传感器技术应用及发展趋势展望

摘要：介绍了传感器的定义、分类及作用，阐述了传感器技术在现代生活与科学技术中的一些主要应用．分析了传感器技术的发展趋势以及面临的挑战和机遇。

关键词：传感器技术；应用；发展趋势

传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置．称之为信息技术的三大支柱之一。目前敏感元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。因此．传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科正得到空前迅速的发展。并且在枫当多领域被越来越广泛的利用。

1 传感器技术概述

1．1 传感器定义

　　传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称 传感器一般被认为由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源铩４感器可以直接接触被测对象．也可以不接触。通常对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的．也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作范围等。

1．2 传感器分类 由于传感器的种类繁多．所以分类方法也较多

　1)按传感器的检测信息来分可分为光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。

　2)按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器

　3)按其输出信号可分为模拟传感器、数字传感器和开关转换器

　4)按传感器使用的材料可分为：半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器、金属材料传感器、高分子材料传感器、超导材料传感器、光纤材料传感器、纳米材料传感器等。

　5)按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。

　6)按照其制造工艺，可以将传感器区分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器等。

1.　3 传感器技术的作用和地位

　　当今社会的发展，就是信息社会的发展。早在20世纪80年代．美国就认为世界已进入传感器时代． 日本也将传感器技术列为十大技术之首 我国将传感器技术列为国家八五重点科技攻关项目．建成了“传感器技术国家重点实验室”、“微纳米国家重点实验室”、“国家传感器工程中心”等研究开发基地。而且MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业．它以其技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

2 传感器技术的主要应用

　　随着现代科技技术的高速发展．人们生活水平的迅速提高，传感器技术越来越受到普遍的重视，它的应用已渗透到国民经济的各个领域。

2．1 在工业生产过程的测量与控制方面的应用
　　
　　在工业生产过程中，必须对温度、压力、流量、液位和气体成分等参数进行检测．从而实现对工作状态的监控。诊断生产设备的各种情况．使生产系统处于最佳状态，从而保证产品质量，提高效益 目前传感器与微机、通讯等的结合渗透，使工业监测自动化．更具有准确、效率高等优点。如果没有传感器．现代工业生产程度将会大大降低。

2．2 传感器在汽车电控系统中的应用
　　
　　随着人们生活水平的提高，汽车已逐渐走进千家万户。汽车的安全舒适、低污染、高燃率越来越受到社会重视 而传感器在汽车中相当于感官和触角．只有它才能准确地采集汽车工作状态的信息，提高自动化程度。汽车传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统。普通汽车上大约装有lO一2O只传感器，而高级豪华车有的使用传感器多达300个．因此传感器作为汽车电控系统的关键部件．它将直接影响到汽车技术性能的发挥。

2．3 在现代医学领域的应用社会的飞速发展

　　需要人们快速、准确地获取相关信息。医学传感器作为拾取生命体征信息的五官．它的作用日益显著．并得
到广泛应用。例如：在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护监测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方面．使用传感器十分普及．现传感器在现代医学仪器设备中已无所不在。

2．4 在环境监测方面的应用

　　近年来．环境污染问题日益严重．人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，传感器满足了人们的要求。目前。已有相当一部分生物传感器应用于环境监测中．如大气环境监测。二氧化硫是酸雨雾形成的主要原因．传统的检测方法很复杂。现在将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上．和氧电极制成安培型
生物传感器．可对酸雨酸雾样品溶液进行检测，大大简化了检测方法。

2．5 在军事方面的应用传感器技术在军用电子系统的运用

　　在军事方面的应用传感器技术在军用电子系统的运用促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信方面的智能化。传感器在远方战场监视系统、防空系统、雷达系统、导弹系统等方面，都有广泛的应用，是提高军事战斗力的重要因素。

2．6 在家用电器方面的应用

　　8O年代以来．随着以微电子为中心的技术革命的兴起．家用电器正向自动化、智能化、节能、无环境污染的方向发展。自动化和智能化的中心就是研制由微电脑和各种传感器组成的控制系统 如：一台空调器采用微电脑控制配合传感器技术．可以实现压缩机的启动、停机、风扇摇头、风门调节、换气等，从而对温度、湿度和空气浊度进行控制 随着人们对家用电器方便、舒适、安全、节能的要求的提高，传感器将越来越得到显著应用。

2．7 在学科研究方面的应用

　　科学技术的不断发展，蕴生了许多新的学科领域，无论从宏观的宇宙．还是到微观的粒子世界，许多未知的现象和规律要获取大量人类感官无法获得的信息，没有相应的传感器是不可能的。

2．8 在智能建筑领域中的应用
　　
　　智能建筑是未来建筑的一种必然趋势，它涵盖智能自动化、信息化、生态化等多方面的内容，具有微型集成化、高精度与数字化和智能化特征的智能传感器将在智能建筑中占有重要的地位。

3 传感器技术的发展展望

　　科学技术的发展使得人们对传感器技术越来越重视．认识到它是影响人们生活水平的重要因素之一。因此对传感器的开发成为目前最热门的研究课题之一 传感器技术发展趋势可以从以下几方面来看。一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化；三是通过传感器与其它学科的交叉整合．实现无线网络化。

3．1 开发新型传感器

　　传感器的工作机理是基于各种物理(化学或生物)效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料。并以此研制具有新原理的新型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。
3．2 开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础．随着传感器技术的发展．除了早期使用的材料．如：半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维、纳米材料超导材料等相继问世 人工智能材料更是给我们带人了一个新的天地，它同时具有三个特征：能感知环境条件的变化(传统传感器)的功能；识别、判断(处理器)功能：发出指令和自采取行动(执引器)功能 随着研究的不断深入，未来将会有更多更新的传感器材料被开发出来。

3_3 集成化传感器的开发

　　传感器集成化包含两种含义：一种是同一功能的多元件并列，目前发展很快的自扫描光电二极管列阵、CCD图象传感器就属此类 另一种含义是功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件 例如把压敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器。

3．4 多功能集成传感器

　　多功能是指一器多能，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数，如最近国内已经研制的硅压阻式复合传感器，可以同时测量温度和压力等。

3．5 智能传感器的开发

　　智能传感器是将传感器与计算机集成在一块芯片上的装置，它将敏感技术信息处理技术相结合，除了感知的本能外，还具有认知能力 例如：将多个具有不同特性的气敏元件集成在一个芯片上．利用图像识别技术处理，可得到不同灵敏模式．然后将这些模式所获取的数据进行计算．与被测气体的模式类比推理或模糊推理，可识
别出气体的种类和各自的浓度。

3．6 多学科交叉融合
　　
　　推动无线传感器网络的发展无线传感器网络是由大量无处不在的．有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统．是能根据环境自主完成指定任务的”智能”系统。它是涉及微传感器与微机械、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合技术，其应用已由军事领域扩展到反恐、防爆、环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等众多领域，有着广泛的应用前景，因此1999年和2()o3年美国商业周刊和MIT技术评论Techno[ogY Review在预测未来技术发展的报告中．分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的lO大新技术之一。

3．7 加工技术微精细化

　　 随着传感器产品质量档次的提升，加工技术的微精细化在传感器的生产中占有越来越重要的地位。微机械加工技术是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术．目前已越来越多地用于传感器制造工艺。例如。溅射、蒸镀等离子体刻蚀、化学气相淀积(CVD)、外延生长、扩散、腐蚀、光刻等。另外一个发展趋势是越来越多的生产厂家将传感器作为～ 种工艺品来精雕细琢。无论是每一根导线，还是导线防水接头的出孔：无论是每一个角落．还是每一个细节，传感器的制作都达到了工艺品水平。如日本久保田公司的柱式传感器．外加一个黑色的防尘罩，柱式传感器的底座一般易进沙尘及其他物质．而底座一旦进了沙尘或其他物质后．对传感器来回摇摆产生了影响，外加防尘罩后．显然克服了上述弊端。这个附件的设计不仅充分考虑了用户使用现场环境要求，而且制作工艺、外观非常考究。

4 传感器技术面临的桃战和机遇

　　目前科技的快速发展．使得复杂系统越来越复杂．自动化已经陷入低谷．其主要原因之一是摄取信息方面的落后：另一方面也表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后．传感器技术的落后已成为影响自动化业发展的瓶颈。因此其面临着极其严峻的挑战。同时，技术的推动又是加速传感器技术发展的保证和机遇。几十年来．以微电子技术为基础．促进了传感器技术的发展。未来10—20年，传统硅技术还将得到空前发展。且不断扩展硅的跨学科横向应用(如MEMS等)和突破“非稳态物理器件”(量子、分子器件)，将成为未来2O年传感器技术的主要发展方向和机遇。