传感器技术
传感器技术是关于传感器的研究、设计、试制生产、检测和应用的综合技术,它已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。
(1)内容的离散性:传感器技术所涉及和利用到的物理学、化学、生物学的基本“效应”“反应”和“机理”不仅为数甚多,而且往往彼此独立甚至完全不相关。
(2)知识系统的密集性:传感器技术是以材料的力、热、声、光、电、磁等功能效应和功能形态变换原理为理论基础的,并综合了物理学、微电子学、化学、生物工程、精密机械、微细加工和试验测量等方面的知识和技术而形成的一门科学。具有突出的知识密集型和学科边缘性。所以它与许多基础学科和专业工程学关系极为密切。正因如此,以该领域一旦有新的发现、就有人迅速地应用于传感器技术。如超导材料约瑟森效应发现不久,以该效应作为工作原理的超导量子干涉器件(SQUTO)传感器就问世。它具有极高的灵敏度,可测10的-9次方GS极弱磁场。
(3)技术(工艺)的复杂性:传感器的制造涉及到许许多多的高新技术。如薄膜技术、集成电路技术、超导技术、键合技术、高密封技术、特种加工技术以及多功能化、智能化技术等。传感器的制造工艺难度大、要求高。如微型传感器的尺寸要小于1mm3,半导体硅片厚度有时要小于1Pm,湿度传感器测量范围—196——1800,压力传感器的耐力范围10+4a——102次方MPa等。
(4)品种的多样化与用途的广泛性:传感器与传感器技术广泛应用于科学研究、生产过程和日常生活各个领域。传感器的广泛应用则需要测量的量(待测量)很多,而且一种待测量往往可用多种传感器来检测。如线位传感器、其品种近20种。因此传感器产品的品种极为繁多和复杂。而传感器做为一种商品用户对其品种要求通常很多,但对每一品种要求数量往往很少。品种多、数量少的矛盾不仅传感器成为高价值商品,而且有碍于传感器的快速发展。
传感器与传感器技术的发展趋势(特别是与电子芯片的设计的结合)
随着科技的快速发展,作为机器“五官”感觉的传感器远远赶不上“计算机大脑”的发展速度。信息采集技术滞后于信息处理技术,特别是现代的测控技术系统自动化,智能化的发展要求传感器的准确度高,可靠性高、稳定性好,而且具有一定的数据处理能力和自控自校正自补偿能力。有些场合还需要能同时处理测量多个参数的体积小的多功能传感器。
传感器与传感器技术的发展水平已成为判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。主要发展趋势一是,开展基础研究,探索新理论,发现新现象,开发传感器的新材料和新工艺。其次是实现传感器的集成化,多功能和智能化。
1、发现新现象:传感器工作的基本原理是各种物理现象、化学反应和生物效应。所以发现新现象与新效应是发展传感器技术、研制新型传感器的重要理论基础。例如:日本夏普公司利用超导技术研究成功高温、超导磁传感器,为传感器技术的重大突破。其灵敏度比霍尔器件高,仅次于超导量子干涉器(SQUTO)。在其制造工艺上远比超导量子干涉器简单。它可用于磁成像技术,具有广泛的推广价值。
2、开发新材料:新型传感器敏感元件材料是研制新型传感器的重要物质基础,必须开发新型的传感敏感元件,特别是物性型敏感材料。例如蓝宝石上外延生长单晶硅膜制作的井下数字压力传感器,可耐180高温;半导体氧化物可以制造各种气体传感器;而陶瓷传感器工作温度远高于半导体;光导纤维的应用是传感器材料的重要突破,用它研制的传感器与传统传感器比较,具有其突出特点。高分子聚合物材料作为传感器敏感材料的研究,已引起国内外学者极大兴趣。
3、采用微细加工技术:半导体技术中的加工方法,如氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镀、溅射薄膜工艺都可以引进用于传感器制造,因而产生了各式各样新型传感器。例如,利用半导体技术制造出压阻式传感器、利用晶体外延生长工艺制造出硅-蒸汽井下数字压力传感器;利用薄膜工艺制造出快速响应的气味传感器;利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工,在硅片上构成孔沟、棱锥、半球等各种形状,研制出全硅谐振式压力传感器。
4、智能传感器:智能传感器是传统传感器与微处理器赋予智能的结合。兼有信息检测技术与信息处理的传感器系统。智能传感器充分利用微处理器的计算和存储功能,对传感器的数据进行处理并能对它的内部进行调节,使其采集的数据最佳。
智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离的、。按结构可以分成集成式、混合式和模块式三种形式。集成式智能传感器是将传感器与微处理器信号调节电路做在同一芯片上所构成的,集成度高、体积小。这种传感器在目前科技水平上也能实现。混合集成式传感器是将传感器的微处理器、信号解调电路做在不同芯片上构成的。目前这类结构的传感器较多。初级智能传感器也可以由许多相互独立的模块组成。如微机算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块与传感器装配在同一壳体内,则组成模块式智能传感器。这类传感器虽集成度不高,体积大,但在目前技术条件下,仍不失为一种实用的结构形式。
5、多功能传感器:它能转换两种以上的不同物理量。例如使用特殊陶瓷把温度和湿度敏感元件集成在一起,构成温湿度传感器;将检测Na尺寸和FH的敏感度的元件集成在2、5mmX0,5mm的芯片上构成多离子传感器,可直接用导管送到人体心脏内,控制血液中的钠、钾和氢离子浓度,对诊断心血管疾病有很大意义;利用原膜制造工艺将六种不同的敏感材料(Zn,O,SnO2,WO2.WO3,W2m,等,)制做在同一基板上,具有同时测量四种元件的多功能传感器;如果将六种敏感膜所输出的信息输入计算机,就是一种多功能智能传感器。
作为多功能传感器的智能传感器,最典型的是美国公司研制的ST3000型智能差压力传感器。在3mmX4mmX0,2mm的一块基片上。采用半导体工艺,制作静压、差压、温度三种敏感元件和CPU,EPR
OM
,其精度高达0、1%,工作温度范围-40——110,压力量到0——2、1X107次方,具有自诊断、自动选择量程序存储,补偿数据等功能。
6、仿生传感器:大自然是生物传感器优秀的设计师和工艺师。它通过漫长岁月,不仅造就采集多种感官于一身的人类,而且还构造了许多功能奇特、性能高超的生物器官。如狗的嗅觉、鸟的视觉、蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉,研究它们的机理,开发仿生传感器也是引人注目的的方向。所谓仿生传感器就是模拟人(或动物)的感觉器官的传感器、视觉、听觉、味觉触觉传感器等。
传感器静态特征、传感器动态特征、电阻应变式传感器、电感式传感器等等都不一一介绍了。
本人建议:其实如果说从目前高新科技上微电子芯片属于美欧制裁我国的出口管制的主要项目,而国产芯片水平有限的话,不如我们在多功能传感器上另辟蹊径。电子芯片我看目前水平28纳米仅够了,如果六、七种传感器集成在一块芯片上也等于4X7=28纳米接在7个传感器上,或者模块式散热性可以解决,何必挤在一块4纳米芯片上呢?说句糙话活人能让尿憋死?按目前制造芯片的机械加工研发各类传感器,以配备各种不同的需求。如果说传感器是运转中机器、运输工具、使用中的家用电器、大型工程机械上的人体中感知器官,那么正常的运转器官感觉中就是标准健康的运行参数,在运转运动部位配置的感知物理相、化学相、生物相传感器反馈到显示屏上,那么就为可以迅速诊断出问题部位提出了解决方案。试想,当一辆安装传感器的卡车运行在茫茫原野上,突然出现了问题,仪器上显示出现运转中的哪些部位器件出现了问题。如果这位司机自备了相关的部件或是模块,就可以拆卸下来更换上新的继续行驶。如果是工程机械可以迅速更换修复,不必等到救援车。如果是人体可以检测到肌体运动矛盾。
其实各类传感器从自服务角度看是个大市场。譬如一件大型家用消费电器,谁也不希望用不久就出现问题。厂家更不希望自己的产品不断地返修。那么安装模块式传感器,及时诊断出问题的部位,从电脑屏幕上就可以提示到维修站点可以选购损坏了可更换的部件,对于生产厂商更是大事。创新一般分两种。一种属于渐进性创新,属于改进改造式创新。另一种创新被称作破坏性创新。如果安装上传感器就属于破坏性创新,破坏的是修理返修和报废的行业,而对于节能减排来说是个进步。避免无端的浪费。
从绕开西方制裁来说,东方不亮西方亮。电脑芯片可以拆开也可以综合、模块化。而传感器是活的。需要的是传感过来的数据。各种传感器形形色色,只需要开发出来用的地方多了。如果传感器就像纽扣一样,像拉链一样,就像螺丝钉一样普及,那么集成电路岂不更灵活了。用途有多么大市场就有多么大。贵的贱的、耐久性的,短期临时的。未来发展趋势其实电子芯片不再是主角,一个大芯片可以分解为几个集成式传感器、或i分散性传感器,通过印刷电路分散在不同角落方位。而电路连线可以附在任何绝缘版上,像蚯蚓一样印上去。摩尔定律岂不打破了?
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