智能传感器发展展望

现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，近百年来，传感器的发展大致经历了以下三个阶段；（1）传统的分立式传感器（含敏感元件）；（2）模拟集成传感器；（3）智能传感器。目前，国际上新型传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。一 传感器的分类1.传统的分立式传感器 该类传感器是用非集成化工艺制造的，仅具有获取信号的功能。2. 模拟集成化传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。模拟集成传感器是在20世纪80年代问世的，它是将传感器集成在一个芯片上、可完成测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成传感器的主要特点是功能单一（仅测量某一物理量）、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测量、控制，不需要进行非线性校准，外围电路简单。3. 智能传感器（Intelligent Sensor） 智能传感器（亦称数字传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能传感器系列产品。智能传感器内部都包含传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（cpu）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能传感器的特点是能输出测量数据及相关的控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。二 传感器的发展趋势科技以人为本，传感器的发展将依照现在及未来的需求向着更好地为人类服务的方向发展。传感器在未来的发展有几个大方向。1.智能化由于集成电路和芯片技术的发展，传感器装有微处理器，除执行信息处理和信息存储，还能够进行逻辑思考和对特殊情况作出判断并进行处理。当前的智能化传感器通常是融入一个或多个敏感元件、精密模拟电路、数字电路、微处理器（MCU）、通讯接口、智能软件，并将着一系列的硬件集成在一个封装组件内。智能化传感器在传输接口上满足IEEE145协议，这使得传感器具备数据采集、数据处理、数据存储、自诊断、自补偿、在线校准、逻辑判断、双向通讯、数字输出/模拟输出等功能，极大地提高了传感器的准确度、稳定性和可靠性。由于采用标准的数字接口，智能化传感器有着很强的互换性和兼容性。智能化传感器相对普通传感器的优势是不容质疑的，相信在未来智能化的传感器将会越走越远。2.多功能化传感器伊始只是对单一量的测量，在众多领域中单一的量不能准确客观地反映客观事物和环境。这就要求传感器对多种量进行测量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器兼具新一代的探测功能，它可以同时测量多种数值，从而对被测量体变化的测量更加精准。这种多功能的传感器应用范围更广泛。3.无线网络化随着通讯技术的发展、无线技术的广泛应用，无线技术也应用到传感器技术中来。比如水文观测中通过传感器收集到水文的信息，然后通过无线技术发送到集中控制平台，这样我们就可以在控制平台上监测到各个点的水文信息。在航天技术中我们通过卫星把传感器的采集数据发回地面，从而了解到到太空中的各种情况。4.微型化由于计算机技术的发展，辅助设计（CAD）技术和集成电路技术迅速发展，微机电系统（MEMS）技术应用于传感器技术，从而引发了传感器微型化。目前，几乎所有的传感器都在脱离传统的结构化生产设计，向基于计算机辅助设计（CAD）的模拟式工程化设计转变，从而体积越来越小，功能越来越强大，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。5.仿生学的应用仿生学的发展也促进了传感器的发展，这是一个新的发展方向。在2002年美国空军通过对毒蛇的仿生学研究开发微热型传感器。这种微热型传感器像毒蛇的热感系统一样，可以感知任何环境温度的变化。科技不是孤立的，一项技术的发展必定促进其他技术的发展。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的，世界各国都十分重视这一领域的发展。相信在不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。三 智能传感器的功能和特点1. 智能传感器的功能 智能传感器一般都有下列全部或部分功能：a.具有自校零、自标定、自校正；b.具有自动补偿功能；c.能够自动采集数据，并对数据进行预处理；d.能够自行进行检验、自选量程、自寻故障；e.具有数字存储、记忆与信息处理功能；f.具有双向通讯、标准化数字输出或符号输出功能；g.具有判断、决策处理能力。2. 智能传感器的特点与传统的传感器相比，智能传感器的特点是：a.精度高 智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如；通过自动校零去除零点误差；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行整体非线形等系统误差的校正；通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响；从而保证了智能传感器具有高精度。b.高可靠性与高稳定性 智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移，比如：温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移；在当被测参数变化后能自动改换量程；能实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）。因此，有多项功能保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。c.高信噪比与高分辨率 由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，将有用的信号提取出来；通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力，故智能传感器具有高的信噪比与分辨率。d.强的自适应性 由于智能传感器具有判断、分析和处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况、与上位计算机数据传输速率，使系统工作在最优低功耗状态和优化的传输速率。e.高的性能价格比 智能传感器所具有的上述高性能，不是象传统传感器技术那样为追求传感器本身的完善，对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过与微处理器/计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。所以具有高的性价比。四 智能化设计智能化设计是传感器传统设计理念中的一次革命，是世界传感器的发展趋势.传感器的智能化和任何其他事物一样有它的必然性，传感器：作为信息系统的最前端，它的特性好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要，但是长期以来与计算机技术的飞速发展相比传感器技术前进的步伐明显落后，由于采用传统的传感器技术设计和生产，使得传感器的性价比很低，据有关资料介绍，从1970年到1990年计算机的性价比提高了1000倍，而传感器的性价比只提高了3倍。然而，传统传感器技术已达到了技术极限，它的性价比不可能再有大幅度的提高。另外它在以下几个方面存在着严重的不足： 输入输出特性存在非线性，且随时间漂移； 参数易受环境条件变化的影响； 信噪比低，易受噪声干扰； 存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。随着工农业生产和科技事业的发展不仅对传感器的性能要求越来越高，而且对它的数量要求也越来越大，再用传统的方法设计和用作坊式的手工操作为主的生产，质与量均满足不了需求。一方面传感器大量的使用要求把传感器的成本降下来，另一方面传感器在各个领域的使用又要求把性能提上新台阶。只有智能传感器才能满足上述两方面的要求。现代传感器技术的发展趋势随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。1、新材料开发传感器材料是传感器技术的重要基础, 是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为传感器的发展提供了物质基础。例如,根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点,发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有机材料发展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密调配化学成分的基础上,经过高精度成型烧结,得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料,用于制成新型气体传感器。此外,高分子有机敏感材料,是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料,可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。传感器技术的不断发展,也促进了更新型材料的开发,如纳米材料等。美国NRC公司已开发出纳米ZrO2 气体传感器,控制机动车辆尾气的排放,对净化环境效果很好,应用前景比较广阔。由于采用纳米材料制作的传感器,具有庞大的界面,能提供大量的气体通道,而且导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展，随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。2、智能化发展80 年代发展起来的智能化传感器是微电子技术、微型电子计算机技术与检测技术相结合的产物，具有测量、存贮、通信、控制等特点。智能化传感器一般主要由主传感器、辅助传感器及微机硬件系统三大部分构成。也就是说,智能化传感器是一种带有微处理器的传感器,它兼有检测判断和信息处理功能。例如美国霍尼尔公司的ST - 3000 型传感器,是一种能够进行检测和信号处理的智能传感器,具有微处理器和存贮器功能,可测量差压、静压及温度等。又如一典型智能化压力传感器,其中主传感器为压力传感器,它的作用是用来测量被测压力参数的。20 多年来,智能化传感器有了很大的发展。近年来,智能化传感器开始同人工智能相结合,创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器,称为软传感器技术。它已经在家用电器方面得到利用,相信未来将会更加成熟。智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向。在今后的发展中,智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。我国的传感器行业经过近十年的引进、消化、吸收，现已形成一定规模的传感器生产能力。据有关部门统计全国敏感元件与传感器产品生产能力已超过亿只，总产量约1.5亿只，总产值约4亿元，总销售额3亿元左右。但是，与发达国家相比还有很大差距，主要表现在产品的质量、生产规模、市场开发、销售等方面。我国敏感元件与传感器的科研开发水平约落后发达国家510年；生产技术约落后1015年。进入21世纪，世界传感器市场将迅速发展。由1993年的130亿美元，发展到2000年后，市场规模将达343亿美元。其中，以半导体传感器为主流的各类固态传感器增长幅度很大，年增长率高达20以上；微传感器、微执行器约占总市场的40。据估计到2010年，我国敏感元件与传感器的科研生产综合实力将得到大幅度增强，传感器的总体研究水平将达到国际21世纪初水平，与国外差距缩短为35年。我们必须抓住机遇大幅度增强我国传感器研制和生产的综合实力，建立智能传感器高新技术产业，跟踪国际上发展的前沿技术，加强预研，突破关键技术，使产品质量、价格达到或接近国际同类产品水平。1.3传感器技术的作用和地位当今社会的发展,就是信息社会的发展。早在20世纪80年代,美国就认为世界已进入传感器时代,日本也将传感器技术列为十大技术之首。我国将传感器技术列为国家八五重点科技攻关项目,建成了“传感器技术国家重点实验室”、“微纳米国家重点实验室”、“国家传感器工程中心”等研究开发基地。而且MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业,它以其技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。2传感器技术的主要应用随着现代科技技术的高速发展,人们生活水平的迅速提高,传感器技术越来越受到普遍的重视,它的应用已渗透到国民经济的各个领域。2.1在工业生产过程的测量与控制方面的应用在工业生产过程中,必须对温度、压力、流量、液位和气体成分等参数进行检测,从而实现对工作状态的监控。诊断生产设备的各种情况,使生产系统处于最佳状7态,从而保证产品质量,提高效益。目前传感器与微机、通讯等的结合渗透,使工业监测自动化,更具有准确、效率高等优点。如果没有传感器,现代工业生产程度将会大大降低。2.2传感器在汽车电控系统中的应用随着人们生活水平的提高,汽车已逐渐走进千家万户。汽车的安全舒适、低污染、高燃率越来越受到社会重视。而传感器在汽车中相当于感官和触角,只有它才能准确地采集汽车工作状态的信息,提高自动化程度。汽车传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统。普通汽车上大约装有10-20只传感器,而高级豪华车有的使用传感器多达300个,因此传感器作为汽车电控系统的关键部件,它将直接影响到汽车技术性能的发挥。2.3在现代医学领域的应用社会的飞速发展,需要人们快速、准确地获取相关信息。医学传感器作为拾取生命体征信息的五官,它的作用日益显著,并得到广泛应用。例如:在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护监测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方面,使用传感器十分普及,现传感器在现代医学仪器设备中已无所不在。2.4在环境监测方面的应用近年来,环境污染问题日益严重,人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器,传感器满足了人们的要求。目前,已有相当一部分生物传感器应用于环境监测中,如大气环境监测。二氧化硫是酸雨雾形成的主要原因,传统的检测方法很复杂。现在将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,可对酸雨酸雾样品溶液进行检测,大大简化了检测方法。2.5在军事方面的应用传感器技术在军用电子系统的运用,促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信方面的智能化。传感器在远方战场监视系统、防空系统、雷达系统、导弹系统等方面,都有广泛的应用,是提高军事战斗力的重要因素。2.6在家用电器方面的应用80年代以来,随着以微电子为中心的技术革命的兴起,家用电器正向自动化、智能化、节能、无环境污染的方向发展。自动化和智能化的中心就是研制由微电脑和各种传感器组成的控制系统。如:一台空调器采用微电脑控制配合传感器技术,可以实现压缩机的启动、停机、风扇摇头、风门调节、换气等,从而对温度、湿度和空气浊度进行控制。随着人们对家用电器方便、舒适、安全、节能的要求的提高,传感器将越来越得到显著应用。2.7在学科研究方面的应用科学技术的不断发展,蕴生了许多新的学科领域,无论从宏观的宇宙,还是到微观的粒子世界,许多未知的现象和规律要获取大量人类感官无法获得的信息,没有相应的传感器是不可能的。2.8在智能建筑领域中的应用智能建筑是未来建筑的一种必然趋势,它涵盖智能自动化、信息化、生态化等多方面的内容,具有微型集成化、高精度与数字化和智能化特征的智能传感器将在智能建筑中占有重要的地位3。3传感器技术的发展展望科学技术的发展使得人们对传感器技术越来越重视,认识到它是影响人们生活水平的重要因素之一。因此对传感器的开发成为目前最热门的研究课题之一。传感器技术发展趋势可以从以下几方面来看。一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器;二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是通过传感器与其它学科的交叉整合,实现无线网络化。3.1开发新型传感器1传感器的工作机理是基于各种物理(化学或生物)效应和定律,由此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。3.2开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础,随着传感器技术的发展,除了早期使用的材料,如:半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维、纳米材料超导材料等相继问世。人工智能材料更是给我们带入了一个新的天地,它同时具有三个特征:能感知环境条件的变化(传统传感器)的功能;识别、判断(处理器)功能;发出指令和自采取行动(执引器)功能。随着研究的不断深入,未来将会有更多更新的传感器材料被开发出来。3.3集成化传感器的开发传感器集成化包含两种含义,一种是同一功能的多元件并列,目前发展很快的自扫描光电二极管列阵、CCD图象传感器就属此类。另一种含义是功能一体化,即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化,组装成一个器件。例如把压敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器。3.4多功能集成传感器多功能是指一器多能,即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数,如最第5卷第1期襄樊职业技术学院学报2006年第1期8近国内已经研制的硅压阻式复合传感器,可以同时测量温度和压力等。3.5智能传感器的开发智能传感器是将传感器与计算机集成在一块芯片上的装置,它将敏感技术和信息处理技术相结合,除了感知的本能外,还具有认知能力4。例如:将多个具有不同特性的气敏元件集成在一个芯片上,利用图像识别技术处理,可得到不同灵敏模式,然后将这些模式所获取的数据进行计算,与被测气体的模式类比推理或模糊推理,可识别出气体的种类和各自的浓度。3.6多学科交叉融合,推动无线传感器网络的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,是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,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,因此1999年和2003年美国商业周刊和MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中,分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。3.7加工技术微精细化5随着传感器产品质量档次的提升,加工技术的微精细化在传感器的生产中占有越来越重要的地位。微机械加工技术是近年来随着集成电路工艺发展起来的,它是离子束、电子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术,目前已越来越多地用于传感器制造工艺。例如,溅射、蒸镀等离子体刻蚀、化学气相淀积(CVD)、外延生长、扩散、腐蚀、光刻等。另外一个发展趋势是越来越多的生产厂家将传感器作为一种工艺品来精雕细琢。无论是每一根导线,还是导线防水接头的出孔;无论是每一个角落,还是每一个细节,传感器的制作都达到了工艺品水平。如日本久保田公司的柱式传感器,外加一个黑色的防尘罩,柱式传感器的底座一般易进沙尘及其他物质,而底座一旦进了沙尘或其他物质后,对传感器来回摇摆产生了影响,外加防尘罩后,显然克服了上述弊端。这个附件的设计不仅充分考虑了用户使用现场环境要求,而且制作工艺、外观非常考究。4传感器技术面临的桃战和机遇目前科技的快