傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

(1)發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開(kāi)發(fā)新材料、新功能傳感器的工作原理是基于各種物理的、化學(xué)的、生物的效應(yīng)和現(xiàn)象；具有這種功能的材料謂之“功能材料”或“敏感材料”。顯而易見(jiàn)，新的效應(yīng)和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是新的敏感材料開(kāi)發(fā)的重要途徑；而新的敏感材料的開(kāi)發(fā)，是新型傳感器問(wèn)世的重要基礎(chǔ)。
??? 例如，約瑟夫遜(J05ePhson)效應(yīng)——一種超導(dǎo)體超導(dǎo)電流的量子干涉效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致多種超性能敏感器件的開(kāi)發(fā)：利用直流約瑟夫遜效應(yīng)研制成超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)，可用于測(cè)量諸如人體心臟和腦活動(dòng)所產(chǎn)生的微磁場(chǎng)變化，分辨力高于10—l’T；利用交流約瑟夫遜效應(yīng)研制的電壓—頻率(V—F)變換器，其精確度可達(dá)10—8，且穩(wěn)定性極高，不受環(huán)境溫度、振動(dòng)干擾，無(wú)漂移和老化；利用約瑟夫遜效應(yīng)的熱噪聲研制的溫度傳感器，可測(cè)量lo—‘K的超低溫[71。
??? 又如電流變(E1ectrorhe010gic，ER)效應(yīng)——一種電流變材料(常態(tài)為液體，ERF)在外電池制下能瞬間(fls、ms級(jí))產(chǎn)生可逆性“液態(tài)—固態(tài)”突變，致使其粘度、阻尼、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能快速響應(yīng)的現(xiàn)象。之后，利用這種ER效應(yīng)開(kāi)發(fā)的“電—機(jī)特性”轉(zhuǎn)換元件，因其具有低能耗、快速響應(yīng)、可逆性、無(wú)級(jí)柔性變換、無(wú)磨損、低噪聲、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，并能將高速計(jì)算機(jī)的電指令直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)作的操作過(guò)程，被譽(yù)為“有潛力成為電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換中能效最高的一種產(chǎn)品”。美國(guó)科學(xué)家稱：“ER將會(huì)產(chǎn)生一場(chǎng)較當(dāng)年半導(dǎo)體材料影響更大的技術(shù)革命”和“一系列的工業(yè)技術(shù)革命”?？梢?jiàn)，電流變效應(yīng)的研究和電流變材料的應(yīng)用，具有十分巨大的發(fā)展?jié)摿褪终T人、令人鼓舞的前景[d91。
??? 還需指出，探索已知材料的新功能與開(kāi)發(fā)新功能材料，對(duì)研制新型傳感器來(lái)說(shuō)同樣重要。有些已知材料，在特定的配料組方和制備工藝條件下，會(huì)呈現(xiàn)出全新的敏感功能特性。例如，用以研制濕敏傳感器的AlzOz基濕敏陶瓷早已為人們所知；近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者又成功地研制出以A1202為基材的氫氣敏、酒精敏、甲烷敏王種類型的氣敏元件。與同類型的5n()2、Fe2Q、ZnO基氣敏器件相比，具有更好的選擇性、低工作溫度和較強(qiáng)的抗溫、抗?jié)衲芰Α＿@種開(kāi)發(fā)已知材料新功能或多功能的成果絕非僅有，值得關(guān)注。
??? (2)傳感器的多功能集成化和微型化??? 所謂集成化，就是在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤愋偷膯蝹€(gè)傳感器件集成為一維、二維或三維陣列型傳感器；或?qū)鞲衅骷c調(diào)理、補(bǔ)償?shù)忍幚黼娐芳梢惑w化。前一種集成化使傳感器的檢測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)一線一面i體”多維圖像化，甚至能加上時(shí)序控制等軟件，變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè)，例如將多種氣敏元件，用厚膜制造工藝集成制作在同一基片上，制成能檢測(cè)氧、氨、乙醇、乙烯四種氣體濃度的多功能氣體傳感器；后一種集成化使傳感器由單一的信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，擴(kuò)展為兼有放大、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)榷喙δ?。高度集成化的傳感器，將是兩者有機(jī)地融合，以實(shí)現(xiàn)多信息與多功能集成一體化的傳感器系統(tǒng)(詳見(jiàn)第14章)。
??? 微米／納米技術(shù)的問(wèn)世，微機(jī)械加工技術(shù)的出現(xiàn)，使三維工藝日趨完善，這為微型傳感器的研制鋪平了道路。微型傳感器的顯著特征是體積微小、重量很輕(體積、重量?jī)H為傳統(tǒng)傳感器的幾十分之一甚至幾百分之一)。其敏感元件的尺寸一般為微米級(jí)。它是由微加工技術(shù)(光刻、蝕刻、淀積、鍵合等工藝)制作而成。如今，傳感器的發(fā)展有一股強(qiáng)勁的勢(shì)頭，這就是正在擺脫傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，而轉(zhuǎn)向優(yōu)先選用硅材料，以微機(jī)械加工技術(shù)為基礎(chǔ)，以仿真程序?yàn)楣ぞ叩奈⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)研制各種敏感機(jī)理的集成化、陣列化、智能化硅微傳感器。這一現(xiàn)代傳感器技術(shù)國(guó)外稱之為“專用集成微型傳感器技術(shù)”ASIM(Appl5cation Speci價(jià)InteRrated Microtransducer)。這種硅微傳感器一旦付諸實(shí)用，將對(duì)眾多高科技領(lǐng)域——特別是航空航天、遙感遙測(cè)、環(huán)境保護(hù)、地物醫(yī)學(xué)和I：業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著重大的影響。美國(guó)著名未來(lái)學(xué)家尼。尼葛洛寵帝預(yù)言：微型化電腦將在10年后變得無(wú)所不在，人們的日常生活環(huán)境中可能嵌滿這種電腦芯片。屆時(shí)，人們甚至可以將一種含有微電腦的微型傳感器，像服藥丸一樣“吞”下，從而在體內(nèi)進(jìn)行各種檢測(cè)，以幫助膜生診斷。目前日本已研制出尺寸為2．5nlm×()．5mm的微型傳感器，可用導(dǎo)管直接送入心臟，可同時(shí)檢測(cè)Na、K和H離子濃度yI。微傳感器的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，最引起關(guān)注的還是在航空航天領(lǐng)域。如國(guó)外某金星探測(cè)器共使用了8000余個(gè)傳感器。若采用微傳感器及其陣列集成，不僅對(duì)減輕重量、噴收間和能耗有重要意義，而且可大大提高飛行監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。正因?yàn)槿绱耍罱绹?guó)在《新世紀(jì)展望? —21世紀(jì)的空軍和太空力量》的研究報(bào)告中，特別強(qiáng)調(diào)了微傳感器對(duì)各種6行器的熏要性，并把它列入突出發(fā)展的計(jì)劃付諸實(shí)施。我國(guó)在這方面正在迎頭趕上。
??? (3)傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化??? 數(shù)字技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)。傳感器的數(shù)字化，不僅是提高傳感器本身多種性能的需要，而且是傳感器向智能化、網(wǎng)絡(luò)化更高層次發(fā)展的前提。
??? 近年來(lái)，傳感器的智能化和智能傳感器的研究、開(kāi)發(fā)正在世界眾多國(guó)家蓬勃開(kāi)展。智能傳感器的定義也在逐步形成和完善之中。目前較為一致的看法是：幾是具有一‘種或多種敏感功能，不僅能實(shí)現(xiàn)信息的探測(cè)、處理、邏輯判斷和雙向通訊，而且具有白檢測(cè)、自校正、白補(bǔ)償、自診斷等多功能的器件或裝置，可稱為“智能傳感器”(Interlligent Sensor)。按構(gòu)成模式，智能式傳感器有分：立模塊式和集成一體式之分。
??? 日前國(guó)內(nèi)外已較多出現(xiàn)一種組合一體化結(jié)構(gòu)傳感器。它把傳統(tǒng)的傳感器與其配套的調(diào)理電路、微處理器、輸出接口與顯示電路等模塊紐裝在同一殼體內(nèi)。因而，體積縮小，線路簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)更緊湊，可靠性和抗：1：擾性能大大提高。在今后一段時(shí)間內(nèi)，它將是傳統(tǒng)傳感器實(shí)現(xiàn)小型化和智能化而引人注目的發(fā)展途徑。
??? 行人預(yù)十L未來(lái)的10年，傳感器智能化將首先發(fā)展成由硅微傳感器、微處理器、微執(zhí)行器和接2：1電路等多片模塊組成的閉環(huán)傳感器系統(tǒng)。如果通過(guò)集成技術(shù)進(jìn)一步將上述多片相關(guān)模塊全部制作在一個(gè)芯片上形成單片集成，就可形成更高級(jí)的智能傳感器(詳見(jiàn)14．3)。
??? 傳感器網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)是隨著傳感器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)已嶄露頭角。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由眾多隨機(jī)分布的一組同類或異類傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)微型化和智能化的傳感器節(jié)點(diǎn)，都集成了傳感、處理、通信、電源等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)與環(huán)境信息的采集和處理，并可在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與外界之間進(jìn)行通信。這種具有強(qiáng)大集散功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)需要密布于目標(biāo)xi十象的監(jiān)測(cè)部位，進(jìn)行分散式巡視、測(cè)量和集中監(jiān)視。下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，將可能是瀏覽器技術(shù)與以太網(wǎng)相互融合，以實(shí)現(xiàn)smart傳感器和執(zhí)行器的集成2、91。未來(lái)的傳感器網(wǎng)絡(luò)將引入不久將面世的“光學(xué)集成系統(tǒng)”(微型集成光路)，其功能和速度會(huì)更加高超(見(jiàn)14．9)。
??? 在此，還將引入由敏感材料智能化引出的智能材料與結(jié)構(gòu)的概念。
??? 智能材料的概念首先由美國(guó)學(xué)者C A．Roger5提出。1989年，日本學(xué)者高木后直進(jìn)而提出’廠“將信息科學(xué)融人材料的物性和功能”的智能材料構(gòu)想。此后，日、美、西歐和世界各國(guó)爭(zhēng)先恐后地開(kāi)展了這方面的研究1：作。關(guān)于智能材料定義，國(guó)外最為流行的說(shuō)法是Petroki提出的：“將生命功能注入非生命或人工材料(或制品)構(gòu)成的集成化體系稱為智能材料，其中包括感知(Sensing)、驅(qū)動(dòng)(Actusting)和控制(Controling)材料或部件”。我國(guó)材料科學(xué)：家?guī)煱壕w院士則提出了如下表達(dá)式：Sens小g十Actuating＝Smart(靈巧)，Smartt：ontr，，1ing＝Intelligent；其中包括：：：種功能：①感知功能————能自身探測(cè)和監(jiān)控外界環(huán)境：條件變化；②處理功能—? 能評(píng)估已測(cè)信息，并利用已存儲(chǔ)資料作出判斷和協(xié)調(diào)反應(yīng)；③：行功能——一能依據(jù)—1：述結(jié)果提交驅(qū)動(dòng)或調(diào)節(jié)器進(jìn)行實(shí)施。
??? 目前，初步具有這種自監(jiān)側(cè)、白診斷、白適應(yīng)功能的智能材料與結(jié)構(gòu)，已被應(yīng)用于橋織隧道、大壩等：上建結(jié)構(gòu)的智能化“神經(jīng)”系統(tǒng)中；也有被埋設(shè)于飛機(jī)及航天裝置的機(jī)身、機(jī)：和發(fā)動(dòng)機(jī)等要害部位，使之具有如人體“神經(jīng)與肌肉組織”般的智能結(jié)構(gòu)，監(jiān)視自身的“健)狀態(tài)”。如美國(guó)，在F—嶼戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼設(shè)置的白診斷光纖干涉?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)，就是成功—例帥j?？梢灶A(yù)料未來(lái)的智能：I：程結(jié)構(gòu)將J’‘泛采用智能材料與結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用前景十—分廣陽(yáng)(詳見(jiàn)14．6)??? (4)研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生傳感器??? 大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師。生物界進(jìn)化到今天，我們?nèi)祟悜{借發(fā)達(dá)的智力，：需依靠強(qiáng)大的感官能力就能生存；而物競(jìng)天擇的動(dòng)物界，能擁有特殊的感應(yīng)能力，即功能；特、性能高超的生物傳感器才是生存的本領(lǐng)。許多動(dòng)物，因?yàn)榫哂蟹欠驳母袘?yīng)次聲波信號(hào)(能力，而使它們能夠逃避諸如火山爆發(fā)、地震、海嘯之類的滅頂之災(zāi)。其他如狗的嗅覺(jué)(靈5闊為人的1()“倍)；鳥(niǎo)的視覺(jué)(視力為人的8—50倍)；蝸蛹、飛蛾、海脈的聽(tīng)覺(jué)(主動(dòng)型少物；達(dá)——“超聲波傳感器)；蛇的接近覺(jué)(分辨力達(dá)o．OOl℃的紅外測(cè)溫傳感器)等等。這些動(dòng)4的感官性能，是當(dāng)今傳感器技術(shù)所企及的目標(biāo)。利用仿牛學(xué)、生物遺傳工程和生物電子學(xué)3術(shù)來(lái)研究它們的機(jī)理，研發(fā)仿生傳感器，也是十分引人注目的方向。
??? 綜—卜所述不難看出，當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著特征是，各學(xué)科之間在其前沿邊緣相又滲透，互相融合，從而催生出新興的學(xué)科或新的技術(shù)。傳感器技術(shù)也不例外；它iE不6融入其他相關(guān)學(xué)科的高科技，逐步形成自己的發(fā)展方向，孕育自己的新技術(shù)。所以，傳感4的發(fā)展，傳感器新技術(shù)的發(fā)展，必須走勺高科技相結(jié)合之路。