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未來傳感器發展趨勢

日期:2015年7月17日 10:59

  在科學技術領域、工農業生產以及日常生活中,傳感器發揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出的越來越高的要求是傳感器技術發展的強大動力,而現代們學技術突飛猛進則提供了堅強的後盾。隨著科技的發展,傳感器也在不斷的更新發展。

  開發新型傳感器

  新型傳感器,大致應包括:采用新原理、填補傳感器空白、仿生傳感器等諸方麵。它們之間是互相聯係的。傳感器的工作機理是基於各種效應和定律,由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料 ,並以此研製出具有新原理的新型物性型傳感器件,這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結構型傳感器發展得較早,目前日趨成熟。結構型傳感器,一般說它的結構複雜,體積偏大,價格偏高。物性型傳感器大致與之相反,具有不少誘人的優點,加之過去發展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方麵投入大量人力、物力加強研究,從而使它成為一個值得注意的發展動向。其中利用量子力學諸效應研製的低靈敏閾傳感器,用來檢測微弱的信號,是發展新動向之一。

  集成化、多功能化、智能化

  傳感器集成化包括兩種定義,一是同一功能的多元件並列化,即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平麵上排列起來,排成1維的為線性傳感器,CCD圖象傳感器就屬於這種情況。集成化的另一個定義是多功能一體化,即將傳感器與放大、運算以及溫度補償等環節一體化,組裝成一個器件。

  隨著集成化技術的發展,各類混合集成和單片集成式壓力傳感器相繼出現,有的已經成為商品。集成化壓力傳感器有壓阻式、電容式、等類型,其中壓阻式集成化傳感器發展快、應用廣。

  傳感器的多功能化也是其發展方向之一。所謂多功能化的典型實例,美國某大學傳感器研究發展中心研製的單片矽多維力傳感器可以同時測量3個線速度、3個離心加速度(角速度)和3個角加速度。主要元件是由4個正確設計安裝在一個基板上的懸臂梁組成的單片矽結構,9個正確布置在各個懸臂梁上的壓阻敏感元件。多功能化不僅可以降低生產成本,減小體積,而且可以有效的提高傳感器的穩定性、可靠性等性能指標。

  把多個功能不同的傳感元件集成在一起,除可同時進行多種參數的測量外,還可對這些參數的測量結果進行綜合處理和評價,可反映出被測係統的整體狀態。由上還可以看出,集成化對固態傳感器帶來了許多新的機會,同時它也是多功能化的基礎。

  傳感器與微處理機相結合,使之不僅具有檢測功能,還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及思維等人工智能,就稱之為傳感器的智能化。借助於半導體 集成化技術把傳感器部分與信號預處理電路、輸入輸出接口、微處理器等製作在同一塊芯片 上,即成為大規模集成智能傳感器。可以說智能傳感器是傳感器技術與大規模集成電路 技術相結合的產物,它的實現將取決於傳感技術與半導體集成化工藝水平的提高與發展。這類傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產和使用方便等優點,可以肯定地說,是傳感器重要的方向之一。

  新材料開發

  傳感器材料是傳感器技術的重要基礎,是傳感器技術升級的重要支撐。

  隨著材料科學的進步,傳感器技術日臻成熟,其種類越來越多,除了早期使用的半導體材料 、陶瓷材料以外,光導纖維以及超導材料的開發,為傳感器的發展提供了物質基礎。例如,根據以矽為基體的許多半導體材料易於微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半導體光熱探測器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點,發展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器 等現代傳感器在敏感材料中,陶瓷材料、有機材料發展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調配化學成分的基礎上,經過高精度成型燒結,得到對某一種或某幾種氣體具有識別功能的敏感材料,用於製成新型氣體傳感器 。此外,高分子有機敏感材料,是近幾年人們極為關注的具有應用潛力的新型敏感材料,可製成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術的不斷發展,也促進了更新型材料的開發,如納米材料等。美國NRC公司已開發出納米ZrO2氣體傳感器,控製機動車輛尾氣的排放,對淨化環境效果很好,應用前景比較廣闊。由於采用納米材料製作的傳感器,具有龐大的界麵,能提供大量的氣體通道,而且導通電阻很小,有利於傳感器向微型化發展,隨著科學技術的不斷進步將有更多的新型材料誕生。

  新工藝的采用

  在發展新型傳感器中,離不開新工藝的采用。新工藝的含義範圍很廣,這裏主要指與發展新興傳感器聯係特別密切的微細加工技術。該技術又稱微機械加工技術,是近年來隨著集成電路工藝發展起來的,它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等用於微電子加工的技術,目前已越來越多地用於傳感器領域,例如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化學氣體澱積(CVD)、外延、擴散、腐蝕、光刻等,迄今已有大量采用上述工藝製成的傳感器的國內外報道。

  智能材料

  智能材料是指設計和控製材料的物理、化學、機械、電學等參數,研製出生物體材料所具有的特性或者優於生物體材料性能的人造材料。有人認為,具有下述功能的材料可稱之為智能材料:具備對環境的判斷可自適應功能具備自診斷功能具備自修複功能具備自增強功能(或稱時基功能)。

  生物體材料的最突出特點是具有時基功能,因此這種傳感器特性是微分型的,它對變分部分比較敏感。反之,長期處於某一環境並習慣了此環境,則靈敏度下降。一般說來,它能適應環境調節其靈敏度。除了生物體材料外,最引人注目的智能材料是形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物。智能材料的探索工作剛剛開始,相信不久的將來會有很大的發展。

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