传感器的发展

摘要

    传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化、网络化方向发展。

全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

一、传感器的定义

现如今，信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。

传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。.无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。因此常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉；声敏传感器——听觉；气敏传感器——嗅觉；化学传感器——味觉；压敏、温敏、流体传感器——触觉。虽然与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。无一例外的，人们对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：高灵敏度、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、线性以及容易调节(校准简易)；高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)；可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力；选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换性低成本；宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围。

二、传感器的发展历史

国外发展传感器枝术有两条不同途径,一条是以美国为代表的走先军工后民用、先提高后普及的路子。另一条是以日本为代表的侧重实用化和商品化,先普及后提高,由引进、消化、仿制到自行改进设计创新的路子。前者花钱多,后者花钱少,速度快。据国内专家评估,我国传感器技术与国外先进国家相比,在科研开发上要落后10年,在生产技术上则要落后15年。国外传感器技术发展较快,主要有以下几方面原因：1、非常重视传感器功能材料研究。2．对传感器技术开发十分重视。3．重视工艺研究。4．重视质量管理与市场分析。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。而在我国传感器的发展现状却仍旧令人担忧。虽然我国早在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业，那时在上海、四川、重庆等地成立的一些企业现在仍然存在。但是今天活跃在国际市场上的仍然是德国、日本、美国、俄国等老牌工业国家。在这些国家里，传感器的应用范围很广，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年生产能力能达到几千万只甚至几亿只。相比之下，中国传感器的应用范围较窄，更多的仍然停留在航天航空以及工业测量与控制上。据有关资料显示，我国最大的传感器公司的年产值也仅有55000只。而且，高、精、尖传感器和新型传感器的市场，几乎全被国外品牌或合资企业垄断了。

    谈及国内传感器发展水平与国外相差甚远的原因，中国自动化学会的彭瑜先生认为“主要是技术基础薄弱，研究水平不高，缺乏自主知识产权。”我国从事敏感元件与传感器研制生产的企业、单位有1688家，但研制、生产综合实力较强的骨干企业较少，仅占总数的10%左右。我国目前很多企业都是引用国外的芯片加工，自主研发的产品少之甚少，自主创新能力非常薄弱。甚至许多企业仅停留在代理国外产品的水平上，发展空间捉襟见肘。国产传感器企业按照长期依赖国外技术的惯性发展至今，在技术上形成了“外强中干”的局面，不仅失去了中高档产品市场，而且也直接导致自己能生产的产品品种单一，同质化十分严重。甚至有相当一部分国产产品只能模仿别人的外形，即使这样，由于技术水平低，模仿产品的灵敏度、精度和可靠性也差强人意。除此以外，我国传感器行业分布上还不均衡，在第十届中国国际传感器、测试测量展览会上，中国传感器协会副理事长谷荣祥提供了以下情况：国内传感器企业主要集中在陕西省以及东部、沿海地区，西部其他地区以及内陆地区相对较少。但是随着传感器向产业化更积极地迈进，包括通用传感器在内的传感器应用领域和范围的进一步扩大，随着市场化程度的深入和客户采购制度的完善，谷荣祥先生说“未来国内传感器厂商的数量会先增后减”，从而使中国传感器产业走向规范化发展的轨道。在第十届中国国际传感器、测试测量展览会上，我们也看到了国内传感器企业发展可喜的一面。沈阳传感器中心和青鸟元芯在压力芯片制造中取得了突破，我国很多国家级的航天、电子研究所的芯片制造技术相互组合，如果再有市场因素推动，规模生产指日可待。而昆山双桥传感器测控技术有限公司、西安中星测控有限公司、宝鸡麦克传感器有限公司等开始集中力量考虑专项技术问题，并取得了一些成绩。国内也已经有企业跟踪高端传感器的发展，比如MEMS技术，而MEMS已成为全球增长最快的产品之一。

现在我国传感器面临着历史上的最好时刻，市场需求量大，国家政策支持，

一方面许多国内企业在努力开发自己的新技术，企业管理模式大大改进，另一方面来自国际的AMA德国传感器协会还参会进行支持。范茂军所长说：“传感器的质量、价格、功能都是将来国内企业要重点提高的方面。

将来国内传感器还要走好从工业过程检测向功能独立的设备仪器转化的过程，比如日常用血压计就属于此类。”大家也都相信国内企业会在取长补短上更有作为，从而争取早日与外企站在同一起跑线上，向传感器微型化、网络化、专业化进军。我们期待未来的中国传感器取得不菲的成绩，而中国传感器企业仍然任重而道远。

三、传感器如今的发展

苹果新一代手机iPhone 6和智能手表的亮相，让全球众多苹果手机的追随者又有了一次彻夜排队的理由。赋予苹果手机越来越强大功能的，不仅是越来越强大的芯片，更重要的是手机上越来越多、越来越精良的传感器。　数年前，当乔布斯拿着苹果手机“晃一晃”就可以让它有所反应的时候，手机的智能化时代真正开始了。几年后，手机从一种通讯工具变成了一个人们离不开的伙伴。让手机具备这样“魔力”的，是触摸屏、陀螺仪、加速度计等各式各样的传感器。

然而不仅仅是手机，在汽车、家用电器、可穿戴设备上，以及工业自动化领域，越来越多的传感器成为机器的“耳目”。普通公众了解甚少的是，即将给人们生活方式带来更大变化的物联网，其最核心的基础技术也是传感器。有科学家预言，传感器将像“人体的五官”一样，在未来充满各个领域和空间。当下，随着物联网时代的开启，各式各样的传感器正成为无处不在的神经元，全球对于传感器的需求也开始呈现爆发性的增长。

“传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣对财新记者说，人类在计算机的时代，解决了大脑的模拟问题，相当于用0和1实现了信息的数字化，利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代，开始模拟五官。

传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器，功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说，是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

随着人们对自然认识的深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等。利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器性能和拓展传感器的应用范围提供新的可能。”

    如检测金属产品位置的电感式接近开关，它利用金属物体接近能产生电磁场的振荡感应头时在被测金属上形成的涡流效应来检测金属产品的位置。由于不同金属涡流效应的效果不同，因此不同金属的检测距离是不一样的。面对各类合金时，普通的电感式接近开关就显得力不从心。由于电感式接近开关其内部结构是在铁氧体磁芯上绕制线圈作为电感线圈，而铁氧体磁芯自身的限制使得电感式传感器不可能在已有的设计理念下发展，那么只能在技术上开发出可以替代铁氧体线圈的产品来提高产品的性能。好消息是，国外的一家公司的电感式接近开关就摒弃了铁氧体磁芯，从而去掉了磁芯的限制。这样在检测不同金属时可以通过电路调节提高产品的检测距离，并且全金属检测距离无衰减，抗干扰能力也有所提升。

    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。

四、传感器发展方向

传感器支持工艺是微加工技术,包括微电子和微机械加工技术,传感器技术竞争将从芯片制造工艺转化到封装技术竞争。新的封装工艺诸如阳极粘合、倒装焊接,多芯片组装等工艺将会有新的更大发展。应抓住信息产业的飞速发展和环保生态产业的兴起,21世纪的传感器市场将会有更大发展,抓住传感器发展机遇,不失时机地开发新产品,逐步形成产业,将会形成国民经济新的增长点。

传感器在技术水平和功能上的迅速发展，一方面来自于计算机、检测等技术的发展，另一方面则源于应用领域需求的驱动。在用户需求催生出越来越多传感器新品的同时，厂商也开始越发重视让产品更适用于用户的操作和需要。如何通过对多种智能传感器的组合让用户更简单的使用传感器已经成为公司发展的一个方向。如作为专用于传感器和执行器之间联网通讯的国际标准的AS-I（EN50295），它摒弃了传统接线中，电源必须连接到每只传感器并且信号线必须连到I/O模块中的限制。一个AS-I网络中最多可包含124只简单的传感器或31个可编程的AS-I传感器，用户可组合使用。

而MEMS技术正带动传感器的发展。

    半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制造压力传感器等。基于MEMS硅微加工技术，传感器具有体积小、低功耗等特点，易集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

    MEMS技术是物联网产业链中不可或缺的一环。首先微型化的同时降低功耗，将会出现微米甚至纳米级别的微型器件，同时降低功耗;第二，微型化的同时提高精度，将MEMS加速度计做到石英加速度计的噪声特性，保证MEMS陀螺仪小体积的同时获得光纤陀螺仪的零偏稳定性，且可提供远优于光纤陀螺仪的抗冲击特性;第三，集成化及智能化趋势，即MEMS与IC的集成制造技术及多参量MEMS传感器的集成制造技术得到发展，以及在集成化基础上使得信号检测具有一定的自动化。这些趋势要求半导体厂商提供更高精度、稳定性更好、更智能的高集成度MEMS传感器模块。世界各国对微型电子机械系统(MEMS)给予极高重视,美国宇航局(NASA)很早就给予支持,美国国防部高级研究计划局(APPA)等机构每年投资2000万美元,德国每年投资7000万美元,日本通商产业省MITI）则拟订了一个十年内投资2亿美元的计划,美国的硅谷已成为当今世界上MEMS研究中心。随着传感器技术、固态技术、微电子技术、计算技术等学科的飞速发展,一种高精度、低驱动、高可靠性、低功耗、占用空间小、重量轻和快速响应的崭新的微型电子机械系统的传感器即将在世界展现。

传感器发展的另一大特点是向着集成化、智能化方向发展。集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量。而智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点，具有判断和信息处理功能，可实现多传感器多参数测量，有自诊断和自校准功能，测量数据可存取，且具有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器已经成为一个新的发展趋势。

然后就要考虑数字化和模块化了。

在一些控制领域的应用中，往往有很多不同的输入以及多变量的处理，这些复杂的要求只有数字电路应付得过来。然而，在另一些应用中，模拟依旧占主导地位。模拟器件设计相对简单，对应于简单的电路，特别是面对成本控制等诸多因素，模拟都是首选。随着传感器技术的进一步发展，传感器设备集成了越来越多的数字化电路和接口。有专家指出，MEMS与集成电路的结合，可以使工业解决方案的设计摒弃那些需要复杂信号处理的传统技术。而传感器提供了数字输出信号，这需要内部具备集成的电路，如ADC以及串行器。因为制造方式相同，所需材料相同，基于MEMS的传感器就更加适合数字化。

恰似传感器“模拟与数字”的问题，依据应用的场合不同而不同，对于未来传感器的未来，会是数字化和模块化共存的局面。

参考文献

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苏州大学电子信息学院

14电信刘曦旻

2014.12.10