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传感器发展通史简述

发布时间:2022-12-06阅读:846

 导读:传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱和物联网基础,其应用涉及国民经济及国防科研的各个领域,是国民经济基础性、战略性产业之一。当前倍受国际关注的物联网、大数据、云计算技术,乃至智慧城市中的各种技术实现,对于传感器技术的需求也是巨大。
美国首先进入传感器时代

 

科技,让人类的能力圈不断扩大。如果说,机械延伸了人类的体力,计算机延伸了人类的智力,那么,无处不在的传感器,大大延伸了人类的感知力。

早在20世纪80年代,美国就宣称世界已经进入了传感器时代。早在20世纪80年代初,美国就成立了国家技术小组(BGT),帮助政府组织和领导大公司、国有企业和机构的传感器技术的发展。在保护美国武器系统质量优势的关键技术中,有八项是被动传感器。2000年,美国空军列举了15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术,其中传感器技术排名第二。

美国的发展模式遵循先军工后民用、先改进后普及的发展道路,其特点是显著的:

(1)重视传感器功能材料的研究;

(2)重视传感器技术的发展。美国霍尼韦尔公司的固态传感器开发中心每年投资5000万美元在设备上,目前拥有计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器、分步重复摄影、自动喷漆。最先进的成套设备和生产设备。每三年左右更新n条线路,例如胶和光刻、等离子体蚀刻、溅射、扩散、外延、蒸发、离子注入化学气相沉积、扫描电子显微镜、封装和屏蔽动态测试。只有这样,才能保证技术的领先水平。

(3)重视工艺研究:传感器的原理不难,也不保密,最机密的是工艺(制造)。许多评价传感器不是一般的工业产品,而是完美的工艺杰作。在美国,大约有1300家生产和开发传感器的制造商,以及100多个研究所和学院。

传感器,不是 KOC 那种的新造词,而是一个非常传统的常用词汇,大家在新华词典中就可以轻松找到。英文称 Sensor 或是 Transducer。“传感器”在新韦式大词典中定义为:“从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。

简单来说,传感器就是一种检测装置,通常由敏感元件和转换元件组成,可以测量信息,也可以让用户感知到信息。通过变换方式,让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器技术发展经历的三个历史阶段

 

“传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣表明,人类在计算机的时代,解决了大脑的模拟问题,相当于用0和1实现了信息的数字化,利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代,开始模拟五官。

传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器,功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成,能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说,是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。

传感器的发展,最早是来自工业自动化的推动。

出于提高效率的目的,工业生产开始由中央控制室控制各个生产节点上的参量,包括流量、物位、温度和压力四大参数,催生了传感器的发展。这个趋势从上世纪70年代开始,到现在也是传感器应用最多的一种形式。

清华大学精密仪器系教授董永贵表示,在传感器这一概念“出现”之前,早期的测量仪器中其实就有传感器,只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以,中国在1980年以前,介绍传感器的教科书叫做“非电量的电测量”。

传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后,传感器从整套仪器系统中独立出来,单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。

传感器的发展经历了三个阶段:

第1代是结构型传感器,它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

第2代传感器是70 年代开始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。

70年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展, 出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如:电荷耦合器件(CCD),集成温度传感器AD 590,集成霍尔传感器UG 3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速,现已占传感器市场的2/ 3 左右,它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。

第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心,把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高,在传感器一级水平实现智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

目前国际上缺乏制定国际标准的准则与规范,尚未制定出权威性的传感器标准类型。只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。

物理传感器应用的是物理效应,将被测信号量的微小变化转换成电信号,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。化学传感器则是以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。近年来,出现了利用各种生物特性做成的生物型传感器,用以检测与识别生物体内化学成分。

例如,物理传感器有:声、力、光、磁、温、湿、电、射线等等;化学传感器有:各种气敏、酸碱PH值、离子化、极化、化学吸附、电化学反应等现象等等;生物传感器有:酶电极和介体生物电等等。在产品用途和形成过程中的因果关系互相咬合,既不能划分到物理类,也不能划分为化学类,难以严格划分。
另外,用传感器分类和命名方式,主要有以下几种类型:

(1)按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

(2)按传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。

(3)按照供电方式可分为有源或无源传感器。

(4)按其输出信号可分为模拟量输出、数字数字量输出和开关量传感器。

(5)按传感器使用的材料可分为:半导体材料;晶体材料;陶瓷材料;有机复合材料;金属材料;高分子材料;超导材料;光纤材料;纳米材料等传感器。

(6)按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。

(7)按照其制造工艺,可分为机械加工工艺;复合与集成工艺;薄膜、厚膜工艺;陶瓷烧结工艺;MEMS工艺;电化学工艺等传感器。

不过,“模拟人的五官”,只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的,还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉,包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉,从传感器的角度来看,大部分不是很成熟。

“视觉、听觉可认为是物理量,相对好一些,触觉就比较差一些,至于嗅觉及味觉,由于涉及到生物化学量的测量,工作机理比较复杂,远未达到技术成熟的阶段。”他说。

传感器的市场,其实是由应用推动的。比如,化学工业中,压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中,转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟,对汽车工业的需求拉动功不可没。

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