傳感器檢測前沿知識綜述

1、精品文檔傳感器檢測前沿知識綜述杜思誠 GS14060114當今社會的發(fā)展， 是信息化社會的發(fā)展。 在信息時代， 人們的社會活動將主 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域中信息 的主要途徑與手段， 是現代科學的中樞神經系統(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）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉換成與之對應 的可輸出信號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，一切科學研究和生產過程所要獲取的信息都要通過它轉換為容易傳輸和處理 的電信號。 如果把計算機比喻為處理和識別信息的 “大腦 ”，把通信系統(tǒng)比喻為 傳遞信息的 “

2、神經系統(tǒng) ”，那么傳感器就是感知和獲取信息的 “感覺器官 ”。傳感器技術是現代科技的前沿技術， 發(fā)展迅猛， 同計算機技術與通信技術一 起被稱為信息技術的三大支柱， 許多國家已將傳感器技術列為與通信技術和計算 機技術同等重要的位置。 現代傳感器技術具有巨大的應用潛力， 擁有廣泛的開發(fā) 空間，發(fā)展前景十分廣闊。一、傳感器簡介（一）傳感器解釋傳感器是指能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出 信號的器件或裝置。其利用物理效應 . 化學效應 . 生物效應，把被測的物理 量，化學量，生物量等非電量轉換成電量。傳感器由敏感元件和轉換元件 組成。敏感元件直接感受或響應被測量的部分。有時也將敏感元件

3、稱為傳 感器。轉換元件能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量 的電信號部分。（二）傳感器技術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地轉換成容 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；一種是隨著時 間變化的，稱為動態(tài)信號。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)特性和動態(tài)特性來描述。 衡量傳感器的靜態(tài) 特性指標有線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨率和漂移等。影響傳感器的動 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， 動態(tài)特性還與傳感 器輸入量的變化形式有關。（三）傳感技術的發(fā)展歷程基于

4、仿生研究的傳感技術 , 自古以來就滲透到人類的生產活動、科學實驗、 日常生活的各個方面 , 如計時、產品交換、 氣候和季節(jié)的變化規(guī)律等 ; 由于各學 科之間的相互融合和各行各業(yè)的需求 , 傳感技術應運而生并快速發(fā)展 , 其大體 經歷了 3代歷程。1. 第1代結構型傳感器它利用結構參量變化來感受和轉化信號。 例如 : 電阻應變式傳感器 , 它是利 用金屬材料發(fā)生彈性形變時電阻的變化來轉化電信號的。2. 第2代固體傳感器這種傳感器是 20 世紀70 年代開始發(fā)展起來的 , 由半導體、 電介質、磁性材 料等固體元件構成 , 是利用材料的某些特性制成的 , 比如利用熱電效應、霍爾效 應、光敏效應 ,

5、分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。 70年代后 期 , 隨著集成技術、 分子合成技術、 微電子技術及計算機技術的發(fā)展 , 出現集成 傳感器。集成傳感器包括 2種類型 : 傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的 集成化,例如：電荷耦合器件（CCD）集成溫度傳感器（AD590）集成霍爾傳感 器（UGN3501等。3. 第3代智能傳感器智能傳感器是 20世紀 80年代剛剛發(fā)展起來的 , 其對外界信息具有一定檢測、 自診斷、數據處理以及自適應能力 , 是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物。 20世紀80年代智能化測量主要以微處理器為核心 , 把傳感器信號調節(jié)電路、 微計 算機、存貯器及

6、接口集成到一塊芯片上 , 使傳感器具有一定的人工智能 ; 20世紀 90年代智能化測量技術有了進一步的提高 , 在傳感器一級水平實現智能化 , 使 其具有自診斷功能、 記憶功能、 多參量測量功能以及聯網通信功能等。 當今世界 傳感器市場正在以持續(xù)穩(wěn)定的增長之勢向前發(fā)展。二、傳感器的應用（一）傳感器應用領域概述 就當前技術發(fā)展現狀來看，微型傳感器已經對大量不同應用領域，如航空、 遠距離探測、 醫(yī)療及工業(yè)自動化等領域的信號探測系統(tǒng)產生了深遠影響； 目前開 發(fā)并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量， 如位移、速度/加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子

7、濃度及生物分子濃度等。 傳感器越來越多地被應用到社會發(fā)展及人類生活的各個 領域，如工業(yè)自動化、農業(yè)現代化、航天技術、軍事工程、機器人技術、資源開 發(fā)、海洋探測、環(huán)境監(jiān)測、安全保衛(wèi)、醫(yī)療診斷、交通運輸、家用電器等。（二）傳感器具體應用 1在自動檢測與自動控制系統(tǒng)中廣泛應用電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，通常建立 24 小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。 石化企業(yè)輸油管道、 儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。 車身到位檢測。 光線 傳感器檢測標簽，多種氣體檢測系統(tǒng)。在汽車、機床、電機、發(fā)動機等產品出廠 時，必須對其性能質量檢測。2在醫(yī)學上的應用 對人體的健康狀況進行診斷需要進行多種生理參數的測量。 國內已經成

8、功地 開發(fā)出了用于測量近紅外組織血氧參數的檢測儀器。 人類基因組計劃的研究也大 大促進了對酶、免疫、微生物、細胞、DNA RNA蛋白質、嗅覺、味覺和體液組 份以及血氣、血壓、血流量、脈搏等傳感器的研究。3在環(huán)境保護中的應用保護環(huán)境和生態(tài)平衡， 實現可持續(xù)發(fā)展， 必須進行大氣監(jiān)測和江河湖海水質 檢測，需要大量用于污水流量、PH值、電導、濁度、COD BOD TP、TN礦物 油、氰化物、氨氮、總氮、總磷、金屬離子濃度特別是重金屬離子濃度以及風向、 風速、溫度、濕度、工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣、S02 NO 03 CO等參數測量的傳感器，這些傳感器中大多數亟待開發(fā)。4在遙感技術中的應用 飛機及航天飛行器：

9、近紫外線、可見光、遠紅外線、微波。船舶：超聲波傳 感器。（三）傳感器的市場規(guī)模2010 年，流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占 到整個傳感器市場的 21%、 19%和 14%;壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、 水平傳感器已表現出成熟市場的特征 ; 未來傳感器市場的主要增長將來自于無線 傳感器、微系統(tǒng)傳感器、生物傳感器等新興傳感器。傳感器已進入人們的日常工作和家庭生活中， 并已在國民經濟各部門以及國 防建設中得到廣泛應用，為中國現代化建設作出了應有的貢獻。三、傳感技術的國內外研究現狀目前, 全世界約有40個國家從事傳感器的研制、 生產和應用開發(fā) , 研發(fā)機構 達6 00

10、0余家, 其中以美、日、俄等國實力較強 , 他們建立了包括物理量、化學 量、生物量三大門類的傳感器產業(yè) , 研發(fā)生產單位有 4 000余家、產品有 20 000 多種 , 對應用范圍廣的產品已實現規(guī)?；a , 大企業(yè)的年生產能力達到幾千 萬支到幾億支。比較著名的傳感器廠商有美國霍尼韋爾 （ Honeywel1） 公司、福 克斯波羅（Foxboro）公司、ENDEVC公司、英國 Bell Howell 公司、So lartron 公司、荷蘭飛利浦、俄羅斯熱工儀表所等。3. 1 我國傳感技術的現狀在國家的支持下 , “八五”以來我國的傳感技術及其產業(yè)取得了長足進步。 在原電子工業(yè)部的努力及敏感元

11、器件與傳感器分會的積極組織下 , 實施“雙加工 程”建立了我國敏感元器件與傳感器生產基地。這三大基地分別為 :1）安徽基地 , 主要是建立力、光敏規(guī)模經濟 ;2）陜西基地 , 1990 年2 月成立了陜西省敏感技術產業(yè)集團公司 , 主要以建立 電壓敏、熱敏、汽車電子規(guī)模經濟為主要目標 ;3）黑龍江基地 , 主要以建立氣、濕敏規(guī)模經濟為主要目標。當前我國正在重點開發(fā)的MEMS微電子與微機械的結合）、MOMES（ME與微 光學的結合）、智能傳感器（MEMS與CPU信息控制技術的結合）、生物化學傳感 器（MEMS與生物技術、電化學的結合）等以及今后將大力開發(fā)的網絡化傳感器 （MEM網絡技術的結合）、

12、納米傳感器（納米技術與傳感器技術的結合）均是多學科、 多種新技術交叉融合的新一代傳感器。3. 2 國外傳感技術的發(fā)展現狀國外傳感器的發(fā)展各有特點。美國和日本在產品品種和性能方面不相上下 , 但某些技術 (民用產品 )日本發(fā)展較快。日本十分重視研究開發(fā)功能材料 , 并建立 起很多專業(yè)化工廠 , 1986 年生產傳感器 17.57 億只, 其發(fā)展特點是先占用民用 產品市場 , 再向高水平發(fā)展。美國傳感器研究水平較高 , 力圖先解決研究上的難 題 , 再轉入生產 , 其特點是以“軍 ”帶“民”。歐洲在許多大學設立傳感器研究 中心, 側重于理論研究。 國外傳感器發(fā)展中的一種傾向是 : 制造技術、信號處

13、理 技術、新材料的研究開發(fā)與應用同時進行 , 并向集成化、多功能化、智能化、薄 膜化方向發(fā)展。生物傳感器、距離傳感器、振動傳感器、加速度傳感器等年增長 率均在 16%以上, 濕度傳感器及煙道氣體、 熱紅外、熱圖像轉距等類型的傳感器 , 年增長率分別在 10% 以上。在美國, 傳感器大部分應用在軍事、 航空航天、石油、 化工、汽車、飛機、自動化裝備上 ; 在日本 , 傳感器多用于家用電器汽車、機械 工具、機器人、工業(yè)裝備上 , 法國和英國則在工業(yè)過程和飛機工業(yè)上得到較多的 應用。3. 3 我國傳感技術與國際水平的比較 綜合國內外傳感技術的發(fā)展現狀來看 , 我國的優(yōu)勢有 :1) 已經形成了研究、生

14、產和應用體系、人材隊伍和部分傳感技術的優(yōu)勢 , 是傳 感器技術進一步發(fā)展的基礎 ;2) 有一批先進的成果 , 如刀具/ 砂輪監(jiān)控儀系列成果 , 石油油井用高溫、高壓 傳感檢測系統(tǒng)、高精度熱敏檢測傳感等 ;3) 有一個量大面廣的用戶市場。 不可否認 , 我國傳感技術與國際水平還有一定 差距 , 不足之處有 :1) 研究開發(fā)戰(zhàn)略在系統(tǒng)性上的不足 , 如: 傳感器與傳感系統(tǒng)未能統(tǒng)一布置 , 形成兩套并列 , 相互脫節(jié)的攻關 ;2) 對傳統(tǒng)傳感器的革新改進不足 , 微小型化步子慢 ;3) 特殊環(huán)境和工程項目傳感技術的研究開發(fā)尚未成熟 ;4) 集成化、智能化和納米技術與國外差距大。因此, 我國應繼續(xù)實行

15、“吸收型”的發(fā)展戰(zhàn)略方針 , 引進技術、引進設備并 加以改進提高 , 逐步形成自主的技術開發(fā)能力 , 并特別重視研究大生產工藝技 術和提高產業(yè)水平 , 全面推進我國的傳感技術發(fā)展。四、傳感器的發(fā)展趨勢傳感器今后的發(fā)展趨勢向集成化、多功能化、智能化、數字化發(fā)展，以滿足 在工業(yè)生產中不斷進步的需求 (1) 集成化：集成(傳感器、放大器、運算器、補 償器等)；組合(不同功能的傳感器)；排列(成矩陣)。 (2) 多功能化：如溫 度與濕度、氣敏與濕度、速度與長度等多功能傳感器。 (3) 智能化：不但能對外 界信號進行轉換與測量，同時還具有記憶存儲、運算及數據處理等功能。 (4) 數 字化：數字顯示與微處

16、理機的應用， 使傳感器應用更為方便， 可提高穩(wěn)定性及精 度，簡化結構。對比傳感器技術的發(fā)展歷史與研究現狀可以看出， 隨著科學技術的迅猛發(fā)展 以及相關條件的日趨成熟， 傳感器技術逐漸受到了更多人士的高度重視。 當今傳 感器技術的研究與發(fā)展， 特別是基于光電通信和生物學原理的新型傳感器技術的 發(fā)展，已成為推動國家乃至世界信息化產業(yè)進步的重要標志與動力。由于傳感器具有頻率響應、 階躍響應等動態(tài)特性以及諸如漂移、 重復性、 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蕩必然會 造成傳感器自身特性的不穩(wěn)定， 從而給其實際應用造成較大影響。 這就要求我們 針對傳感器的工作原理和結構，

17、 在不同場合對傳感器規(guī)定相應的基本要求， 以最 大程度優(yōu)化其性能參數與指標， 如高靈敏度、抗干擾的穩(wěn)定性、 線性、容易調節(jié)、 高精度、無遲滯性、工作壽命長、 可重復性、抗老化、高響應速率、抗環(huán)境影響、 互換性、低成本、寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度等。同時，根據對國內外傳感器技術的研究現狀分析以及對傳感器各性能參數的 理想化要求， 現代傳感器技術的發(fā)展趨勢可以從四個方面分析與概括： 一是開發(fā) 新材料的開發(fā)與應用； 二是實現傳感器集成化、 多功能化及智能化； 三是實現傳 感技術硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化；四是通過傳感器與其它學科的交叉整合， 實現無線網絡化。4.1 新材料的開發(fā)、應用材料是傳

18、感器技術的重要基礎和前提， 是傳感器技術升級的重要支撐， 因而 傳感器技術的發(fā)展必然要求加大新材料的研制力度。 事實上由于材料科學的不斷 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)的半導體材 料、陶瓷材料、光導材料、超導材料以外，新型的納米材料的誕生有利于傳感器向微型方向發(fā)展， 隨著科學技術的不斷進步將有更多的新型材料誕生。 半導體材 料在敏感技術中占有較大的技術優(yōu)勢， 半導體傳感器不僅靈敏度高、 響應速度快、 體積小、質量輕，且便于實現集成化，在今后的一個時期，仍占有主要地位。以 一定化學成分組成、經過成型及燒結的功能陶瓷材料，其最大的特點是耐熱性， 在敏感技術發(fā)展中具

19、有很大的潛力。此外，采用功能金屬、功能有機聚合物、非 晶態(tài)材料、固體材料、薄膜材料等， 都可進一步提高傳感器的產品質量及降低生 產成本。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)電路的集成化。 前 者是在同一芯片上， 或將眾多同一類型的單個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由點到面到體多維圖像化，甚至能加上 時序，變單參數檢測為多參數檢測； 后者是將傳感器與調理、 補償等電路集成一 體化，使傳感器由單一的信號變換功能，擴展為兼有放大、運算、干擾補償等多 功能 實現了橫向和縱向的多功能。如日本豐田研究所開發(fā)出同時

20、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2.5mmK 0.5mm僅用一滴 液體，如一滴血液，即可同時快速檢測出其中 Na+ K+和H+的濃度，對醫(yī)院臨床 非常方便實用。 目前集成化傳感主要使用硅材料， 它可以制作電路， 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， 利用微機械加工技術在單晶硅 上加工出各種彈性元件。 當今，發(fā)達國家正在把傳感器與電路集成在一起進行研 究。智能化傳感器是 20世紀80年代末出現的另外一種涉及多種學科的新型傳感 器系統(tǒng)。此類傳感器系統(tǒng)一經問世即刻受到科研界

21、的普遍重視， 尤其在探測器應 用領域，如分布式實時探測、 網絡探測和多信號探測方面一直頗受歡迎， 產生的 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，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷的傳感器系統(tǒng)。 這一類傳感器就相 當于是微型機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 器及微型機的硬件設備。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點：1) 智能化傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調節(jié)，能夠對所測的數值 及其誤差進行補償， 而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷， 能夠借助于一覽表對 非線性信號進行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數字信

22、號。2) 智能化傳感器具有自診斷和自校準功能，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混合測量，從而進一步拓寬了其探 測與應用領域，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 進行實時處理。4) 智能化傳感器既能夠很方便地實時處理所探測到的大量數據，也可以根據 需要將它們存儲起來。5) 智能化傳感器備有一個數字式通信接口，通過此接口可以直接與其所屬計 算機進行通信聯絡和交換信息。智能化傳感器無疑將會進一步擴展到化學、 電磁、光學和核物理等研究領域。 可以預見，新興的智能化傳感器將會在關系到全人類國民生的各個領域發(fā)揮越來 越大作用。4.3 傳感器微小型化為了能

23、夠與信息時代信息量激增、 要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技 術發(fā)展趨勢保持一致， 對于傳感器性能指標的要求越來越嚴格； 與此同時， 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準的輸 出模式；而傳統(tǒng)的大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成， 具有體積 小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點。就當前技術發(fā)展現狀來看，微型傳感器已經對大量不同應用領域，如航空、 遠距離探測、 醫(yī)療及工業(yè)自動化等領域的信號探測系統(tǒng)產生了深遠影響； 目前開 發(fā)并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量， 如位移、速度、加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。4.4 傳感器的無線網絡化無線網絡對我們來說并不陌生，比如手機，無線上網，電視機。傳感器對我 們來說也不陌生，比如溫度傳感器。但是，