傳感器新技術(shù)的發(fā)展

傳感器新技術(shù)的發(fā)展

傳感器是一種能將物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。輸出信號(hào)有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中*的元件。如果把計(jì)算機(jī)比作大腦，那么傳感器則相當(dāng)于五官，傳感器能正確感受被測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量起決定性作用。自動(dòng)化程度越高，系統(tǒng)對(duì)傳感器要求越高。在今天的信息時(shí)代里，信息產(chǎn)業(yè)包括信息采集、傳輸、處理三部分，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)由于超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，而已經(jīng)充分發(fā)達(dá)后，不僅對(duì)傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息量要求越來(lái)越高，還要求其成本低廉且使用方便。顯然傳統(tǒng)傳感器因功能、特性、體積、成本等已難以滿足而逐漸被淘汰。世界許多發(fā)達(dá)都在加快對(duì)傳感器新技術(shù)的研究與開發(fā)，并且都已取得的突破。如今傳感器新技術(shù)的發(fā)展，主要有以下幾個(gè)方面：

一．發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象

利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理，所以研究發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要工作，是研究開發(fā)傳感器的基礎(chǔ)。

日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁性傳感器，是傳感器技術(shù)的重大突破，其靈敏度高，僅次于超導(dǎo)量子干涉器件。它的制造工藝遠(yuǎn)比超導(dǎo)量子干涉器件簡(jiǎn)單?？捎糜诖懦上窦夹g(shù)，有廣泛推廣價(jià)值。

利用抗體和抗原在電極表面上相遇復(fù)合時(shí)，會(huì)引起電極電位的變化，利用這一現(xiàn)象可制出免疫傳感器。用這種抗體制成的免疫傳感器可對(duì)某生物體內(nèi)是否有這種抗原作檢查。如用肝炎病毒抗體可檢查某人是否患有肝炎，起到快速、準(zhǔn)確作用。美國(guó)加州大學(xué)已研制出這類傳感器。

二．利用新材料

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)進(jìn)步，人們可制造出各種傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器；光導(dǎo)纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器；用陶瓷制成壓力傳感器。

高分子聚合物能隨周圍環(huán)境的相對(duì)濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。高分子電介常數(shù)小，水分子能提高聚合物的介電常數(shù)。將高分子電介質(zhì)做成電容器，測(cè)定電容容量的變化，即可得出相對(duì)濕度。利用這個(gè)原理制成等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，其有以下特點(diǎn)：

測(cè)濕范圍寬；

溫度范圍寬，可達(dá)-40℃～+1500℃；

響應(yīng)速度快，小于1S；

尺寸小，可用于小空間測(cè)濕；

溫度系數(shù)小。

陶瓷電容式壓力傳感器是一種無(wú)中介液的干式壓力傳感器。采用陶瓷技術(shù)，厚膜電子技術(shù)，其技術(shù)穩(wěn)定，年漂移量小于0.1%F.S,溫漂小于±0.15%/10K,抗過載強(qiáng),可達(dá)量程的數(shù)百倍。測(cè)量范圍可從0到60mpa。德國(guó)E+H公司和美國(guó)Kavlio公司產(chǎn)品處于地位。

光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，其zui早用于光通信技術(shù)。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測(cè)量光波量的變化，就可知道導(dǎo)致這些光波量變化的溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小，利用這些原理可研制出光導(dǎo)纖維傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點(diǎn)：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。光纖傳感器日本處于水平。如IdecIzumi公司和Sunx公司。光纖傳感受器與集成光路技術(shù)相結(jié)合，加速光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學(xué)元件和無(wú)源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬、低的信號(hào)處理電壓，可靠性高，成本低。

三．微機(jī)械加工技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)中的加工方法有氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝，各向?qū)愿g及蒸鍍，濺射薄膜等，這些都已引進(jìn)到傳感器制造。因而產(chǎn)生了各種傳感器，如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出硅微傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制壓力傳感器等。

日本橫河公司利用各向?qū)愿g技術(shù)進(jìn)行三維加工，制成全硅諧振式壓力傳感器。核心部分由感壓硅膜片和硅膜片上面制作的兩個(gè)諧振梁結(jié)成，兩個(gè)諧振梁的頻差對(duì)應(yīng)不同的壓力，用頻率差的方法測(cè)壓力，可消除環(huán)境溫度等因素帶來(lái)的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩個(gè)諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個(gè)頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測(cè)量zui可達(dá)0.01%FS。

美國(guó)SiliconMicrostructureInc.（SMI）公司開發(fā)一系列低價(jià)位,線性度在0.1%到0.65%范圍內(nèi)的硅微壓力傳感器,zui低滿量程為0.15psi（1KPa）,其以硅為材料制成,具有*的三維結(jié)構(gòu),輕細(xì)微機(jī)械加工,和多次蝕刻制成惠斯登電橋于硅膜片上,當(dāng)硅片上方受力時(shí),其產(chǎn)生變形,電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)而失去電橋平衡,輸出與壓力成比例的電信號(hào).象這樣的硅微傳感器是當(dāng)今傳感器發(fā)展的前沿技術(shù),其基本特點(diǎn)是敏感元件體積為微米量級(jí),是傳統(tǒng)傳感器的幾十、幾百分之一。在工業(yè)控制、航空航天領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)等方面有重要的作用，如飛機(jī)上利用可減輕飛機(jī)重量，減少能源。另一特點(diǎn)是能敏感微小被測(cè)量，可制成血壓壓力傳感器。

中國(guó)航空總公司北京測(cè)控技術(shù)研究所，研制的CYJ系列濺謝膜壓力傳感器是采用離子濺射工藝加工成金屬應(yīng)變計(jì)，它克服了非金屬式應(yīng)變計(jì)易受溫度影響的不足，具有高穩(wěn)定性，適用于各種場(chǎng)合，被測(cè)介質(zhì)范圍寬，還克服了傳統(tǒng)粘貼式帶來(lái)的精度低、遲滯大、蠕變等缺點(diǎn)，具有精度高、可靠性高、體積小的特點(diǎn)，廣泛用于航空、石油、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。

四．集成傳感器

集成傳感器的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法達(dá)到的，它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時(shí)集成在一塊芯片上，使之具有、補(bǔ)償、自診斷和網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它可降低成本、增加產(chǎn)量，美國(guó)LUCAS、NOVASENSOR公司開發(fā)的這種血壓傳感器，每星期能生產(chǎn)1萬(wàn)只。

五．智能化傳感器

智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，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)、判斷和信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點(diǎn)：

具有判斷和信息處理功能，能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償，因而提高測(cè)量精度；

可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測(cè)量；

有自診斷和自功能，提高可靠性；

測(cè)量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；

有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計(jì)算機(jī)直接通信。

把傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、單片機(jī)集成在一芯片上形成超大規(guī)模集成化的智能傳感器。美國(guó)HONYWELL公司ST-3000型智能傳感器，芯片尺寸才有3×4×2mm3，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制成CPU、EPROM、靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。

智能化傳感器的研究與開發(fā)，美國(guó)處于地位。美國(guó)宇航局在開發(fā)宇宙飛船時(shí)稱這種傳感器為靈巧傳感器（SmartSensor），在宇宙飛船上這種傳感器是非常重要的。我國(guó)在這方面的研究與開發(fā)還很落后，主要是因?yàn)槲覈?guó)半導(dǎo)體集成電路工藝水平有限。

傳感器的發(fā)展日新月異，特別是80年代人類由高度工業(yè)化進(jìn)入信息時(shí)代以來(lái)，傳感器技術(shù)向新、高的技術(shù)發(fā)展。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)的傳感器技術(shù)發(fā)展zui快，我國(guó)由于基礎(chǔ)薄弱，傳感器技術(shù)與這些發(fā)達(dá)相比有較大的差距。因此，我們應(yīng)該加大對(duì)傳感器技術(shù)研究、開發(fā)的投入，使我國(guó)傳感器技術(shù)與外國(guó)差距縮短，促進(jìn)我國(guó)儀器儀表工業(yè)和自化化技術(shù)的發(fā)展。