11項新型傳感器技術(shù)引領(lǐng)未來方向！

當前，機器人、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。

隨著微納技術(shù)、數(shù)字補償技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、多功能復(fù)合技術(shù)的進一步發(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)的推動下，傳感器行業(yè)的年增長率更是遠高于國內(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、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)學領(lǐng)域，利用酶電極選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)快的特點研發(fā)生物傳感器，能及時快速檢測細菌、病毒及其毒素等，實現(xiàn)生物武 器的有效防菌。

還有利用量子力學中的有關(guān)效應(yīng)，可設(shè)計、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)濟可靠等優(yōu)點。

而納米電子學的發(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)

微機電系統(tǒng)（MEMS）是集微機構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、控制電路、信號處理、通信、接口、電源等于一體的微型系統(tǒng)或器件，是對微/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。

MEMS技術(shù)包括：硅微機械加工技術(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，航空航天用動態(tài)傳感器、微傳感器，汽車專用壓力、加速度傳感器，環(huán)保用微化學傳感器等。

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，為了適應(yīng)MEMS技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已開發(fā)了許多新的MEMS封裝技術(shù)和工藝，如陽極鍵合、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)級封裝。MCM把兩個及以上的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，為組件中的各個芯片（構(gòu)件）提供信號互連、I/O管理、熱控制、機械支撐和環(huán)境保護等。

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、雙向通信等的集成。如壓力、靜壓、溫度三變量傳感器；氣壓、風力、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)。

日本豐田研究所開發(fā)出同時檢測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快速檢測出其中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：一種是通過微加工技術(shù)在一個芯片上構(gòu)建多個傳感模塊，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，容易實現(xiàn)補償和校正。

微加工技術(shù)和精密封裝技術(shù)對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)和處理信號的電路及一個網(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)字信號處理器）、DSC（數(shù)字信號控制器）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)動數(shù)字輸出的電子元件通常有三種：機械繼電器、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、判斷和信息處理功能。其典型產(chǎn) 品如美國霍尼爾公司的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，采用單片微機進行信息處理，諸如補償、頻倍（細分）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)被測參數(shù)的變化來自動補償、自動校正、自選量程、自尋故障，配有數(shù)字輸出，實現(xiàn)雙向通信，且具有較強的環(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、傳感器的強環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

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

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

金屬基復(fù)合材料封裝（AI/Si Cp），通過改變增強體的種類、排列方式或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等，來實現(xiàn)材料的物理性能設(shè)計；或者通過改變熱處理工藝，來改變基體與增強體的界面結(jié)合狀況，進而影響材料的熱性能。該類材料熱膨脹系數(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)氧樹脂，具有大規(guī)模生產(chǎn)、可靠性與金屬或陶瓷材料相當?shù)膬?yōu)點。經(jīng)過硫化處理的環(huán)氧樹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。

陶瓷封裝是用粘接劑或焊料將一個或多個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行鍵合，再對封裝體進行封蓋密封，同時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、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），是由大量靜止或移動的具有感知、無線通信與計算能力的傳感器構(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)作地對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的事件、現(xiàn)象和環(huán)境實時進行監(jiān)測、感知、采集、分析，獲得豐富的、高分辨率的信息，并對這些信息進行處理和傳輸，發(fā)送給觀察者。

傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。WSN包含傳感器單元、控制器和無線通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、近距離通信、數(shù)據(jù)計算和遠距離無線通信等功能。

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)點資源限制（能源供應(yīng)、計算及通信能力、存儲空間等），并滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)擴展性、容錯性等要求。

7、傳感器數(shù)字通信總線技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)是一種集計算機技術(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)。

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

基于現(xiàn)場總線的智能傳感技術(shù)簡圖

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

現(xiàn)場總線智能傳感器需有以下功能：共用一條總線傳遞信息，具有多種計算、數(shù)據(jù)處理及控制功能，從而減少主機的負擔；取代4-20mA模擬信號傳輸，實現(xiàn)傳輸信號的數(shù)字化，增強信號的抗干擾能力；采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)議，成為FCS的節(jié)點，實現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間信息交換；系統(tǒng)可對之進行校驗、組態(tài)、測試，從而改善系統(tǒng)的可靠性；接口標準化，具有即插即用特性。

現(xiàn)場總線智能傳感器是未來工業(yè)過程控制系統(tǒng)的主流儀表。

8、開發(fā)新材料

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學的進步，人們在制造時，可任意控制 它們的成分，從而設(shè)計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。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國 內(nèi)外學者的極大興趣。

9、 采用微細加工技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)中的加工方法，如氧化、光刻、擴散、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 河公司利用各項異性腐蝕技術(shù)進行高精度三維加工，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

值得注意的一個發(fā)展動向是仿生傳感器的研究，特別是在機器人技術(shù)向智能化高級機器人 發(fā)展的今天。仿生傳感器就是模擬人的感覺器官的傳感器，即視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺 傳感器、味覺傳感器、觸覺傳感器等。

目前只有視覺與觸覺傳感器解決的比較好，其他幾種遠 不能滿足機器人發(fā)展的需要。也可以說，至今真正能代替人的感覺器官功能的傳感器極少，需 要加速研究，否則將會影響機器人技術(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、加速度等機械量的檢測技術(shù)；溫度、壓力、流量、物位等過程量的檢測技術(shù)；智能化與自動測試技術(shù)；紅外、超聲波、微波探測防盜報警器的安裝技術(shù)等等。

對于消費類應(yīng)用來說，傳感器融合的主要技術(shù)難度是如何控制產(chǎn)品的尺寸，合理測試每個傳感器的性能，控制整個芯片的良品率并降低成本。

對于工業(yè)、軍工、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的傳感器融合來說，還要考慮如何保證在各種工作情況下的精度、可靠性，利用融合的特性來實現(xiàn)傳感器之間的補償校正等。目前已有不少廠商正嘗試研發(fā)與薄膜電池、微處理器（MCU）、ASIC、無線通訊功能整合的多重傳感設(shè)備，而低功率無線電、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、長線信號傳輸、空間電磁波等。因此，在電路設(shè)計中需要根據(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?shù)姆糯箅娐贰?

結(jié)語：

傳感器是當前中國亟需突破的重點產(chǎn)業(yè)之一，傳感器應(yīng)用無處不在，直接關(guān)系到我國國防、經(jīng)濟和社會安全。相信通過對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)，能加速縮小我國與國外傳感器技術(shù)的差距。

文章來源： 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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