11項(xiàng)新型傳感器技術(shù)引領(lǐng)未來(lái)方向！

當(dāng)前，機(jī)器人、智能制造、智能交通、智慧城市以及可穿戴技術(shù)正在迅速發(fā)展，其對(duì)傳感器需求廣泛，要求傳感器具備微型化、集成化、智能化、低功耗等特點(diǎn)。

隨著微納技術(shù)、數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、多功能復(fù)合技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新原理、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)、新功能層出不窮。

在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的推動(dòng)下，傳感器行業(yè)的年增長(zhǎng)率更是遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)其他行業(yè)的平均水平。

1、采用新原理、新效應(yīng)的傳感技術(shù)

基于各種物理、化學(xué)、生物的效應(yīng)和定律，繼力敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等敏感元件后，開(kāi)發(fā)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件，并以此研制新型傳感器，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。

例如在軍事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用酶電極選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)研發(fā)生物傳感器，能及時(shí)快速檢測(cè)細(xì)菌、病毒及其毒素等，實(shí)現(xiàn)生物武 器的有效防菌。

還有利用量子力學(xué)中的有關(guān)效應(yīng)，可設(shè)計(jì)、研制量子敏感器件，像共振隧道二極管、量子阱激光器和量子干涉部件等。這些元器件具有高速（比電子敏感器件速度提高1000倍〕、低耗（比電子敏感器件能耗降低1000倍）、高效、高集成度、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

而納米電子學(xué)的發(fā)展，也正在傳感技術(shù)領(lǐng)域中引起新的技術(shù)革命。利用納米技術(shù)制作的傳感器，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，納米傳感器是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動(dòng)了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

2、傳感器微型化和芯片化技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是集微機(jī)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、控制電路、信號(hào)處理、通信、接口、電源等于一體的微型系統(tǒng)或器件，是對(duì)微/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。

MEMS技術(shù)包括：硅微機(jī)械加工技術(shù)、深反應(yīng)離子刻蝕、LIGA技術(shù)、分子裝配技術(shù)、體微加工、表面微加工、激光微加工和微型封裝技術(shù)等。

硅微機(jī)械加工工藝是MEMS主流技術(shù)，它是一種精密三維加工技術(shù)，是研制傳感器、微執(zhí)行器、微作用器、微機(jī)械系統(tǒng)的核心技術(shù)，已成功用于制造各種微傳感器以及多功能的敏感元陣列。如微硅電容傳感器、微硅質(zhì)量流量傳感器，航空航天用動(dòng)態(tài)傳感器、微傳感器，汽車(chē)專(zhuān)用壓力、加速度傳感器，環(huán)保用微化學(xué)傳感器等。

深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）是MEMS結(jié)構(gòu)加工的重要工序之一，主要用于多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜及金屬膜的刻蝕，屬一種微電子干法腐蝕工藝。

LIGA技術(shù)即光刻、電鑄和注塑，是利用深度X射線刻蝕，通過(guò)電鑄成型和塑料鑄模，形成深層三維微結(jié)構(gòu)的方法。

同時(shí)，為了適應(yīng)MEMS技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了許多新的MEMS封裝技術(shù)和工藝，如陽(yáng)極鍵合、硅熔融鍵合、共晶鍵合、倒裝芯片焊接（FCB）技術(shù)、單芯片封裝（SCP）和多芯片組件（MCM）等。

多芯片組件（MCM）是電子封裝技術(shù)的一大突破，屬于系統(tǒng)級(jí)封裝。MCM把兩個(gè)及以上的IC/MEMS芯片或CSP組裝在一塊電路板上，構(gòu)成功能電路板，即多芯片組件，為組件中的各個(gè)芯片（構(gòu)件）提供信號(hào)互連、I/O管理、熱控制、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)等。

3、傳感器陣列和多傳感參數(shù)復(fù)合的集成技術(shù)

集成工藝和多變量復(fù)合傳感器微結(jié)構(gòu)集成制造工藝，如壓力、靜壓、溫度三變量傳感器，氣壓、風(fēng)力、溫度、濕度四變量傳感器，微硅復(fù)合應(yīng)變壓力傳感器，陣列傳感器。

集成化是指多種傳感功能與數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、雙向通信等的集成。如壓力、靜壓、溫度三變量傳感器；氣壓、風(fēng)力、溫度、濕度四變量傳感器；微硅復(fù)合應(yīng)變壓力傳感器和陣列傳感器等，都使用了集成技術(shù)。

日本豐田研究所開(kāi)發(fā)出同時(shí)檢測(cè)Na+. K*和H*等多離子傳感器。這種傳感器的芯片尺寸 為2.5 mm *0. 5 mm,僅用一滴血液即可同時(shí)快速檢測(cè)出其中Na \ K*、的濃度，適用于 醫(yī)院臨床，使用非常方便。

催化金屬柵與MOSFET相結(jié)合的氣體傳感器已廣泛用于檢測(cè)氧、氨、乙醇、乙烯和一氧 化碳等。

傳感器集成化有兩種：一種是通過(guò)微加工技術(shù)在一個(gè)芯片上構(gòu)建多個(gè)傳感模塊，組成線性傳感器（如CCD圖像傳感器）；另一種是將不同功能的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能傳感器，集成度高、體積小，容易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和校正。

微加工技術(shù)和精密封裝技術(shù)對(duì)傳感器的集成化有重大的影響。

4、傳感器數(shù)字化和智能化技術(shù)

數(shù)字傳感器包括調(diào)節(jié)和處理信號(hào)的電路及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊的界面。它們通常以模塊形式制成，包含傳感器、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、DSC（數(shù)字信號(hào)控制器）或ASIC（特定用途集成電路），另外也有以系統(tǒng)封裝或系統(tǒng)芯片的方式制成。用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字輸出的電子元件通常有三種：機(jī)械繼電器、晶體管和雙向FET器件。

智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，它兼有檢測(cè)、判斷和信息處理功能。其典型產(chǎn) 品如美國(guó)霍尼爾公司的ST-3000型智能傳感器，其芯片尺寸為3 mm x4 mm x2 mm,采用半 導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制作CPU - EPROM和靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。

智能傳感器，采用單片微機(jī)進(jìn)行信息處理，諸如補(bǔ)償、頻倍（細(xì)分）和數(shù)字轉(zhuǎn)換等硬件線路均可軟件化。智能傳感器能適應(yīng)被測(cè)參數(shù)的變化來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校正、自選量程、自尋故障，配有數(shù)字輸出，實(shí)現(xiàn)雙向通信，且具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

智能傳感器的典型代表是高性能的智能工業(yè)變送器。如日本橫河電機(jī)的EJA系列智能變送器，ABB公司的MV2000T系列多功能差壓/壓力變送器，Rosemount公司的3095MV多參數(shù)質(zhì)量流量變送器，分別采用硅諧振傳感器、復(fù)合微硅固態(tài)傳感器和高精度電容傳感器作為敏感元件，精度達(dá)到0.1075%，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，十年內(nèi)不用調(diào)零。

5、傳感器的強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

從汽車(chē)到工業(yè)，從醫(yī)療到航空航天，從家電到測(cè)試和測(cè)量，很多行業(yè)應(yīng)用都對(duì)傳感器的環(huán)境適應(yīng)性要求頗高。傳感器產(chǎn)品的強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試包括電氣安全實(shí)驗(yàn)、失效分析實(shí)驗(yàn)、腐蝕性氣體實(shí)驗(yàn)、環(huán)境性能實(shí)驗(yàn)、材料實(shí)驗(yàn)等。

傳感器封裝材料與技術(shù)的進(jìn)步，使得傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力越來(lái)越強(qiáng)。

金屬基復(fù)合材料封裝（AI/Si Cp），通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)體的種類(lèi)、排列方式或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等，來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的物理性能設(shè)計(jì)；或者通過(guò)改變熱處理工藝，來(lái)改變基體與增強(qiáng)體的界面結(jié)合狀況，進(jìn)而影響材料的熱性能。該類(lèi)材料熱膨脹系數(shù)較低，既能做到與電子元器件材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，又具有高導(dǎo)熱性和低密度。

塑料封裝90%以上使用環(huán)氧樹(shù)脂，具有大規(guī)模生產(chǎn)、可靠性與金屬或陶瓷材料相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)硫化處理的環(huán)氧樹(shù)脂還具有較快的固化速度、較低的固化溫度和吸濕性、較高的抗?jié)裥院湍蜔嵝缘忍攸c(diǎn)。

陶瓷封裝是用粘接劑或焊料將一個(gè)或多個(gè)芯片安裝在陶瓷底板或管座上，采用倒裝焊方式與陶瓷金屬圖形層進(jìn)行鍵合，再對(duì)封裝體進(jìn)行封蓋密封，同時(shí)提供合適的電氣連接。陶瓷具有很高的楊氏模量、較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，有良好的可靠性、可塑性且易密封，其線性膨脹系數(shù)與電子元器件的非常相近，化學(xué)性能穩(wěn)定且熱導(dǎo)率高，被用于多芯片組件、焊接陣列等封裝中。

6、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），是由大量靜止或移動(dòng)的具有感知、無(wú)線通信與計(jì)算能力的傳感器構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)。大量傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式、智能化信息處理系統(tǒng)，從多種視角、以多種模式協(xié)作地對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的事件、現(xiàn)象和環(huán)境實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、感知、采集、分析，獲得豐富的、高分辨率的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理和傳輸，發(fā)送給觀察者。

傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。WSN包含傳感器單元、控制器和無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、近距離通信、數(shù)據(jù)計(jì)算和遠(yuǎn)距離無(wú)線通信等功能。

WSN綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、能量收集技術(shù)、低功耗技術(shù)、多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議、定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)管理技術(shù)、信息安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，關(guān)鍵是克服節(jié)點(diǎn)資源限制（能源供應(yīng)、計(jì)算及通信能力、存儲(chǔ)空間等），并滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、容錯(cuò)性等要求。

7、傳感器數(shù)字通信總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、集成電路技術(shù)及智能傳感技術(shù)于一身的新興控制技術(shù)。

安裝在制造和過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，是一種全數(shù)字化、開(kāi)放式、雙向傳輸、多分支、多站的通信系統(tǒng)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能傳感技術(shù)簡(jiǎn)圖

現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵標(biāo)志是支持全數(shù)字通信，在控制現(xiàn)場(chǎng)建立一條高可靠性的數(shù)據(jù)通信線路，實(shí)現(xiàn)各智能傳感器之間及智能傳感器與主控機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，把單個(gè)分散的智能傳感器變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線智能傳感器需有以下功能：共用一條總線傳遞信息，具有多種計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及控制功能，從而減少主機(jī)的負(fù)擔(dān)；取代4-20mA模擬信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的數(shù)字化，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力；采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)議，成為FCS的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間信息交換；系統(tǒng)可對(duì)之進(jìn)行校驗(yàn)、組態(tài)、測(cè)試，從而改善系統(tǒng)的可靠性；接口標(biāo)準(zhǔn)化，具有即插即用特性。

現(xiàn)場(chǎng)總線智能傳感器是未來(lái)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的主流儀表。

8、開(kāi)發(fā)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)的進(jìn)步，人們?cè)谥圃鞎r(shí)，可任意控制 它們的成分，從而設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。

例如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突 破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國(guó) 內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。

9、 采用微細(xì)加工技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)中的加工方法，如氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝、各向異性腐蝕以 及蒸鍍、濺射薄膜工藝都可用于傳感器制造，因而制造出各式各樣的新型傳感器。例如，利用 半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫 河公司利用各項(xiàng)異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等，制作 出全硅諧振式壓力傳感器。

10、仿生傳感器研究

值得注意的一個(gè)發(fā)展動(dòng)向是仿生傳感器的研究，特別是在機(jī)器人技術(shù)向智能化高級(jí)機(jī)器人 發(fā)展的今天。仿生傳感器就是模擬人的感覺(jué)器官的傳感器，即視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、嗅覺(jué) 傳感器、味覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器等。

目前只有視覺(jué)與觸覺(jué)傳感器解決的比較好，其他幾種遠(yuǎn) 不能滿足機(jī)器人發(fā)展的需要。也可以說(shuō)，至今真正能代替人的感覺(jué)器官功能的傳感器極少，需 要加速研究，否則將會(huì)影響機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

11、傳感器的應(yīng)用技術(shù)

傳感器的應(yīng)用技術(shù)包括：信號(hào)處理和接口技術(shù)；降噪與抗干擾技術(shù)；位移、力、扭矩、荷重、速度、加速度等機(jī)械量的檢測(cè)技術(shù)；溫度、壓力、流量、物位等過(guò)程量的檢測(cè)技術(shù)；智能化與自動(dòng)測(cè)試技術(shù)；紅外、超聲波、微波探測(cè)防盜報(bào)警器的安裝技術(shù)等等。

對(duì)于消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，傳感器融合的主要技術(shù)難度是如何控制產(chǎn)品的尺寸，合理測(cè)試每個(gè)傳感器的性能，控制整個(gè)芯片的良品率并降低成本。

對(duì)于工業(yè)、軍工、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域的傳感器融合來(lái)說(shuō)，還要考慮如何保證在各種工作情況下的精度、可靠性，利用融合的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器之間的補(bǔ)償校正等。目前已有不少?gòu)S商正嘗試研發(fā)與薄膜電池、微處理器（MCU）、ASIC、無(wú)線通訊功能整合的多重傳感設(shè)備，而低功率無(wú)線電、能源收集、巨量資料處理以及資料安全都是技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

傳感器電路的內(nèi)部噪聲包括電路板電磁元件干擾、低頻、高頻熱、半導(dǎo)體器件散粒晶體管、電阻器、集成電路噪聲等，外部干擾包括電源、地線、長(zhǎng)線信號(hào)傳輸、空間電磁波等。因此，在電路設(shè)計(jì)中需要根據(jù)不同的工作頻率合理選擇低噪半導(dǎo)體元器件，并根據(jù)不同的工作頻段、參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)姆糯箅娐贰?

結(jié)語(yǔ)：

傳感器是當(dāng)前中國(guó)亟需突破的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一，傳感器應(yīng)用無(wú)處不在，直接關(guān)系到我國(guó)國(guó)防、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全。相信通過(guò)對(duì)生物智能傳感器等前沿關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展主導(dǎo)權(quán)，能加速縮小我國(guó)與國(guó)外傳感器技術(shù)的差距。

文章來(lái)源： 華秋商城，韋克威科技

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_496180.html

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