传感器的发展趋势

传感器的发展趋势

传感器的历史可以追溯到远古时代，公元前1000年左右，中国的指南针、记里鼓车已开始使用。埃及王朝时代开始使用的天平，一直延用到现在。利用液体膨胀进行温度测量在16世纪前后就已出现。19世纪建立了电磁学的基础，当时建立的物理法则直到现在作为各种传感器的工作原理仍在应用着。

以电量作为输出的传感器，其发展历程最短，但是随着真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高，这种传感器得到飞速发展。目前只要提到传感器，一般是指具有电输出的装置。由于集成电路技术和半导体应用技术的发展，研究开发了性能更好的传感器。随着电子设备水平不断提高以及功能不断加强，传感器也越来越显得重要。世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术，传感器技术已成为高新技术竞争的核心技术之一，并且发展十分迅速。

近年来，由于微电子技术、微机械加工技术、纳米技术的迅速发展，传感器领域的主要技术也将在现有基础上予以延伸和提高：

（1）微机械加工技术（MEMT）和纳米技术将得到高速发展。采用MEMT制作的传感器和微系统，具有体积微小、低成本、高可靠性等独特的优点。

（2）新型敏感材料将加速开发，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科的互相交叉、渗透和综合利用，将会研制出一批新颖、先进的传感器。

（3）敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓，二次传感器和传感器系统的应用将大幅度增长。

传感器技术发展的两大物质基础是：物理现象的深入研究――发现新的检测原理；新材料的开发――制造出高水平的传感器。但是，传感器技术能否高速发展，最终取决于社会对传感器技术的需求。即粮食资源、能源、公害防冶、灾害预测、医疗卫生、国防建设等各个领域对传感器技术的需求。当今时代，是科学技术发展特别迅猛时代，特别是电子计算机的飞速发展和广泛应用，对传感器技术的需求更为迫切，并且存在着“头脑(计算机)发达，感觉(传感器)迟钝”的严重现象，所以传感器技术的研究和生产受到了全世界普遍重视。为了满足科技高度发展的要求，传感器技术将向以下几个方面发展：

1．高精确度

为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高。例如对于火箭发动机燃烧室的压力测量，希望测试精度能优于0.1％，对超精加工“在线”检测精度高于0.1微米，因此需要研制出高精度的传感器，以满足测量的需要。我们已研制出精度优于0.05％的传感器。

2．固态化趋向与微机械加工工艺

固态传感器体积小，便于集成。目前最先进的固态传感器是在一块芯片上同时集成差压、静压和温度传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。以IC制造技术发展起来的微机械加工工艺，可使被加工的敏感结构的尺寸达到微米、亚微米级，并可以批量生产，从而制造出微型化而价格便宜的传感器。如微型加速度计已经商品化，广泛应用于汽车工业。微机械加工工艺主要包括：

①平面电子加工工艺技术，如光刻、扩散、沉积、氧化、溅射等；

②选择性的三维刻蚀工艺技术、各向异性腐蚀技术、外延技术、牺牲层技术、LIGA技术(X射线深层光刻、电铸成型、注塑工艺的组合)等；

③固相键合工艺技术，如Si-Si键合，实现硅一体化结构；

④机械切割技术，将每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和残余应力；

⑤整体封装工艺技术，将传感器芯片封装于一个合适的腔体内，隔离外界干扰对传感器芯片的影响，使传感器工作于较理想的状态。

3．集成化和多功能化趋向

固态功能材料――半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。

所谓集成化，就是在同一芯片上，或将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型，二维阵列(面)型传感器；或将传感器与调理、补偿等电路集成一体化。前一种集成化使传感器的检测参数由点到线到面到体多维图像化，甚至能加上时序，变单参数检测为多参数检测；后一种集成化使传感器由单一的信号变换功能，扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多功能――实现了横向和纵向的多功能。近年来，出现的利用一个传感器实现多参数测量的多功能传感器，如一种同时检测Na+，K+和H+离子的传感器，其尺寸为2.5 mm×0.5 mm×0.5 mm，可直接用导管送到心脏内进行检测。检测血液中的纳、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾患非常有意义。

气体传感器在多功能方面的进步最具代表性。如图1-3所示为一种多功能气体传感器结构示意图，能够同时测量H2S，C8H18，C10H20O，NH3四种气体。该结构共有6个用不同敏感材料制成的敏感部分，其敏感材料分别是：WO3，ZnO，SnO2，SnO2(Pd),ZnO(Pt)，WO3(Pt)。它

们对上述4种被测气体均有响应，但其响应的灵敏度差别很大；利用其从不同敏感部分输出的差异，即可测出被测气体的浓度。这种多功能的气体传感器采用厚膜制造工艺做在同一基片上。根据上述6种敏感材料的工作机理，在测量时需要加热。

图1-3 一种多功能气体传感器

4．图象化趋向

图象是最直观的信息，图像信息的发展从一维、二维到目前的三维空间，使之更生动、更可靠地反映测量对象。

5．智能化趋向

随着微处理器技术的进步，传感器技术正在向智能化方向发展。这也是信息技术发展的必然趋势。所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用的微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起，并具有诊断、数字双向通信等新功能的传感器。由于微处理器具有强大的计算与逻辑判断功能，故可以方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化(甚至具有标准通信协议的总线式输出模式)等；同时实现必要的自诊断、自检测、自校验以及通信与控制等功能。如图1-4所示为一个应用三维集成器件和异质结技术制成的三维图像传感器示意图，主要由光电变换部分、信号传送部分、存储部分、运算部分、电源与驱动部分等组成。

图1-4 一种智能化图像传感器

此外，近年来传感器技术领域的一些专家和学者还提出了模糊传感器、符号传感器的新概念。