸方面。 它們之間是互相聯(lián)系的。 關(guān)于傳感器的分類， 學(xué)術(shù)界目前還沒(méi)有統(tǒng)一 的分類方法， 這里我們暫且從運(yùn)用原理上面把傳感器分為物理傳感器、 化學(xué)傳感 器，從這兩個(gè)個(gè)方面闡述傳感器發(fā)展的一些新方向和趨勢(shì)。 大多數(shù)傳感器是以物 理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的， 而且物理傳感器發(fā)展較早， 技術(shù)成熟， 所以相對(duì)于物理傳 感器，化學(xué)傳感器可以稱為新型傳感器。1.1 物理傳感器 傳統(tǒng)物理傳感器按其采用的制造原

6、理主要分為物理型傳感和結(jié)構(gòu)型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律為基本原理構(gòu)成的，包括力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定 律、電磁場(chǎng)定律等等。 物理型傳感器是利用物質(zhì)的基本定律構(gòu)成的， 如彈簧的彈 性定律，電阻的歐姆定律等。由此新型物理傳感器的開(kāi)發(fā)可以從兩個(gè)方面入手： 采用新原理、利用物理學(xué)中新發(fā)現(xiàn)的定律、規(guī)律 這是從結(jié)構(gòu)型傳感器的角度開(kāi)發(fā)新型傳感器。 結(jié)構(gòu)型傳感器雖屬早期開(kāi)發(fā)的 產(chǎn)品, 但近年來(lái)由于新材料、新原理、新工藝的相繼應(yīng)用 , 在精確度、可靠性、穩(wěn) 定性、靈敏度等方面也有了很大的提高。 目前結(jié)構(gòu)型傳感器在工業(yè)自動(dòng)化、 過(guò)程 檢測(cè)與其它等方面仍占有相當(dāng)大的比重。 采用新材料、新工藝這是從物理型傳感器的

7、角度開(kāi)發(fā)新型傳感器。 物性型傳感器具有不少誘人的 優(yōu)點(diǎn)，加之過(guò)去發(fā)展也不夠， 現(xiàn)在世界各國(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。2.2 化學(xué)傳感器2.2.1 化學(xué)傳感器的概念化學(xué)傳感器( chemical sensor )是指那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象 為因果關(guān)系的傳感器， 被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 對(duì)比于人的感 覺(jué)器官，化學(xué)傳感器大體對(duì)應(yīng)于人的嗅覺(jué)和味覺(jué)器官。 典型的化學(xué)傳感器有氣敏、 離子敏、濕敏、固體電解質(zhì)傳感器、生物傳感器等。主要利用的是被檢測(cè)物質(zhì)與 敏感物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)之后的一些現(xiàn)象或者檢測(cè)反應(yīng)生成物。2.2.2 化學(xué)

8、傳感器的前景化學(xué)傳感器的機(jī)理比較復(fù)雜， 發(fā)展的較晚， 對(duì)它的了解還不很透徹， 工藝也 不太成熟， 所以導(dǎo)致化學(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多， 例如可靠性問(wèn)題， 規(guī)模生產(chǎn)的可 能性，價(jià)格問(wèn)題等。 然而化學(xué)傳感器在人類環(huán)境保護(hù)、 以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中的 應(yīng)用，已經(jīng)越來(lái)越顯示出其重要性。 所以化學(xué)傳感器具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。 如果 能解決上述難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)2 幾種新型傳感器下面列舉幾種類型的新型傳感器，并分別加以介紹其特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。 智能傳感器 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器 納米傳感器 生物傳感器2.1 智能傳感器智能傳感器，就是帶微處理器、 兼有信息檢測(cè)和信息處理功能的傳感器。 智 能傳感器的最大

9、特點(diǎn)就是將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能 有機(jī)地融合在一起。 從一定意義上講， 它具有類似于人工智能的作用。 例如對(duì)于 壓力傳感器， 傳統(tǒng)的壓力傳感器只檢測(cè)壓力并將檢測(cè)值傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 而智能 壓力傳感器不光能檢測(cè)壓力， 還可以將檢測(cè)到的壓力與設(shè)定的某些壓力值相比較 從而做出相應(yīng)的反應(yīng)以促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，智能程度大大提高。 智能傳感器的功能： 復(fù)合敏感功能：傳統(tǒng)傳感器只能測(cè)定單一的變量，如壓力傳感器只能測(cè) 定壓力，流量傳感器只能測(cè)定流量。 而智能傳感器能夠同時(shí)測(cè)量聲、 光、電、熱、 力、化學(xué)等多個(gè)物理和化學(xué)量， 給出比較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。 如美國(guó) 加利弗尼亞

10、大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器， 可同時(shí)測(cè)量介質(zhì)的溫度、 流速、壓力和 密度。美國(guó)EG&GlCSensors公司研制的復(fù)合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測(cè)量物體某一點(diǎn) 的三維振動(dòng)加速度、速度、位移，等等。 自補(bǔ)償和計(jì)算功能： 多年來(lái)從事傳感器研制的工程技術(shù)人員一直為傳感器 的溫度漂移和輸出非線性作大量的補(bǔ)償工作， 但都沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。 而智 能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補(bǔ)償開(kāi)辟了新的道 路。這樣，放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復(fù)性好，利用微 處理器對(duì)測(cè)試的信號(hào)通過(guò)軟件計(jì)算， 采用多次擬合和差值計(jì)算方法對(duì)溫度漂移和 非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從而能獲得較精確的結(jié)果。 自檢、自校

11、、自診斷功能：普通傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證它在 正常使用時(shí)足夠的準(zhǔn)確度， 這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸送到實(shí)驗(yàn) 室或檢驗(yàn)部門(mén)進(jìn)行。 這樣傳感器出現(xiàn)異常情況將不能及時(shí)得到檢查和維護(hù)。 采用 智能傳感器情況則大有改觀， 首先自診斷功能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢， 診斷測(cè)試 以確定組件有無(wú)故障。其次根據(jù)使用時(shí)間可以在線進(jìn)行校正，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零、 自動(dòng)調(diào)平衡、自動(dòng)校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自標(biāo)定功能。 具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯判斷和信息處理功能：隨著全智能集散控制系統(tǒng)(Smart Distributed System) 的飛速發(fā)展，對(duì)智能單元要求具備通信功能，用通 信網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式進(jìn)行雙向通信，

12、這也是智能傳感器關(guān)鍵標(biāo)志之一。 智能傳感器 能對(duì)被測(cè)量進(jìn)行信號(hào)調(diào)理或信號(hào)處理。 只要傳感器的重復(fù)性好， 就可以實(shí)現(xiàn)包括 對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、線性化，或?qū)囟?、靜壓力等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?。?能傳感器通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。 如增益的設(shè)置、 補(bǔ)償參 數(shù)的設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出等。 智能傳感器的集成化： 由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展使得傳感器與相應(yīng)的電 路都集成到同一芯片上，而這種具有某些智能功能的傳感器叫作集成智能傳感 器。集成智能傳感器的功能有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：較高信噪比；改善零漂、溫漂、 頻響等性能；信號(hào)規(guī)一化處理。2.2 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器微機(jī)電系統(tǒng)(Microele

13、ctro Mechanical Systems ，簡(jiǎn)稱MEMS是指可批量制 作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接 口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。 它涉及電子、 機(jī)械、材料、物理學(xué)、 化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多種學(xué)科，具有廣泛的應(yīng)用前景。其中，微傳感器占有很 大的比例。2.2.1 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器的特點(diǎn) 微傳感器采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)，與傳統(tǒng)的傳感器相比具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、易于集成、可以批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)。同時(shí) 在微米量級(jí)的尺寸也使得其可以實(shí)現(xiàn)某些傳統(tǒng)傳感器不能實(shí)現(xiàn)的功能。2.2.2 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器的前景利用MEM技術(shù)加工的微

14、結(jié)構(gòu)傳感器具有微型化、陣列化、可集成化、智能 化、成本低、 功耗低、 高可靠性、 易于生產(chǎn)、 多點(diǎn)檢測(cè)、 復(fù)合敏感等一系列優(yōu)點(diǎn)， 受到世界各國(guó)的重視。但是目前還有許多技術(shù)問(wèn)題，如靈敏度低、工作溫區(qū)窄、精度不高等。隨著科技的不斷進(jìn)步，可以肯定采用MEM戰(zhàn)術(shù)制作的微傳感器在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到 的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。2.3 納米傳感器2.3.1 納米技術(shù)的特殊性納米技術(shù)主要是針對(duì)尺度為1nmi 100nm之間的分子世界的一門(mén)技術(shù)。該尺 寸處在原子、 分子為代表的微觀世界和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域， 基于此尺寸的 系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型

15、的宏觀系統(tǒng)， 因此有著獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和物理 性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，呈現(xiàn)出常規(guī) 材料不具備的優(yōu)越性能。2.3.2 納米傳感器的發(fā)展納米技術(shù)和生物技術(shù)是 21 世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù)，在這兩者之間存在著許多 技術(shù)交叉，其中，納米生物傳感技術(shù)將有望成為新興產(chǎn)業(yè)。納米傳感器（ Nano Sen ser）在航天、機(jī)械、儀器儀表、汽車制造、油氣勘探、電子工程及醫(yī)療器械 行業(yè)都有廣泛用途。 而將它用在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)設(shè)備上， 檢驗(yàn)設(shè)備的診斷效率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 過(guò)采用傳統(tǒng)傳感器的設(shè)備。 納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后， 提高了生物傳感器 的靈敏度和其它性能， 并促發(fā)了新型的生物傳感器。 因?yàn)?/p>

16、具有了亞微米尺寸的換 能器、探針或者納米微系統(tǒng)，生物傳感器的各種性能大幅提高。2.3.3 納米傳感器的未來(lái)納米技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展新型結(jié)構(gòu)與功能仿生傳感器的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。 可以 預(yù)見(jiàn)，基于納米技術(shù)與仿生學(xué)原理開(kāi)發(fā)的新一代納米仿生傳感器， 將大大豐富人 類的物質(zhì)世界，使人們的生活更加便利、舒適與安全。2.4 生物傳感器2.4.1 生物傳感器的概念生物傳感器是一類特殊的傳感器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、 細(xì)胞等）作為生物敏感單元， 對(duì)目標(biāo)測(cè)物具有高度選擇性的檢測(cè)器。 生物傳感器 是一門(mén)由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來(lái)的高 新技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)如食品、制藥

17、、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán) 境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制以及生物技術(shù)、生物芯片等方面有廣泛的應(yīng)用前景。2.4.2 生物傳感器的特點(diǎn) 生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)， 特別是它的高度自動(dòng)化、 微型化與集成化的特點(diǎn)， 成為是 介于信息和生物技術(shù)之間的新增長(zhǎng)點(diǎn)，也使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā) 展。2.4.3 生物傳感器的應(yīng)用 韓國(guó)科學(xué)家研究南美的大力士甲蟲(chóng)，基于甲蟲(chóng)的皮膚再造一個(gè)納米結(jié)構(gòu)，發(fā)明出了可以根據(jù)濕度改變顏色并且不需要電力、可以永久使用的仿生濕度傳感 器。美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種新型仿生手， 可以讓截肢患者恢復(fù)觸覺(jué)。 這些都是仿 生學(xué)在實(shí)踐中的極

18、好應(yīng)用。2.4.4 仿生傳感器的設(shè)計(jì)理念 仿生傳感器的設(shè)計(jì)理念主要涵蓋兩大方面：一是敏感機(jī)制的仿生，包括敏感材料與敏感原理的仿生設(shè)計(jì)；二是傳感器功能的仿生。仿生敏感材料（也被稱為仿生智能材料 ） 與仿生原理是發(fā)展仿生傳感器的基石與核心，直接決定了仿生傳 感器技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，該領(lǐng)域研究極為活躍。此外，模仿生物的功能，研制具有 與其功能相似的傳感器為人類所用，也是極具吸引力的領(lǐng)域。2.4.5 仿生傳感器的發(fā)展方向 仿生傳感器正在朝著兩個(gè)方向發(fā)展：其一，仿生傳感器日益朝著基于生物組 織本身的微觀結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)制模仿的方向發(fā)展； 另一方面， 基于某些整體裝置 的小型化、 便攜化、低碳節(jié)能化考慮， 仿生

19、傳感器的微型化也成為一個(gè)重要的研 究方向。3 傳感器的發(fā)展趨勢(shì)3.1 向高精度發(fā)展隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高， 對(duì)傳感器的要求也不斷提高， 研究靈敏度高、 精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動(dòng)化的可靠性。3.2 高可靠性、寬溫度范圍的 傳感器的可靠性直接影響到通訊設(shè)備的可靠性，研究高可靠性、寬溫度范 圍的傳感器將是永久的方向。許多新興材料（如陶瓷、納米材料）將很有前途。3.3 向微型化發(fā)展 各種控制設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)，要求各個(gè)部件的體積越小越好，這就要求 發(fā)展新的材料和加工技術(shù)。 傳感器微型化可以使得其功能更加強(qiáng)大， 控制更加集 中，而且可以減少能源消耗。 許多新材料的開(kāi)發(fā)和新工藝的采用可以使這個(gè)趨勢(shì) 更加明顯。3.4 向微功耗和無(wú)源化發(fā)展 傳感器一般都實(shí)現(xiàn)非電量向電量轉(zhuǎn)化，工作時(shí)離不開(kāi)電源。在野外場(chǎng)地或 者離開(kāi)電網(wǎng)的地方， 往往就是電池供電或者太陽(yáng)能供電。 開(kāi)發(fā)微功率傳感器和無(wú) 源傳感器是必然的方向。 這樣既可以節(jié)省能源