智能传感器及其发展趋势

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：所谓智能化传感器，就是将传感器获取信息的功能与微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起的传感器。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便的对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等；同时实现必要的自我诊断、自检测，以及通信与控制等功能。

近年来传感器技术发展的主要趋势表现在以下5个方面。

1.新材料、新功能的开发应用

近年来，在传感器技术领域，所应用的新型材料主要有以下几类。

（1）半导体硅材料

半导体硅材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等。由于硅材料具有相互兼容、优良的电学特性和机械特性，因此而采用硅材料研制出各种类型的硅微结构传感器。

（2）石英晶体材料

石英晶体材料包括压电石英晶体和熔凝石英晶体（又称石英玻璃），它具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性。同时，天然的石英晶体还具有良好的压电特性。因此，可采用石英晶体材料来研制各种微型化的高精密传感器。

（3）功能陶瓷材料

近年来，一些新型传感器是利用某些精密陶瓷材料的特殊功能来达到测量目的的，因此，探索一种材料的新功能或研究具有新功能的新材料，都对研制这类新型配方，制造出更多符合要求的功能材料意义重大。例如，气体传感器的研制，就可以用不同配方混合的原料，在精密调制化学成分的基础上，经高精度成型烧结而成为能对某一种气体进行识别的功能识别陶瓷，用以制成新型气体传感器。这种功能陶瓷材料的进步意义非常大，因为尽管半导体硅材料已广泛用于制作各种传感器，但它存在工作上限温度低的缺点，限制了其应用范围。按上述方法自由配方烧结而成的功能陶瓷材料不仅具有半导体材料的特点，而且其工作温度上限很高，大大拓宽了其应用领域。所以开发新型功能材料是发展传感器技术的关键之一。

此外，一些化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、形状记忆合金材料等在传感器技术中也得到了成功的应用。

2.微机械加工工艺的发展

传感器有逐渐小型化、微型化的趋势，这些为传感器的应用带来了许多方便。因IC制造技术发展起来的微机械加工工艺可使被加工的敏感材料的尺寸达到微米、亚微米级，并可以批量生产，从而制造出微型化且价格便宜的传感器。微机械加工工艺主要包括以下几类：

①平面电子加工工艺技术，如光刻、扩散、沉积、氧化、溅射等。

②选择性的三维刻蚀工艺技术，如各种异性腐蚀技术、外延技术、牺牲层技术、LIGA技术（X射线深层光刻、电铸成型、注塑工艺的组合）等。

③固相键合工艺技术，如Si-Si键合，它是通过对两个需要对接基片的表面进行活化处理，在室温下把两个热氧化硅片面对面地接触，再经一定温度退火即可使两硅片键合为一体。键合可以实现一体化结构，且强度、气密性好。

④机械切割技术，制造硅微机械传感器时，是把多个芯片制作在一个基片上，因此，需要将每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和产生残余应力。

⑤整体封装工艺技术，将传感器芯片封装于一个合适的腔体内，隔离外加干扰对传感器芯片的影响，使传感器工作在较理想的状态。

3.传感器的多功能化发展

一般的传感器多为单个参数测量的传感器，近年来，出现了利用一个传感器实现多参数测量的多功能传感器。例如，一种同时检测Na＋，K＋，H＋离子的传感器，可检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾病非常有意义。该传感器的尺寸为2.5mm×0.5mm×0.5mm，可直接用导管送到心脏内进行检测。

4.传感器的智能化发展

随着微处理器技术的进步，传感器技术正在向智能化方向发展，这也是信息技术发展的必然趋势。所谓智能化传感器，就是将传感器获取信息的功能与微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起的传感器。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便的对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等；同时实现必要的自我诊断、自检测，以及通信与控制等功能。

此外，近年来，一些专家、学者提出了模糊传感器、符号传感器等新概念。

5.传感器模型及其仿真技术

针对传感器技术的发展特点，传感器技术充分体现了综合性。涉及敏感元件输入/输出特性规律的参数越来越多，影响传感器输入/输出特性的环节越来越多。因此，分析、研究传感器的特性，设计、研制传感器的过程，甚至在选用、对比传感器时，都要对传感器的工作机理建立有针对性的模型和进行深入细致的模拟计算。

总之，近年来传感器技术得到了较快的发展，同时推动着各个领域的发展与进步。有理由相信：传感器技术的发展，必将为信息技术领域及其他技术领域的新发展、新进步带来新的动力和活力。

智能传感器及其发展趋势

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