新型传感器技术及其发展趋势

新型传感器技术及其发展趋势

中文摘要

随着工业自动化的发展，传统的传感器越来越不能满足现代工业对信号检测与传输的需求，新型传感器应运而生。新型传感器包括采用新原理、新材料、新技术等开发出来的传感器，和传统的传感器相比精度更高、响应更快、可靠性更强、集成度更高、智能性更好。本文详细介绍了新型传感器的发展背景、分类、优势、发展前景及方向，还介绍了纳米传感器、智能传感器、生物传感器、微机电系统传感器等比较常见的新型传感器。

关键词：传感器、智能、集成度、精度

A new sensor technology and its development trend

ABSTRACT

With the development of industrial automation, the traditional sensor can't meet the signal detection and transmission requirements of modern industrial anymore.Then new sensors arises.

The new sensors depends on new principles, new materials and new technology. compared with the traditional sensor, the new ones have higher precision, faster repercussion , better

intelligent ,higher reliability and integration. This article introduces the background of the

development of new sensors, the classification, the advantages ,the development prospect and direction. It introduces the nanometer sensor, intelligent sensor, biological sensors, mems sensor and some more common new sensors.

Keywords: sensors, intelligence, integration, precision

前言

随着社会的发展，工业的进步，传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中，传感器发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。随着科技的发展，传感器也在不断的更新发展。传统的传感器技术在精度、灵敏性、集成度、可靠性等方面已经逐渐不能满足要求。在这种工业背景下，新型传感器应运而生。

1 新型传感器的分类

所谓新型传感器，大致应包括：采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器

等诸方面。它们之间是互相联系的。关于传感器的分类，学术界目前还没有统一的分类方法，这里我们暂且从运用原理上面把传感器分为物理传感器、化学传感器，从这两个个方面阐述传感器发展的一些新方向和趋势。大多数传感器是以物理原理为基础运作的，而且物理传感器发展较早，技术成熟，所以相对于物理传感器，化学传感器可以称为新型传感器。

1.1物理传感器

传统物理传感器按其采用的制造原理主要分为物理型传感和结构型传感器。结构型传感器是利用物理学中场的定律为基本原理构成的，包括力场的运动定律、电磁场定律等等。物理型传感器是利用物质的基本定律构成的，如弹簧的弹性定律，电阻的欧姆定律等。由此新型物理传感器的开发可以从两个方面入手：①采用新原理、利用物理学中新发现的定律、规律

这是从结构型传感器的角度开发新型传感器。结构型传感器虽属早期开发的产品,但近年来由于新材料、新原理、新工艺的相继应用,在精确度、可靠性、稳定性、灵敏度等方面也有了很大的提高。目前结构型传感器在工业自动化、过程检测与其它等方面仍占有相当大的比重。

②采用新材料、新工艺

这是从物理型传感器的角度开发新型传感器。物性型传感器具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够，现在世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

2.2 化学传感器

2.2.1化学传感器的概念

化学传感器（chemical sensor）是指那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。对比于人的感觉器官，化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官。典型的化学传感器有气敏、离子敏、湿敏、固体电解质传感器、生物传感器等。主要利用的是被检测物质与敏感物质的化学反应之后的一些现象或者检测反应生成物。

2.2.2化学传感器的前景

化学传感器的机理比较复杂，发展的较晚，对它的了解还不很透彻，工艺也不太成熟，所以导致化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可

能性，价格问题等。然而化学传感器在人类环境保护、以及国民经济各领域中的应用，已经越来越显示出其重要性。所以化学传感器具有远大的发展前途。如果能解决上述难题，化学传感器的应用将会有巨大增长

2 几种新型传感器

下面列举几种类型的新型传感器，并分别加以介绍其特点及发展趋势。

①智能传感器

②微机电系统传感器

③纳米传感器

④生物传感器

2.1 智能传感器

智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。例如对于压力传感器，传统的压力传感器只检测压力并将检测值传输给执行机构，而智能压力传感器不光能检测压力，还可以将检测到的压力与设定的某些压力值相比较从而做出相应的反应以促使执行机构执行相应的任务，智能程度大大提高。

智能传感器的功能：

①复合敏感功能：传统传感器只能测定单一的变量，如压力传感器只能测定压力，流量传感器只能测定流量。而智能传感器能够同时测量声、光、电、热、力、化学等多个物理和化学量，给出比较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移，等等。

②自补偿和计算功能：多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样，放宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对温度漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的结果。

③自检、自校、自诊断功能：普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。这样传感器出现异常情况将不能及时得到检查和维护。采用智能传感器情况则大有改观，首先自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正，并进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标定功能。

④具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能：随着全智能集散控制系统(Smart Distributed System)的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器能对被测量进行信号调理或信号处理。只要传感器的重复性好，就可以实现包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等功能。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。

⑤智能传感器的集成化：由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上，而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器。集成智能传感器的功能有三个方面的优点：较高信噪比；改善零漂、温漂、频响等性能；信号规一化处理。

2.2 微机电系统传感器

微机电系统(Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、医学、生物学等多种学科，具有广泛的应用前景。其中，微传感器占有很大的比例。

2.2.1 微机电系统传感器的特点

微传感器采用微电子和微机械加工技术，与传统的传感器相比具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、易于集成、可以批量化生产的特点。同时在微米量级的尺寸也使得其可以实现某些传统传感器不能实现的功能。

2.2.2 微机电系统传感器的前景

利用MEMS技术加工的微结构传感器具有微型化、阵列化、可集成化、智能化、成本低、功耗低、高可靠性、易于生产、多点检测、复合敏感等一系列优点，受到世界各国的重视。但是目前还有许多技术问题，如灵敏度低、工作温区窄、

精度不高等。随着科技的不断进步，可以肯定采用MEMS技术制作的微传感器在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

2.3 纳米传感器

2.3.1纳米技术的特殊性

纳米技术主要是针对尺度为1nm～100nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，基于此尺寸的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。

2.3.2纳米传感器的发展

纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术将有望成为新兴产业。纳米传感器（Nano Senser）在航天、机械、仪器仪表、汽车制造、油气勘探、电子工程及医疗器械行业都有广泛用途。而将它用在医学检验设备上，检验设备的诊断效率会远远超过采用传统传感器的设备。纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的灵敏度和其它性能，并促发了新型的生物传感器。因为具有了亚微米尺寸的换能器、探针或者纳米微系统，生物传感器的各种性能大幅提高。

2.3.3纳米传感器的未来

纳米技术将是未来发展新型结构与功能仿生传感器的研究重点与热点。可以预见，基于纳米技术与仿生学原理开发的新一代纳米仿生传感器，将大大丰富人类的物质世界，使人们的生活更加便利、舒适与安全。

2.4生物传感器

2.4.1生物传感器的概念

生物传感器是一类特殊的传感器，它以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感单元，对目标测物具有高度选择性的检测器。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测、工业控制以及生物技术、生物芯片等方面有广泛的应用前景。

2.4.2生物传感器的特点

生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，成为是介于信息和生物技术之间的新增长点，也使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。

2.4.3生物传感器的应用

韩国科学家研究南美的大力士甲虫，基于甲虫的皮肤再造一个纳米结构，发明出了可以根据湿度改变颜色并且不需要电力、可以永久使用的仿生湿度传感器。美国科学家设计了一种新型仿生手，可以让截肢患者恢复触觉。这些都是仿生学在实践中的极好应用。

2.4.4仿生传感器的设计理念

仿生传感器的设计理念主要涵盖两大方面：一是敏感机制的仿生，包括敏感材料与敏感原理的仿生设计；二是传感器功能的仿生。仿生敏感材料(也被称为仿生智能材料)与仿生原理是发展仿生传感器的基石与核心，直接决定了仿生传感器技术的应用价值，该领域研究极为活跃。此外，模仿生物的功能，研制具有

与其功能相似的传感器为人类所用，也是极具吸引力的领域。

2.4.5仿生传感器的发展方向

仿生传感器正在朝着两个方向发展：其一，仿生传感器日益朝着基于生物组织本身的微观结构及其作用机制模仿的方向发展；另一方面，基于某些整体装置的小型化、便携化、低碳节能化考虑，仿生传感器的微型化也成为一个重要的研究方向。

3传感器的发展趋势

3.1向高精度发展

随着工业自动化程度的提高，对传感器的要求也不断提高，研究灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。3.2高可靠性、宽温度范围的

传感器的可靠性直接影响到通讯设备的可靠性，研究高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久的方向。许多新兴材料（如陶瓷、纳米材料）将很有前途。

3.3向微型化发展

各种控制设备的功能越来越强，要求各个部件的体积越小越好，这就要求发展新的材料和加工技术。传感器微型化可以使得其功能更加强大，控制更加集中，而且可以减少能源消耗。许多新材料的开发和新工艺的采用可以使这个趋势更加明显。

3.4向微功耗和无源化发展

传感器一般都实现非电量向电量转化，工作时离不开电源。在野外场地或者离开电网的地方，往往就是电池供电或者太阳能供电。开发微功率传感器和无源传感器是必然的方向。这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前低功率的芯片发展很快，许多厂商研发的新型芯片功耗是普通传感器的大约五分之一到十分之一。

3.5 向智能化、数字化发展

随着现代化的发展，传感器的功能已经突破传统，其输出已经不再是单一的模拟信号，而是经过处理之后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

3.6 向网络化发展

网络化发展是传感器发展的一个重要方向，网络的作用和优势正在逐步凸现出来。网络传感器势必将促进电子科技的发展。

结束语

新型传感器是一种很有发展前途的传感器，克服了传统传感器精度差、可靠性不高、智能度不高、集成度低、功耗大等许多问题，可以满足现代工业、军事、医疗等各方面的需求。然而由于制造机理、价格因素、制造工艺等一系列条件的影响，新型传感器的开发还处于比较低级的水平，应用也不是很广泛，因此尚需要做很多的工作。但是可以肯定对新型传感器的需求会越来越大，要求越来越高，新型传感器会越来越多得造福人来社会。

主要参考文献：

⑴栾桂东，张金铎，金欢阳编著. 传感器及其应用，西安：西安电子科技大学出版社，2002.

⑵张学记著.电化学与生物传感器.北京：化学工业出版社，2009

⑶刘广玉，陈明，吴志鹤，樊尚春编著.新型传感器技术及其应用，北京：北京航空航天大学出版社，1995.

⑷刘迎春，叶湘滨编著.现代新型传感器原理与应用，北京：国防工业出版社，1998.

⑸王元庆编著.新型传感器原理及应用，北京：机械工业出版社，2002.