傳感器及其發(fā)展趨勢(shì)

傳感器及其發(fā)展趨勢(shì)0概述

人體為從外界獲取信息，必須借助于感覺器官，但是單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。

當(dāng)今世界已進(jìn)入信息時(shí)代，在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。

在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到cm的粒子世界，縱向上要觀察長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬年的天體演化，短到s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對(duì)深化物質(zhì)認(rèn)識(shí)、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。

傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。

由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。1傳感器的定義與組成

我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665－87）中說，傳感器（Transducer/Sensor）的定義是："能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置"。我們的定義是：傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。

這一定義包含了以下幾方面的意思：①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②它的輸出量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。

關(guān)于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器、傳送器、變送器等，它們的內(nèi)涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都使用傳感器這一名稱了。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。關(guān)于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器、傳送器、變送器等，它們的內(nèi)涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都使用傳感器這一名稱了。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖見圖1。

圖1傳感器組成

敏感元件：它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。圖2是一種氣體壓力傳感器的示意圖。膜盒2的下半部與殼體1固接，上半部通過連桿與磁芯4相連，磁芯4置于兩個(gè)電感線圈3中，后者接入轉(zhuǎn)換電路5。這里的膜盒就是敏感元件，其外部與大氣壓力相通，內(nèi)部感受被測(cè)壓力當(dāng)變化時(shí)，引起膜盒上半部移動(dòng)，即輸出相應(yīng)的位移量。

圖2是一種氣體壓力傳感器的示意圖

轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入摶換成電路參量。

在圖2中，轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。

基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器只完成被測(cè)參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測(cè)控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測(cè)值或進(jìn)行過程控制。

實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的傳感器由一個(gè)敏感元件（兼轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電量，如熱電偶就是這樣。如圖3所示，

圖3熱電偶

兩種不同的金屬材料,一端聯(lián)接在一起，放在被測(cè)溫度中，另一端為參考，溫度為,則在回路中將產(chǎn)生一個(gè)與溫度、有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)，從而進(jìn)行溫度測(cè)量。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成度，如圖4所示的壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。因轉(zhuǎn)換元件的輸出已是電量，無需轉(zhuǎn)換電路。

圖4壓電式加速度傳感器

有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。

敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而轉(zhuǎn)換電路為了減小外界的影響也希望和它們裝有一起，不過由于空間的限制或者其它原因，轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。盡管如此，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電量信號(hào)，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

2傳感器的分類

傳感器是知識(shí)密集、技術(shù)密集的行業(yè)，它與許多學(xué)科有關(guān)，它的種類十分繁多。為了很好地掌握它、應(yīng)用它，需要有一個(gè)科學(xué)的分類方法。

下面將目前廣泛采用的分類方法作一簡(jiǎn)單介紹。

首先，按傳感器的工作機(jī)理，可分為物理型、化學(xué)型、生物型等。

其次，按構(gòu)成原理，可分為結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類。

在物理型傳感器中，作為傳感器工作物理基礎(chǔ)的基本定律有場(chǎng)的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計(jì)定律等。

結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對(duì)于傳感器來說，這些方程式也就是許多傳感器在工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。

物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。例如，光電管就是物性型傳感器，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關(guān)系。又如，所有半導(dǎo)體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。

此外，也有基于守恒定律和統(tǒng)計(jì)定律的傳感器，但為數(shù)較少。

第三，根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器。能量控制型傳感器，在信息變化過程中，其能量需要外電源供給。如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于一類傳感器。基于應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器，主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。

第四，按照物理原理分類，可分為

1.電參量式傳感器。包括電阻式、電感式、電容式等三個(gè)基本型式。

2.磁電式傳感器。包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等。

3.壓電式傳感器。

4.光電式傳感器。包括一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝象式等。

5.氣電式傳感器。

6.熱電式傳感器。

7.波式傳感器。包括超聲波式、微波式等。

8.射線式傳感器。

9.半導(dǎo)體式傳感器。

10.其它原理的傳感器等。

有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式，如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。

第五，可以按照傳感器的用途來分類，例如位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等等。

另外，根據(jù)傳感器輸出是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器；根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等。

各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同。但是有些一般要求，卻基本上是共同的，這就是：①可靠性；②靜態(tài)精度；③動(dòng)態(tài)性能；④量程；⑤抗干擾能力；⑥通用性；⑦輪廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響等。

可靠性、靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)性能、量程的要求是不言而喻的。傳感器是通過檢測(cè)功能來達(dá)到各種技術(shù)目的的，很多傳感器要在動(dòng)態(tài)條件下工作，精度不夠、動(dòng)態(tài)性能不好或出現(xiàn)故障，整個(gè)工作就無法進(jìn)行。在某些系統(tǒng)中或設(shè)備上往往裝上許多傳感器，若有一個(gè)傳感器失靈，會(huì)影響全局。所以傳感器的工作可靠性、靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能是最基本的要求。

抗干擾能力也是十分重要的，因?yàn)槭褂矛F(xiàn)場(chǎng)總會(huì)存在這樣那樣的干擾，總會(huì)出現(xiàn)各種意想不到的情況，因此要求傳感器應(yīng)有這方面的適應(yīng)能力，同時(shí)還應(yīng)包括在惡劣環(huán)境下使用的安全性，通用性主要是指?jìng)鞲衅鲬?yīng)可用于各種不同的場(chǎng)合，以免一種應(yīng)用要搞一種設(shè)計(jì)，達(dá)到事半功倍的目的。其它幾項(xiàng)要求不言自明，不再贅述。3傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會(huì)對(duì)傳感器提出的越來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。

3.1傳感器改善性能的途徑

縱觀幾十年來的傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，不外乎分為兩個(gè)方面：一是提高與改善傳感器的技術(shù)性能，二是尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。為傳感器的性能，可采用下列技術(shù)途徑：

1、差動(dòng)技術(shù)

差動(dòng)技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動(dòng)技術(shù)，還可使靈敏度增大。

2、平均技術(shù)

在傳感器中普遍采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)，其原理是利用若干個(gè)傳感單元同時(shí)感受被測(cè)量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個(gè)單元可能帶來的誤差均可看作隨機(jī)誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為式中——傳感單元數(shù)。

可見，在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號(hào)量，即增大傳感器靈敏度。

光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等傳感器，由于其本身的工作原理決定有多個(gè)傳感單元參與工作，可取得明顯的誤差平均效應(yīng)的效果。這也是這一類傳感器固有的優(yōu)點(diǎn)。另外，誤差平均效應(yīng)對(duì)某些工藝性缺陷造成的誤差同樣起到彌補(bǔ)作用。在懂得這種道理之后，設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)允許情況下，適當(dāng)增多傳感單元數(shù)，可收到很好的效果。例如圓光柵傳感器，若讓全部柵線都同時(shí)參與工作，設(shè)計(jì)成“全接收”形式，誤差平均效應(yīng)就可較充分地發(fā)揮出來。

3、補(bǔ)償與修正技術(shù)

補(bǔ)償與修正技術(shù)在傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)的運(yùn)用大致是針對(duì)下列兩種情況。一種是針對(duì)傳感器本身特性的，另一種是針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境的。

對(duì)于傳感器特性，可以找出誤差的變化規(guī)律，或者測(cè)出其大小和方向，采用適當(dāng)?shù)姆椒右匝a(bǔ)償或修正。

針對(duì)傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。不少傳感器對(duì)溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個(gè)問題，必要時(shí)可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費(fèi)用太高，或使用現(xiàn)場(chǎng)不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補(bǔ)償又常常是可行的。這時(shí)應(yīng)找出溫度對(duì)測(cè)量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補(bǔ)償措施。

在激光式傳感器中，常常把激光波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)尺度，而波長(zhǎng)受溫度、氣壓、溫度的影響，在精度要求較高的情況下，就需要根據(jù)這些外界環(huán)境情況進(jìn)行誤差修正才能滿足要求。補(bǔ)償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計(jì)算機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。

4.屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都要在現(xiàn)場(chǎng)工作的，現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關(guān)性能的。為了減小測(cè)量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對(duì)傳感器的影響。其方法歸納起來有二：一是減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏度；二是降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的烈度。

對(duì)于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對(duì)于如溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分離或抑制，減小其影響。

5、穩(wěn)定性處理

傳感器作為長(zhǎng)期測(cè)量或反復(fù)使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標(biāo)，尤其是對(duì)那些很難或無法定期鑒定的場(chǎng)合。

造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。

為了提高傳感器性能的穩(wěn)定性，應(yīng)該對(duì)材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。如結(jié)構(gòu)材料的時(shí)效處理、冰冷處理、永磁材料的時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理，電氣元件的老化篩選等。

在使用傳感器時(shí)，若測(cè)量要求較高，必要時(shí)也應(yīng)對(duì)附加的調(diào)整元件，后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行老化處理。

3.2傳感器的發(fā)展動(dòng)向

3.2.1開發(fā)新型傳感器

新型傳感器，大致應(yīng)包括：①采用新原理；②填補(bǔ)傳感器空白；③仿生傳感器等諸方面。它們之間是互相聯(lián)系的。傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn)，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國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。其中利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的低靈敏閾傳感器，用來檢測(cè)微弱的信號(hào)，是發(fā)展新動(dòng)向之一。例如：利用核磁共振吸收效應(yīng)的磁敏傳感器，可將靈敏閾提高到地磁強(qiáng)度的；利用約瑟夫遜效應(yīng)的熱噪聲溫度傳感器，可測(cè)的超低溫；利用光子滯后效應(yīng)，做出了響應(yīng)速度極快的紅外傳感器等。此外，利用化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)開發(fā)的、可供實(shí)用化學(xué)傳感器和生物傳感器，更是有待開拓的新領(lǐng)域。

大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師和工藝師。它通過漫長(zhǎng)的歲月，不僅造就了集多種感官于一身的人類，而且還構(gòu)造了許多功能奇特、性能高超的生物感官。例如狗的嗅覺（靈敏閾為人的）、鳥的視覺（視力為人的倍），蝙蝠飛蛾海豚的聽覺（主動(dòng)型生物雷達(dá)—超聲波傳感器）等等。這些動(dòng)物的感官功能，超過了當(dāng)今傳感器技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的范圍。研究它們的機(jī)理，開發(fā)仿生傳感器，也是引人注目的方向。

3.2.2開發(fā)新材料

近年來對(duì)傳感器材料的開發(fā)研究有較大進(jìn)展，其主要發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：①從單晶體到多晶體、非晶體；②從單一型材料到復(fù)合材料；③原子（分子）型材料的人工合成。有復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。

①半導(dǎo)體敏感材料

半導(dǎo)體敏感材料在傳感器技術(shù)中具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍占主導(dǎo)地位。半導(dǎo)體硅在力敏、熱敏、光敏、磁敏、氣敏、離子敏及其它敏感元件，具有廣泛用途。

硅材料可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅最簡(jiǎn)單，非晶硅最復(fù)雜。單晶硅內(nèi)的原子處處規(guī)則排列，整個(gè)晶體內(nèi)有1個(gè)固定晶向；多晶硅是由許多單晶顆粒構(gòu)成，每一單晶顆粒內(nèi)的原子處處規(guī)則排列，單晶顆粒之間以界面相分離，且各單晶顆粒晶向不同，故整個(gè)多晶硅并無固定的晶向。非晶硅又叫，即無序型硅或無定型硅。從宏觀看，原子排列無序的，即遠(yuǎn)程無序。但從微觀看，原子排列也絕非完全無序，即近程有序，特別是能夠用來制造傳感器的非晶硅中都含有微晶，微晶尺寸一般為左右，這種非晶硅又叫微晶硅。非晶硅中微晶粒子的大小及其分布對(duì)其性能有重要影響。用這3種材料都可制成壓力傳感器，這些壓力傳感器大致可分為4種形式，即壓阻式、電容式、式和薄膜式。目前壓力傳感器仍以單晶硅為主，但有向多晶和非晶硅的薄膜方向發(fā)展的趨勢(shì)。

蘭寶石上外延生長(zhǎng)單晶硅膜是單晶硅用于敏感元件的典型應(yīng)用。由于絕緣襯底蘭寶石是良好的彈性材料，而在其上異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)的單晶硅是制作敏感元件的半導(dǎo)體材料，故用這種材料研制的傳感器具有無需結(jié)隔離、耐高溫、高頻響、壽命長(zhǎng)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，可以制作磁敏、熱敏、離子敏、力敏等敏感元件。多晶硅壓力傳感器的發(fā)展十分引人注目。這是由于這種傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如溫度特性好、制造容易、易小型化、成本低等。非晶硅應(yīng)用于傳感器，主要有應(yīng)變傳感器、壓力傳感器、熱電傳感器、光傳感器（如攝像傳感器和顏色傳感器）等。非晶硅由于具有光吸收系數(shù)大，可用作薄膜光電器件，對(duì)整個(gè)可風(fēng)光區(qū)域都敏感，薄膜形成溫度低等極為誘人的特性而獲得迅速發(fā)展。

用金屬材料和非金屬材料結(jié)合成化合物半導(dǎo)體是另一個(gè)思路。目前不僅用金屬和合成了，而且制成了許多化合物半導(dǎo)體，形成了一個(gè)龐大的家族。發(fā)光效率高、耐高溫、抗輻射、電子遷移率比大倍，故可制成高頻率器件。預(yù)計(jì)在光敏、磁敏中會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。例如采用爐內(nèi)合成生長(zhǎng)單晶，重復(fù)性均勻性有較大提高，再采用離子注入技術(shù)，可制性能優(yōu)良的霍爾器件，線性誤差為，霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)為。

在半導(dǎo)體傳感器中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用令人矚目。是一種電壓控制器件。若在柵極上加一反向偏壓，偏壓的大小可控制漏極電流的大小。若用某種敏感材料將所要測(cè)量的參量以偏壓的方式加到柵極上，就可以從漏極電流或電壓的數(shù)值來確定該參量的大小。很容易系列化、集成化?？勺龀筛鞣N敏感場(chǎng)效應(yīng)管，如離子敏場(chǎng)效應(yīng)管、PH-、溫度-、濕度-、氣敏-等。

②陶瓷材料

陶瓷敏感材料在敏感技術(shù)中具有較大的技術(shù)潛力。陶瓷材料可分為很多種。具有電功能的陶瓷又叫電子陶瓷。電子陶瓷可分為絕緣陶瓷、壓電陶瓷、介電陶瓷、熱電陶瓷、光電陶瓷和半導(dǎo)體陶瓷。這些陶瓷在工業(yè)測(cè)量方面都有廣泛的應(yīng)用。其中以壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷應(yīng)用最為廣泛。陶瓷敏感材料的發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)探索新材料，發(fā)展新品種，向高穩(wěn)定性、高精度、長(zhǎng)壽命和小型化、薄膜化、集成化和多功能化方向發(fā)展。

半導(dǎo)體陶瓷是傳感器應(yīng)用常要材料，其尤以熱敏、濕敏、氣敏、電壓敏最為突出。熱敏陶瓷的主要發(fā)展方向是高溫陶瓷，如填加不同成分的、、和－－等，濕敏材料的主要發(fā)展方向是不需要加熱清洗的材料，如-、-等。氣敏陶瓷的主要發(fā)展方向是不使用催化劑的低溫材料和高溫材料，如r-可不用觸媒，而特別是在高溫下檢測(cè)氧氣更有獨(dú)到之處。電壓敏陶瓷材料的發(fā)展方向是低壓用材料和高壓用材料，如-為低壓用材料，而-為高壓用材料。陶瓷敏感材料在使用時(shí)的結(jié)構(gòu)形式也是各種各樣的。以陶瓷濕敏傳感器為例，可以是體型結(jié)構(gòu)、厚膜型結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)或涂覆型結(jié)構(gòu)等。

③磁性材料

不少傳感器采用磁性材料。目前磁性材料正向非晶化、薄膜化方向發(fā)展。非晶磁性材料具有導(dǎo)磁率高、矯頑力小、電阻率高、耐腐蝕、硬度大等特點(diǎn)，因而將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

由于非晶體不具有磁的各向同性，因而是一種高導(dǎo)磁率和低損耗的材料，很容易獲得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而且在各個(gè)方向都可得到高靈敏度的磁場(chǎng)，故可用來制作磁力計(jì)或磁通敏感元件，也可利用應(yīng)力一磁效應(yīng)制得高靈敏度的應(yīng)力傳感器，基于磁致伸縮效應(yīng)的力敏元件也得到發(fā)展。

由于這類材料靈敏度比坡莫合金高幾倍，這就可大大降低渦流損耗，從而獲得優(yōu)良的磁特性，這對(duì)高頻更為可貴。利用這一特點(diǎn)，可以制造出用磁性晶體很難獲得的快速響應(yīng)型傳感器。合成物可以在任意高于居里溫度（約）下產(chǎn)生，這就使得發(fā)展快速響應(yīng)的溫度傳感器成為可能。

3.2.3.智能材料

智能材料是指設(shè)計(jì)和控制材料的物理、化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等參數(shù)，研制出生物體材料所具有的特性或者優(yōu)于生物體材料性能的人造材料。有人認(rèn)為，具有下述功能的材料可稱之為智能材料：具備對(duì)環(huán)境的判斷可自適應(yīng)功能；具備自診斷功能；具備自修復(fù)功能；具備自增強(qiáng)功能（或稱時(shí)基功能）。

生物體材料的最突出特點(diǎn)是具有時(shí)基功能，因此這種傳感器特性是微分型的，它對(duì)變分部分比較敏感。反之，長(zhǎng)期處于某一環(huán)境并習(xí)慣了此環(huán)境，則靈敏度下降。一般說來，它能適應(yīng)環(huán)境調(diào)節(jié)其靈敏度。除了生物體材料外，最引人注目的智能材料是形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物。

智能材料的探索工作剛剛開始，相信不久的將來會(huì)有很大的發(fā)展。

3.2.4新工藝的采用

在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新興傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱微機(jī)械加工技術(shù)，是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來越多地用于傳感器領(lǐng)域，例如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化學(xué)氣體淀積（CVD）、外延、擴(kuò)散、腐蝕、光刻等，迄今已有大量采用上述工藝制成的傳感器的國內(nèi)外報(bào)道。

以應(yīng)變式傳感器為例。應(yīng)變片可分為體型應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片、擴(kuò)散型應(yīng)變片和薄膜應(yīng)變片，而薄膜應(yīng)變片則是今后的發(fā)展趨勢(shì)，這主要是由于近年來薄膜工藝發(fā)展迅速，除采用真空淀積、高頻濺射外，還發(fā)展了磁控濺射、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積、金屬有機(jī)化合物化學(xué)汽相淀積、分子束外延、光CVD技術(shù)，這些對(duì)傳感器的發(fā)展起了很大推動(dòng)作用。如目前常見的濺射型應(yīng)變計(jì)，是采用濺射技術(shù)直接在應(yīng)變體即產(chǎn)生應(yīng)變的柱梁、振動(dòng)片等彈性體上形成的。這種應(yīng)變計(jì)厚度很薄，大約為傳統(tǒng)的箔式應(yīng)變計(jì)的十分之一以下，故又稱薄膜應(yīng)變計(jì)。濺射型應(yīng)變計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型應(yīng)變計(jì)，無遲滯和蠕變現(xiàn)象，具有良好的耐熱性和沖擊性能等。用化學(xué)氣相淀積法制備薄膜，以其成膜溫度低、可靠性好、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展很快，在制備多晶硅微晶硅傳感器方面有許多報(bào)道。硅杯是力敏元件中非常重要的結(jié)構(gòu)。目前已極少采用機(jī)械方法加工硅杯，而改為可控的化學(xué)腐蝕方法，如各向異性腐蝕、凸角補(bǔ)償和etch-step法等，化學(xué)腐蝕方法，可做到工藝穩(wěn)定，硅杯尺寸很小，膜片均勻度很高，結(jié)構(gòu)從C形、E形、雙島發(fā)展到梁膜式，性能和生產(chǎn)率都有很大提高。

3.2.5集成化、多功能化與智能化

傳感器集成化包括兩種定義，一是同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，排成1維的為線性傳感器，CCD圖象傳感器就屬于這種情況。集成化的另一個(gè)定義是多功能一體化，即將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件。

目前，各類集成化傳感器已有許多系列產(chǎn)品，有些已得到廣泛應(yīng)用。集成化已經(jīng)成為傳感器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

隨著集成化技術(shù)的發(fā)展，各類混合集成和單片集成式壓力傳感器相繼出現(xiàn)，有的已經(jīng)成為商品。集成化壓力傳感器有壓阻式、電容式、等類型，其中壓阻式集成化傳感器發(fā)展快、應(yīng)用廣。自從壓阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，有人把4個(gè)力敏電阻構(gòu)成的全橋做在硅膜上，就成為一個(gè)集成化壓力傳感器。國內(nèi)在80年代就研制出了把壓敏電阻、電橋、電壓放大器和溫度補(bǔ)償電路集成在一起的單塊壓力傳感器，其性能與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。由于采用了集成工藝，將壓敏部分和集成電路分為幾個(gè)芯片，然后混合集成為一體。提高了輸出性能及可靠性，有較強(qiáng)的抗干擾能力，完全消除了二次儀表帶來的誤差。

70年代國外就出現(xiàn)了集成溫度傳感器，它基本上是利用晶體管作為溫度敏感元件