传感技术的发展趋势

　　传感技术涉及传感器机理研究与分析、设计与研制、性能评估与应用等，是一门多学科交叉的现代科学技术。大规模集成电路、微纳加工、网络等技术的发展，为传感技术的发展奠定了基础。微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科、各种新技术的互相渗透和综合利用，为研制出一批新颖、先进的传感器提供了技术支撑。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提髙，并加速新一代传感器的开发和产业化。随着生产自动化程度的不断提高，人们生活水平的不断改善，对传感器的需求也不断增加。技术推动和需求牵引共同决定了现代传感技术的发展趋势。

1.开发新型传感器

　　传感器的工作机理基于各种物理(化学或生物〕效应和定律，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。

　　生物传感器是新型传感器中的一类，该类传感器在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到高度重视和广泛应用。生物传感器可以检测食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等。在环境污染物的连续、快速、在线监测方面，需要测量形成酸雨酸雾的二氧化硫，利用传统检测方法很复杂，而由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,可以实现对酸雨酸雾样品溶液进行检测。在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、制作设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰等优点。因此，在发酵工业中广泛采用微生物传感器作为一种有效的检测工具。例如，利用电化学微生物的细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线测定。生物传感器技术也为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器，用于临床医学。酶电极是最早研制并且应用最多的一种传感器，因为其选择性好、灵敏度高、响应快等特点，也用于军事医学方面。通过及时快速检测细菌、病毒及其毒素等，实现生物武器的有效防梱。目前，生物传感器价格较高，性能也比较低。但随着技术的发展，低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命的生物传感器技术将会加速生物传感器市场化、商品化的进程。

　　利用量子力学中的有关效应，为设计、研制先进的新型传感器提供了理论基础。利用量子效应研制具有敏感某种被测量的量子敏感器件,像共振隧道二极管、量子阱激光器和量子干涉部件等，具有高速（比电子敏感器件速度提高1000倍〕、低耗（比电子敏感器件能耗降低1000倍高效、高集成度、经济可靠等优点。我们相信,纳米电子学的发展，将会在传感技术领域中引起一次新的技术革命，从而把传感技术推向更高的发展阶段。

2.向离精度发展

　　随着自动化生产程度的不断提髙，对传感器的要求也在不断提高,必须研制出具有精确度高、灵敏度高、响应速度快、互换性好的传感器以确保自动化系统的可靠性。目前能生产精度优于万分之一的传感器厂家为数不多，其产量也远远不能满足需求。

　　例如，一种髙性能小型石英绝对压力传感器,具有土Pa高精度与0.1Pa高分辨力，其体积为12.5ml、质量为15g。该压力传感器的敏感单元为音叉型晶体单元，可以得到稳定度很高的细致频率,从而实现具有高精度及高分辨力的石英晶体压力传感器。

　　一种精度达百万分之一级的非接触式SAW扭矩传感器，尺寸为4mmx2mmx0.5mm。该传感器不仅十分精确，而且转轴与外壳间无直接接触。为测量转轴的扭矩，两个SAW传感器与轴呈45度角固定，连接成“半桥”结构；当轴受到扭矩时，一个受压一个受拉，综合两个传感器的频率可产生“差分”和“叠加”信号以得出扭矩和温度信号。

　　利用全功能性的碳纳米管装置,成功建造一个可以给金原子称重的纳机电系统。使用此装置测得的金原子质量为3.25x10-25kg。这种新式纳机电系统质量传感器由单个碳纳米管组成,其一端可自由活动，另一端则连接在一个电极上，与距离相对的电极相当近。来自电池或太阳能电池上的直流电源与这对电极相连，导致它以某种谐振频率振动。当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上时，碳纳米管的谐振频率就会因原子或分子的质量而改变，从而测得原子或分子的质量。

3、向微型化发展

　　自动化设备的功能越来越强大，要求传感器本身的体积也是越小越好,这就要求发展新的材料及加工技术。目前，利用硅材料、石英晶体材料和陶瓷材料，使用光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺以及各种微细加工技术制成的微结构传感器，其体积非常小，动态特性好，互换性与可靠性都较好。

　　微结构传感器的敏感元件尺寸一般为µm级,可以是可活动的膜片、悬臂梁、桥以及凹槽、孔隙、锥体等。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的集成电路相结合，已成功地用于制造各种微传感器以及多功能的敏感元阵列（如光电探测器等），实现了诸如压力、力、加速度、角速率、应力、应变、温度、流量、成像、磁场、湿度、pH值、气体成分、离子和分子浓度以及生物传感器等。

　　例如，一种可安装在蜻蜓等昆虫的翅膀上分析翅膀动作的微型风速传感器，在3mmx3mm的芯片上设置了2个传感器，每个传感器的尺寸约为1.5mmx3mm，厚度约为1mm。

　　传感器采用在带电极的501底板上形成长约0.5mm、厚1µm以下的悬臂梁压电的结构。悬臂梁部分的质量仅为0.1ug，能够实现-2?2m风速的测量。这种传感器具有较好的抗干扰性，同时，传感器的最低阶固有频率在10Hz以上，能够满足几Hz的翅膀振动测量。

　　―种微型超敏感触觉传感器,在约0.1mm3的合成树脂中埋人了直径1~101µm、长300~5001µm，像弹簧一样的螓旋状微细碳线圈元件。碳线圈接触物体之后，能感受微小压力和温度的变化；同时还可以感知“拧”、“摩擦”等动作，在医疗器械领域应用前景很广泛。

　　因发现巨磁电阻（GiantMagneticResistance,GMR)效应获得2007年诺贝尔物理学奖的法国科学家阿尔贝，费尔和德国科学家彼得丨格林贝格尔，不仅对“数据”存储具有重要意义，使得“数据硬盘体积不断变小,容量不断变大”成为现实;借助巨磁电阻效应，更为微小型传感器的研制提供了一种重要的技术支持。所谓巨磁电阻效应是一种磁致电阻效应，主要是指在纳米尺度的磁性多层薄膜材料中，当磁场作用于磁性多层薄膜中自旋导电电子时，导致薄膜电阻发生很大的变化，这种变化可以通过测量电阻或以电压方式反映出来。其测量原理与磁阻传感器一样,都是组成惠斯通电桥结构。利用巨磁电阻效应的传感器具有许多优点，如灵敏度高、响应快、无磁滞、热稳定性好等，最重要的是由于磁电阻变化率高（相对于磁电阻效应大一个数量级以上〉，使它更适合检测微弱磁场以及改变微弱磁场的被测量。

4、向微功耗及无源化发展

　　传感器多为非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方,往往需要电池供电或使用太阳能等供电。研制微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。

　　例如，一种新型流量传感器，能把所通过的流体（液体或气体〉的能量自行转换成电力，实现自行“发电”，这大大方便了系统的设计和维护。解决了以往传感器费用高和维护保养难的问题。

　　一种无需电池即可驱动的无线传感器终端，配有可将振动转换为能量的微型发电机和电双层电容器;可将安装地点的振动作为能量使用，发电剩余的电力可储存在电双层电容器中。该终端具有广阔的应用前景。

5、向多传感器融合与智能化发展

　　随着现代化的发展，传感器的功能形成突破。由于单传感器不可避免地存在不确定或偶然不确定性,缺乏全面性、鲁棒性，所以偶然的故障就会导致系统失效。多传感器集成与融合技未正是解决这些问题的好办法。多个传感器不仅可以描述同一环境特征的多个冗余信息，而且可以描述不同的环境特征。它的特点是冗余性、互补性、及时性和低成本性。

　　多传感器的集成与融合技术已经成为智能机器与系统领域的一个重要研究方向，它涉及信息科学的多个领域，是新一代智能信息技术的核心基础之一，从20世纪80年代初以军事

　　领域的研究为开端，多传感器的集成与融合技术迅速扩展到军事和非军事的各个应用领域,如自动目标识别、自主车辆导航、遥感、生产过程监控、机器人、医疗应用等。

　　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，并且具有诊断、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和逻辑判断功能，故可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。技术发展表明，数字信号处理器DSP（DigitalSignalPrcessor）将推动众多新型下一代产品的发展，其中包括带有模拟-AI人工智能)能力的智能传感器。

　　智能化传感器将由多个模块组成，包括微传感器、微处理器、微执行器和接口电路，它们构成一个闭环微系统，有数字接口与更高一级的计算机控制相连，通过利用专家系统中得到的算法对微传感器提供更好的校正与补偿。这样智能化传感器功能会更多，精度和可靠性会更髙，优点会更突出，应用会更广泛。

　　例如，一种具有自动监视并对树叶状物体燃烧发出警告的微小电子传感器网络，被称为“智能尘埃”的试验性机器。这种设备不仅微小，而且能够测量温度、湿度、光等信息。该智能设备来自于嵌人式微处理器、软件代码和无线通信系统设备。智能尘埃传感器将通过飞机或以其他的喷洒方法越过整个森林进行喷洒。一旦喷洒到树上，尘埃的每个小点将会对附近尘埃进行定位并建立无线连接，当尘埃传感器检测到可能的异常时，它将碰触附近尘埃大小一样的装置来决定其获取的信息,并且能从多重来源获取多重信息，然后传感器就能确定在被洒树上是否有危险。一旦被确定有危险,触发的传感器组将通过其无线连接发送消息给林地工人，对传感器的网络进行监视。

6、向高可靠性发展

　　传感器的可靠性直接影响到自动化系统的工作性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器是永恒的主题。提高温度使用范围历来是传感器的工作重点，大部分传感器其工作温度都在一20~70度之间，军用系统中要求基本工作温度在一40?85度之间。一些特殊场合要求传感器的温度更高，因此，发展新兴材料(如陶瓷）的传感器尤为重要。

　　Honeywell公司推出的LG1237是一种智能型绝对压力传感器，该产品可在压力范围0.5~1000psia内进行精确、稳定的测量，其使用寿命为25年或100000小时。该产品在一55?125度之间使用时准确率优于±0.03%FS，同时具有承受高量级加速度、振动的特点，适用于喷气飞机引擎、飞行测试、气象中的压力校准。

7、向传感器网络技术发展

　　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,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，大量传感器通过网络构成分布式、智能化信息处理系统，以协同的方式工作，能够从多种视角、以多种感知模式对事件、现象和环境进行观察和分析，获得丰富的、高分辨率的信息，极大地增强了传感器的探测能力，是近几年来新的发展方向。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。

　　随着通信技术、嵌人式计算技术和传感技术的飞速发展和日益成熟，无线传感器网络更是得到快速发展，引起人们的极大关注。例如，传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的翔实特征信息，如丛林地带的地面坚硬度、干湿度等，为制定作战方案提供可靠的信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量翔实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。