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傳感器應(yīng)用領(lǐng)域拓寬 未來(lái)技術(shù)發(fā)展呈五大趨勢(shì)
作者:RFID世界網(wǎng)收錄
來(lái)源:國(guó)脈物聯(lián)網(wǎng)
日期:2011-08-16 09:35:57
摘要: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(lái)越重要的作用。人類社會(huì)對(duì)傳感器提出的越來(lái)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。
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(lái)越重要的作用。人類社會(huì)對(duì)傳感器提出的越來(lái)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。
隨著科技的發(fā)展,傳感器也在不斷的更新發(fā)展。
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(shuō)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(guò)去發(fā)展也不夠。世界各國(guó)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(lái)檢測(cè)微弱的信號(hào),是發(fā)展新動(dòng)向之一。
2、集成化、多功能化、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(lái),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。
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。
傳感器的多功能化也是其發(fā)展方向之一。所謂多功能化的典型實(shí)例,美國(guó)某大學(xué)傳感器研究發(fā)展中心研制的單片硅多維力傳感器可以同時(shí)測(cè)量3個(gè)線速度、3個(gè)離心加速度(角速度)和3個(gè)角加速度。主要元件是由4個(gè)正確設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)基板上的懸臂梁組成的單片硅結(jié)構(gòu),9個(gè)正確布置在各個(gè)懸臂梁上的壓阻敏感元件。多功能化不僅可以降低生產(chǎn)成本,減小體積,而且可以有效的提高傳感器的穩(wěn)定性、可靠性等性能指標(biāo)。
把多個(gè)功能不同的傳感元件集成在一起,除可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)量外,還可對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評(píng)價(jià),可反映出被測(cè)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。由上還可以看出,集成化對(duì)固態(tài)傳感器帶來(lái)了許多新的機(jī)會(huì),同時(shí)它也是多功能化的基礎(chǔ)。
傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合,使之不僅具有檢測(cè)功能,還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能,就稱之為傳感器的智能化。借助于半導(dǎo)體集成化技術(shù)把傳感器部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上,即成為大規(guī)模集成智能傳感器。可以說(shuō)智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它的實(shí)現(xiàn)將取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn),可以肯定地說(shuō),是傳感器重要的方向之一。
3、新材料開發(fā)
傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ), 是傳感器技術(shù)升級(jí)的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步,傳感器技術(shù)日臻成熟,其種類越來(lái)越多,除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外,光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開發(fā),為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如,根據(jù)以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半導(dǎo)體光熱探測(cè)器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點(diǎn),發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有機(jī)材料發(fā)展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調(diào)配化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)高精度成型燒結(jié),得到對(duì)某一種或某幾種氣體具有識(shí)別功能的敏感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分子有機(jī)敏感材料,是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,也促進(jìn)了更新型材料的開發(fā),如納米材料等。美國(guó)NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2 氣體傳感器,控制機(jī)動(dòng)車輛尾氣的排放,對(duì)凈化環(huán)境效果很好,應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器,具有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導(dǎo)通電阻很小,有利于傳感器向微型化發(fā)展,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步將有更多的新型材料誕生。
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(lái)隨著集成電路工藝發(fā)展起來(lái)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(lái)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(guó)內(nèi)外報(bào)道。
5、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(shuō)來(lái),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(lái)會(huì)有很大的發(fā)展。
隨著科技的發(fā)展,傳感器也在不斷的更新發(fā)展。
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(shuō)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(guò)去發(fā)展也不夠。世界各國(guó)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(lái)檢測(cè)微弱的信號(hào),是發(fā)展新動(dòng)向之一。
2、集成化、多功能化、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(lái),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。
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。
傳感器的多功能化也是其發(fā)展方向之一。所謂多功能化的典型實(shí)例,美國(guó)某大學(xué)傳感器研究發(fā)展中心研制的單片硅多維力傳感器可以同時(shí)測(cè)量3個(gè)線速度、3個(gè)離心加速度(角速度)和3個(gè)角加速度。主要元件是由4個(gè)正確設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)基板上的懸臂梁組成的單片硅結(jié)構(gòu),9個(gè)正確布置在各個(gè)懸臂梁上的壓阻敏感元件。多功能化不僅可以降低生產(chǎn)成本,減小體積,而且可以有效的提高傳感器的穩(wěn)定性、可靠性等性能指標(biāo)。
把多個(gè)功能不同的傳感元件集成在一起,除可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)量外,還可對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評(píng)價(jià),可反映出被測(cè)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。由上還可以看出,集成化對(duì)固態(tài)傳感器帶來(lái)了許多新的機(jī)會(huì),同時(shí)它也是多功能化的基礎(chǔ)。
傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合,使之不僅具有檢測(cè)功能,還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能,就稱之為傳感器的智能化。借助于半導(dǎo)體集成化技術(shù)把傳感器部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上,即成為大規(guī)模集成智能傳感器。可以說(shuō)智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它的實(shí)現(xiàn)將取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn),可以肯定地說(shuō),是傳感器重要的方向之一。
3、新材料開發(fā)
傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ), 是傳感器技術(shù)升級(jí)的重要支撐。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步,傳感器技術(shù)日臻成熟,其種類越來(lái)越多,除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外,光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的開發(fā),為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如,根據(jù)以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半導(dǎo)體光熱探測(cè)器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點(diǎn),發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有機(jī)材料發(fā)展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調(diào)配化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)高精度成型燒結(jié),得到對(duì)某一種或某幾種氣體具有識(shí)別功能的敏感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分子有機(jī)敏感材料,是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,也促進(jìn)了更新型材料的開發(fā),如納米材料等。美國(guó)NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2 氣體傳感器,控制機(jī)動(dòng)車輛尾氣的排放,對(duì)凈化環(huán)境效果很好,應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器,具有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導(dǎo)通電阻很小,有利于傳感器向微型化發(fā)展,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步將有更多的新型材料誕生。
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(lái)隨著集成電路工藝發(fā)展起來(lái)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(lái)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(guó)內(nèi)外報(bào)道。
5、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(shuō)來(lái),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(lái)會(huì)有很大的發(fā)展。