国内外传感器现状及发展趋势..pdf

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1、1 引言2 正文2 1.传感器的开发2 1.1 气体传感器2 1.2 温度传感器5 2. 传感器的现状及发展趋势7 2.1 传感器发展的三个阶段7 2.2 我国传感器的现状8 2.3 传感器的发展方向与途径8 2.4 欧美传感器发展趋势9 2.5 传感器的宏观技术特点分析14 3.传感器的精度问题14 3.1 消除传感器零点误差和零点漂移的方法15 3.2 提供直流供电电源的稳定性方法15 3.3 统一和标准化保证传感器精度15 3.4 传感器的标校16 3.5 敏感元件的质量控制16 3.6 精度的结构防护技术16 3.7 传感器补偿技术17 4.传感器的品牌18 4.1 称重传感器18 4

2、.2 压力传感器18 4.3 流量传感器18 4.4 位移传感器19 4.5 温湿度传感器19 4.6 液位传感器19 4.7 传感器的一些竞争品牌20 4.8 中国的传感器基地20 2 引言 随着科学技术的发展, 检测技术巳应用于人类科研、生产、生活等活动中。检测技术既 是服务于其它学科的工具, 又是综合运用其它多门学科最新成果的尖端技术。因此检测技术 的发展是科学技术和生产发展的重要基础, 也是一个国家生产力发展和现代化程度的重要标 志。而研究检测技术的进步总是从检测的新方法与新对象来考虑。但不论是检测方法的更新 还是检测对象的扩展, 都与传感器的开发有着密切的联系, 也就是说检测技术的发

3、展, 如果离 开传感器的开发那是绝对不行的。 正文 1.传感器的开发 1.1 气体传感器 气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、 计算机等 利用的信息的装置，气体传感器通常是用来检测气体的类别、浓度和成分。 气体传感器的种 类很多，分类方法也各不相同。按气体传感器的材料分，可分为半导体型和非半导体型。应 用广泛的气体传感器有：半导体型气体传感器、固体电解质气体传感器、电化学传感器、光 学气体传感器等。 1.半导体型气体传感器 这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电阻型半导体气体传感 器和非电阻型半导体气体传感器。 1.1 电阻型半导体气体传感器

4、 电阻型半导体气体传感器是将气体浓度的变化转变成电阻值变化的一种传感器，典型的 电阻型半导体气体传感器材料是 322 ennOOFOZS、等因为这些材料存在气敏效应，当表 面吸附某种气体时会引起电导率的变化，作为传感器，还要求这种反应必须是可逆的。 电阻型半导体气体传感器中应用最广泛的是 2 nOS 气敏元件，其工作原理是 2 nOS 和空 气中电子亲和性大的气体发生反应形成吸附氧束缚晶体中的电子。使器件处于高阻状态，当 它与被测气体接触时，气体与吸附氧发生反应，元件表面电导增加，电阻减小。 2 nOS 气敏 元件制作时多采用烧结工艺。以多孔 2 nOS 陶瓷为基底材料，再添加不同的其他物质，

5、用制 陶工艺烧结而成。 烧结时埋入加热电阻丝和测量电极。此外，还有薄膜型与厚膜型两种工艺。 1.2 非电阻型半导体气体传感器 3 1.2.1 结型气体传感器 结型气体传感器又称气敏二极管。是利用气体改变二极管的整流特性，将金属与半导体 结合做成整流二级管，其整流作用来源于金属和半导体功函数的差异。随着功函数因吸附气 体而变化，其整流作用也随之变化。 1.2.2MOSFET 型气体传感器 气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变,这一特性如果发生在场 效应管的栅极 ,将使场效应管的阈值电压UT 改变。利用这一原理可以制成MOSFET 型气敏 器件。 氢气敏 MOSFET 是一种最典

6、型的气体传感器，它用金属钯（Pd）制成钯栅。在含有氢 气的气氛中由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面。最终导 致 MOSFET 的阈值电压UT 发生变化。使用时常将栅漏短接，可以保证MOSFET 工作在饱 和区，利用这一气敏器件可以测出氢气浓度。氢气敏MOSFET 在氢气浓度高时其灵敏度变 低，氢气浓度低时灵敏度则升高。 2.固体电解质气体传感器 这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池。 分为阳离子传导和阴离 子传导， 是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器。其机理 是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。稳定的

7、氧化锆固体电解质传感 器已成功地应用于钢水中氧的侧定和发动机空燃比成分测量等。 为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上蒸镀一层气体敏膜。把周围环 境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量联系起来。 3.接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器的工作原理是:气敏材料在通电状态下,温度约在300600,当 可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,燃烧热进一步使电热丝升温,从而使其电阻 值发生变化 ,测量电阻变化从而测量气体浓度。该种气体传感器的优点是对气体选择性好,受 温度和湿度影响小,响应快 ,已经被广泛应用在石油化工厂、矿井、浴室和厨房等处。目前接 触燃烧式气体传感器实

8、现规模生产的有H2、 LPG、 CH4 以及部分有机溶剂蒸气检测用产品。 该类传感器市场上一般以各类报警器的形式出现较多,但它们对低浓度可燃性气体灵敏度低, 敏感元件受催化剂侵害较严重。 4.光学式气体传感器 光学式气体传感器包括光谱吸收型、荧光型、 光纤化学材料型等类型。光谱吸收型荧光 型的原理是 :不同的气体物质由于其分子结构不同、浓度不同和能量分布的差异而有各自不 同的吸收光谱。 这就决定了光谱吸收型气体传感器的选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定 性。若能测出这种光谱便可对气体进行定性、定量分析。 目前已经开发了流体切换式、流程 直接测量式等多种在线红外吸收式气体传感器16,24 。在汽

9、车的尾气中,CO、CO2 和烃类物 4 质的浓度 ,以及工业燃烧锅炉中的有害气体SO2、NO2 都可采用光谱吸收型气体传感器来检 测。荧光型是指气体分子受激发光照射后处于激发态,在返回基态的过程中发出荧光。由于 荧光强度与待测气体的浓度成线性关系,荧光型气体传感器通过测试荧光强度便可测出气体 的浓度。光纤化学材料型气体传感器是在光纤的表面或端面涂一层特殊的化学材料,而该材 料与一种或几种气体接触时,引起光纤的耦合度、反射系数、有效折射率等诸多性能参数的 变化 ,这些参数又可以通过强度调制等方法来检测。例如:涂在光纤上的钯膜遇H2 时就会膨 胀,薄膜的膨胀可以通过测量干涉仪的输出光的强度来测得。

10、光谱吸收型的原理清楚,技术相 对成熟 ,是目前光学式气体传感器的市场主流。 5.石英谐振式气体传感器 石英谐振式气体传感器的气敏元件主要由石英基片、金电极和支架三部分组成。其电极 上涂有一层气体敏感膜,当被测气体分子吸附在气体敏感膜上时,敏感膜的质量增加,从而使 石英振子的谐振频率降低。由于谐振频率的变化量与被测气体的浓度成正比,故通过检测谐 振频率便可判断气体浓度大小7 。该传感器结构简单、灵敏度高,但只能使用在室温下工作 的气体敏感膜。 选取聚乙烯亚胺PEI(poly ethylene imine) 作敏感膜 ,该传感器对CO2 的气敏特 性、选择性都很好,对体积分数为50010-6 的

11、CO2 进行测试 ,其响应时间为5 s,恢复时间为 2 s。另外酞菁类聚合物也常被用来制成石英谐振式气敏元件。目前已经开发出可测试NH3、 SO2、HCl 、H2S、醋酸蒸气等气体的石英谐振式气体传感器,但产业化还需时日,尤其是选择 性还未得到根本解决。 6.表面声波气体传感器 表面声波气体传感器的发展历史很短,可谓是后起之秀。表面声波传播速度的影响因素 很多 ,例如 :环境温度、压力、电磁场、气体性质、固体介质的质量、电导率等。通过选择合 适的敏感膜来控制诸多影响因素中的一个因素起主导作用。当质量起主导作用时,表面声波 的振荡频率与气体敏感膜的密度成正比;当电导率起主导作用时,表面声波的振荡

12、频率与气体 敏感膜的电导率成反比。设计时,通常采用双通道延迟线结构来实现对环境温度和压力变化 的补偿。目前研究的该类气体传感器大多采用有机膜做气敏材料,主要有聚异丁烯、氟聚多 元醇等 ,被用来检测苯乙烯和甲苯等有机蒸气16,28;酞菁类聚合物薄膜被用来检测NO2 、 NH3 、CO、SO2 等气体 7。尽管该类气体传感器在实用化方面还存在许多问题,但它符合信 号系统数字化、集成化、高精度的方向,因此受到许多国家的高度重视。 7.气体传感器的发展方向 气体传感器的研究涉及面广、难度大,属于多学科交叉的研究领域。要切实提高传感器 各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。气敏材料的开发和

13、根据不同原理 进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。在综合气体传感器的国内外的研究未 来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。主要内容为: (1)气敏材料的进一步开发:一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料的敏感特性进一 5 步提高 ,尤其是通过选择不同的添加剂来改善同一基质材料对不同气体的选择性;另一方面充 分利用纳米、薄膜等新材料制备技术使气敏材料各方面的性能均得到大大改善,譬如 :纳米器 件比表面积大,有利于提高其灵敏度,大大降低使用温度,易于器件集成化,降低成本 ,便于使 用。 (2)新型气体传感器的开发和设计:根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型 气体传感器是

14、气体传感器未来发展的重要方向和后劲。近年来表面声波气体传感器、光学式 气体传感器、石英谐振式气体传感器等新型传感器的开发成功进一步开阔了设计者的视野。 目前仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想气敏 传感器 ,结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的”电子鼻”将是气体传感器发展的重要 趋势和目标之一。 (3)气体传感器传感机理的研究:新的气敏材料和新型传感器层出不穷,需要在理论上对 它们的传感机理进行深入研究。传感机理一旦明确,设计者便可有据可依地针对传感器的不 足之处加以改进,也将大大促进气体传感器的产业化进程。 (4)气体传感器的智能化:生产和生活日新月异的

15、发展变化对气体传感器提出了更高的 要求 ,气体传感器智能化是其发展的必由之路。纳米、薄膜技术等新材料制备技术的成功应 用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件30。气体传感器将在充分利用微机 械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模 糊理论等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字化的 智能气体传感器将是以后该领域的重要研究方向。 1.2 温度传感器 1.气体温度传感器 气体的状态方程为PV = nRT ，其中 P 为压力， V 为体积， n 为气体的摩尔量， R 为常数， T 为温度。如果其中一个量保持不变，测量另外

16、一个变量，然后第三个变量可以通过计算得 到。因此， 如果气体的摩尔量保持不变，温度可以通过测量压力计算出。简单的气体温度计 最早是 1952 年 Simon 使用的。它包括一个球形容器，并通过一毛细管连接至测量压力的规 管。这个气体温度计在低温下的测量结果非常准确。在高温下需要经过一些修正。在温度降 低的时候，外来体积的比例越来越小，因此修正值也越来越小。 2.蒸汽压力温度传感器 液体的饱和蒸汽压随温度的变化而表现出一定的关系，因此可以通过测量液体的饱和蒸 汽压推算出环境温度。 蒸汽压温度计的一个最大的优势是在其使用的温度范围内其灵敏度非 常高，适合于蒸汽压温度计的气体包括氧气、氮气、氢气和氦

17、气。这些温度计比较精确，可 以从临界点到三相点的温度区间内使用。因此，对于某些温度区间可能蒸汽压力温度计并不 6 适合。例如从40 K 至 50K ，这个温度区间比氖气的高，但比氧气和氮气的低。这些温度计 的响应时间比较迅速，并且其准确度不受离子束和磁场的影响。蒸汽压力温度计的准确度非 常高，常用来作为对其他温度计的标定。 3.金属电阻温度传感器 金属电阻温度传感器的原理是基于金属的电阻与温度之间的关系。一般来说， 金属的电 阻与温度成正比例方向的关系。根据 Mattheissen 定律，纯金属的总的电阻可以表示为:P = Po + P1。这里 P 是指总的电阻，P0 是本身的残余电阻，是不依

18、赖于温度，由材料本身的缺陷 或杂质引起的电子散射而产生的电阻。P1 是温度依赖的电阻。大约在20 K 以下，纯金属的 电阻只剩下残余电阻，而与温度关系不大。因此，在该温度范围内不能使用这种类型的电阻。 4.铂电阻温度传感器 铂电阻温度传感器是在20 K 至 800 K 温度范围内精确度高和重复性好的温度计。它具 有很多优势，例如，它的电阻与温度几乎呈线性。根据Lakeshore 的 PT 一 100 温度计的温 度、电阻曲线图。铂很容易获得较高的纯度，并且它的纯度在制造过程中可以重复。就像之 前所提到的，在20 K 以下，铂的灵敏度下降的非常快。在50K 以上的时候，具有相对较低 的磁场依赖性

19、。在65 K 以下温度继续增大。这些传感器也可以抵抗离子辐射的影响。 5.半导体电阻温度传感器 （1）锗温度传感器 锗温度传感器一小块单晶。其电阻随着温度的降低增长的非常快。锗温度传感器具有较 高的稳定性，在无磁场存在的条件下最适合于测量0. 05-30K 区间的温度。其测量的精度还 受锗中所掺杂的其他原子的影响，并且其可以抗离子辐射的干扰。 （2）碳电阻温度传感器 因为在低温下具有较高的灵敏度，所以碳电阻传感器广泛应用于低温测量。1952 年 Allen - Bradley 公司的 Clement 和 Quninell 首次推出了商业化的碳电阻温度传感器。从那时起， 碳 电阻温度传感器开始用

20、在1K 至 100K 之间的温区测用。随着温度的降低，碳电阻温度计的 电阻粗糙的上升， 其灵敏度也在增加，典型的碳电阻温度传感器在1K 时的电阻大约为1 千 欧。 碳电阻温度传感器的可重复性较差，在 4. 2K 经过热循环以后，其测温误差在2%左右。 如果需要进行精确测量，碳电阻温度传感器在每次热循环处理后都需要进行校正。在液氦温 度范围，经过几次热循环以后可以观察到电阻会上升2%。出现这种现象的原因是因为在经 过热冲击的时候，碳原子会发生重排。因为质量较轻，所以其温度响应时间短(在 4. 2K 时 10ms) 。 （3）碳 -玻璃电阻温度传感器 碳一玻璃电阻温度传感器是在碳电阻温度传感器基础

21、上发展起来的，具有更高的稳定性 和抗磁干扰性。 它是通过在高纯碳里添加了孔状的玻璃制备的，它的温度一电阻性能在很长 7 的温度区间内 (1 K-325K) 表现出一定的单调性。但是它在100K 以上的温度其灵敏度比较低 (0.01 欧 /K)，所以限制了它在高温区的使用。碳一玻璃电阻温度传感器在100K 以下的可重 复性非常高，并且其在10K 以下的灵敏度也非常高。通过一定的校正，碳一玻璃温度传感 器可以在高达20T 的强磁场中使用。 6.热电偶温度传感器 热电偶温度传感器广泛应用在不同温度的测量，它必须要进行实时校正，因为热偶的整 条线在有温差的环境中会对输出电压产生影响。不同的电线组成，

22、结点甚至拉伸力都会对温 度的显示产生影响。用于低温测量的温度计有很多种，最常用的热偶包括铜镍合金(T 型)， 其中镍的含量大约在10%;铬镍合金 (E 型)，其中镍的含量大约在10%;镍铬合金和镍铝合金 (K 型)等。 E 型热偶主要应用于3-1000K 温区的测量。在T 型和 K 型热偶中， E 型热偶最有 最高的灵敏度。 2.传感器的现状及发展趋势 2.1 传感器发展的三个阶段 传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。 （1）结构型传感器以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映 被测量的大小及变化。经常使用的方法是以传感器机构的位移或力的作

23、用使传感器产生电 阻、电感或电容等值的变化来反映被测量的大小。 （2）物性型传感器利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发 生变化 ,从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。例如,利用半导体材料在热辐射照射下 会产生各种光效应的特性可制成光敏电阻、光敏三极管等光敏元件。利用二氧化锡材料在某 些气体作用下 ,其阻值会发生变化的特性可以制成气敏元件。由于物性型传感器无可动部件, 灵敏度高 ,因此 ,可减少对被测对象的影响,从而能解决结构型传感器不能解决的某些参数及 非接触测量的问题,扩大了传感器应用领域。 （3） 智能型传感器把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器

24、。 它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功 能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了。 以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器 为核心 ,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功能、单一检测向 多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处理方向发展;从孤立元件向系统化、网 络化发展 ;从就地测量向远距离实时在线测控发展,它已成为传感器技术发展的主要方向之 一。 8 2.2 我国传感器的现状 我国传感器行业虽起步较早,但直到 1986 年“七五”开始才正式将传感器技术列入国家 重点攻关项目 ,展开以机械敏、力敏、气敏、温敏、

25、生物敏为主的5 大敏研究。经过十几年 的发展 ,现已形成了一定规模的产业格局,其特点有 : (1)厂商多 ,上规模的企业少。 (2)地区发展不平衡。 (3)品种多 ,档次不高。目前国内共有主要传感器产品1000 多种 ,国产敏感元器件950 种, 基本涵盖了信息采集的各种领域。但是,水平还处在国际80 年代末或90 年代初的水平。 (4)生产研发多以大学和研究所为依托,专业公司少。 当然 ,从 80 年代开始发展传感器技术至今,也取得了一些骄人的成绩,虽然规模有限但也 给了我们信心 ,看到前途的光明。 (1)综合实力得到加强目前全行业职工总数约42 万人 ,固定资产5 亿多元 ,共引进 50

26、多 条生产线与专用设备。传感器行业产值每年都以(1015)%的速率增长。 (2)拓宽了开发领域已经由过去的少数品种扩展到光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、 气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏、生物敏等各种传感器,以及变送器、二次仪表等多种 类、多形式产品,与国外研制领域相当。同时形成了近40 个院校、研究所的骨干科研队伍。 (3)扩大了生产规模热敏电阻器、 ZnO 压敏电阻器、可燃性气体传感器、光电二极管 等十几个品种已形成一定规模的生产能力。经过“九五”阶段的努力,已建成敏感技术国家 重点实验室 ,包括南北两部分(北方在北京中科院电子所,南方在上海冶金所)。此外 ,还建立了 传感器国家工程研究中

27、心,并形成了4 个生产基地 : (1)湿敏传感器。 主要以中科院新疆物理所和成都715 厂为主 ,年产量达到20003000 万 只,有少量出口。 (2)电压敏传感器。主要以西安无线电二厂为主,年产量 10002000 万只。 (3)集成霍尔开关。南京中旭微电子有限公司(从南京半导体总厂分出),生产能力3000 4000 万只 /年。 (4)石英谐振称重传感器。深圳清华传感设备有限公司,产值 1000 多万元。 产品以出口为 主。 2.3 传感器的发展方向与途径 1.发展方向 （1）向高精度方向发展随着自动化生产程度的不断提高,对传感器技术的要求也在不断 提高 ,必须研制出具有灵敏度高、精确度

28、高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生 9 产自动化的可靠性。 （2）向高可靠性、宽温范围发展传感器的可靠性直接影响到电子设备的性能。研制高可 靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。大部分传感器的工作范围都在-20 70 , 在军用系统中要求工作温度在-40 85 ,而汽车、 锅炉等场合对传感器的温度要求更高, 因此发展新兴材料(如陶瓷 )的传感器将很有前途。 （3）向微型化发展以往的传感器由于尺寸大,可以用经典物理知识很好地描述。微传感器 敏感元件的尺寸一般为微米级,所以随着传感器的微小型化,量子效应将越来越起支配作用。 在将来 ,把光波和电子波统一在一起的统一波将可以更好地揭示传

29、感器的工作规律。 （4） 向模糊识别方向发展从传感的模式看,微观信息由人工智能完成,感觉信息由神经元完 成,宏观信息由模糊识别完成。未来的传感器将突破零维、瞬间的单一量检测方式,在时间上 实现广延 ,空间上实现扩张(三维 ),检测量实现多元,检测方式实现模糊识别。 2.发展途径 传感器的核心部件是敏感元件,其作用是感受、检测未知量。开发新型传感器,其途径大 致有以下几个方面: （1）采用新材料由于材料科学的进步,新功能材料的开发将导致新的传感器的出现。半导 体材料研究的进展,促进了半导体传感器的迅速发展;光导纤维的问世,产生了各种光纤传感 器。 （2）采用新的加工方法随着生产工艺水平的不断提高

30、,新的加工方法不但使传感器的性能 指标得以提高 ,应用范围得以扩大,还可加工出原有工艺不能制造的新型传感器。采用集成工 艺和激光电阻微调技术,可制成集成温度传感器等。 （3）采用新的原理随着各相关学科的发展,人们对非电量转化为电学量的认识逐步加深, 它们之间新的转换关系必将导致新型传感器的产生。 （4）采用新的构思许多古老的原理或设计,在巧妙的构思下可以产生出新的传感器。对热 敏感的热敏电阻可做成温度传感器。也可把酶固定在电阻表面,用来检测酶反应中产生的热 量,根据酶反应的专一性,就可测定酶的底物的含量,从而做成各种酶热敏电阻生物传感器。 2.4 欧美传感器发展趋势 传感器技术是现代科技的前沿

31、技术，许多国家已将传感器技术与通信技术和计算机技术 列为同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。传感器技术作为国内外公认的具有 发展前途的高新技术，正得到空前迅速的发展，并且在相当多的领域被越来越广泛地利用。 目前，全世界约有40 个国家从事传感器的研制、生产和应用开发，研发机构达6000 余家，其中以美、 德、日、俄等国实力较强。 “ SENSOR + TEST ”传感器展览会与 “ SENSORS EXPO”传感器展览交流会是欧洲和北美地区最大和最专业的传感器和传感器系统集成展 会，汇集欧州与美国的绝大部分传感器与仪表制造厂商，其展出产品在很大程度上代表了当 10 前全球范围内先进传

32、感器的发展趋势。 2011 年的“ SENSOR + TEST ”传感器展览会和2012 年的“ SENSORS EXPO ”传感器 展出的传感器种类主要有:MEMS 传感器、光纤传感器、气体传感器和无线传感器等。从目 前各类传感器的应用领域范围和市场销售增长情况可以预测出:在未来10 年甚至更长的时 间， MEMS传感技术、光纤传感技术、气体传感技术及无线传感技术仍将是传感器领域的 发展重点，而且其应用将渗透各个领域。 （1）MEMS 传感器 MEMS ( micro electro mechanical systems) 技术是采用微制造技术，在一个公共硅片基础 上整合了传感器、机械元件、

33、执行器(actuator)与电子元件。MEMS通常会被看作是一种系 统单晶片（ SoC），它让智能型产品得以开发，并得以进人很多的次级市场，为包括汽车、 保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。MEMS 技术已被认为是21 世 纪最有前途的技术之一。 相对于传统的传感器，MEMS技术传感器具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可 靠性高、技术附加值高，适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点，这使得它们的应 用数量和范围大大扩大，国内外MEMS 厂商的数量在急剧增加，在航空航天、军事领域、 汽车领域等都得到了广泛的应用。 目前市场上的MEMS 传感器种类很多，包括惯性、压力、流量

34、、温度传感器等，其主 要应用领域包括军事、消费电子、汽车、航空、航天、医疗健康等。 美国飞思卡尔(Freescale)公司是用于汽车领域的MEMS 传感器的主要供应商，生产的产 品主要有 :MEMS 卫星压力传感器、MEMS 卫星加速度传感器、MEMS 惯性传感器和MEMS 低 g 传感器。 医疗健康领域的MEMS传感器主要包括:非接触式心电图测量传感器和惯性测量传感 器。其中， 研制非接触式心电图测量传感器的有英国普莱思( Plessey)公司， 主要采用非接触 的方式来测量人体心电图情况，例如， 可以将该传感器安装在椅子上，通过与衣服的接触来 测量人体心电图情况。研制惯性测量传感器的有美国

35、YEI 技术公司，主要可用于监测引起 关节损伤的撞击，具有高精确度、高可靠性和成本效益等优势。 用于航空航天领域的MEMS 传感器主要包括:MEMS 温度传感器、 MEMS 压力传感器、 MEMS 油液传感器、 MEMS 加速度传感器等。目前应用在航空航天的MEMS 压力传感器大 部分出自美国Kulite 公司和 AST 公司，主要用于机械液压系统、发动机/推进器、润滑油系 统、冷却系统等。Kulite 公司的压力传感器精度0. 1 % FS，可耐 500 一 600的高温。 AST 公司生产的压力传感器其精度士 0.25% BFSL, 稳定性小于 1 0. 25% FS(典型值 )。 MEM

36、S 传感器在消费电子领域中主要应用于运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机 界面、电源管理、GPS 增强 /盲区消除、速度/距离计数等方面。这些MEMS 传感器在很大 程度上提高了用户体验，并带来了全新的电子消费产品。其中加速传感器是该市场中第一大 11 应用产品。除此之外，陀螺仪也增长迅速，已经成为继加速度传感器后第二大应用产品。 MEMS传感器还可以用于机器控制、测量仪器、仪表等领域，主要用来测量压力和加 速度。其中应用在主动(制导 )悬浮系统的压力传感器主要出自美国SDM ( silicon designs MEMS ) ，该公司生产的MEMS 加速度传感器，具有耐高温、高性能的优势，

37、在高温环境下 可连接 100 m 以上的线缆，大大增加了产品的灵活性。除此之外，该公司生产的MEMS 加 速度传感器，具有小尺寸、轻体积，可在-55+125的环境下工作的优势。 根据电子产业市场研究与信息网路的资料，MEMS 传感器的平均年增长率高于20%， 并预计在2015 年超过 150 亿美元。 目前，国外 MEMS 传感器技术总体发展趋势是向提高精 度、全数字化电路及高可靠性方向发展，其应用领域正在不断得以拓展，非常值得关注。 MEMS传感器技术发展的主要方向有:多功能化 ;多传感器融合 ;开发新的架构 ;测试手段 的标准化 ;封装形式不断发展。 （2）光纤传感器 伴随着光导纤维和光纤

38、通信技术发展而出现的光纤传感器，其传感灵敏度要比传统传感 器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下工作，还可 以与光纤遥感、 遥测技术配合， 形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感技术是许多经 济、军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。 光纤传感器在航空工业应用的主要优势包括:不受电磁干扰/无线电频率干扰、抗腐蚀、 体积小、耐高温、高精度、本质安全等。 光纤传感器的应用领域非常广泛，主要应用于结构健康监测、热炉监测、 电力线路温度 监测、风速监测、大型发电机状态监测、飞机应变、火灾预警等多个应用领域。由于光纤传 感器在一些特

39、殊领域具有不可替代性，必将成为未来发展的热点，世界上已有多家传感器制 造商开始研发制造光纤传感器。 卢森堡 FiberSensing 公司的光纤传感器主要有光纤应变传感器、分布式光纤传感器、光 纤振动监测传感器、温度监测传感器和光纤式应变传感器。该公司生产的光纤应变传感器可 实现收敛性连续监测，并且无需在管道内安装电气设备，带有数据管理网络接口和多达100 个监测点，非常适用于结构健康监测;分布式光纤传感器用于电力线路温度监测，可以优化 电力分布网络， 实现高压架空线的下垂控制以及长距离多点温度测量，无需现场维护， 还可 以用于热炉监测，可实现每只温度传感器同时进行3 个测点的温度测量;光纤振

40、动监测传感 器利用光学引线和多路复用器，实现振动分析和报警;光纤温度传感器利用光学引线和分离 器，实现热分析和报警;光纤式应变传感器可以用于风速监测，该类传感器可以实现嵌人式 和表面安装，静态和动态应变均能实现高精度测量。 美国 Luna 检测公司、Luna 能源公司和LockheedMartin 公司联合研制了一种光纤分布式 应变传感系统。 该传感系统利用光频率反射计解调已经在光纤中心刻录的多路光栅传感器的 发射信号，进而实现飞机应变的实时在线监测。 12 加拿大 OZ 光学公司布里渊分布式温度传感器( DTS) 可用于火灾预警。该光纤温度传感 器是基于受激布里渊散射的原理制成的，具有精密的

41、光学传感系统。该光纤温度传感器具有 成本低、实时在线测量、多通道检测、空间分辨率优良、精度高等优点，其监测范围高达 100 km。除此之外，分布式温度传感提供了测量整条光纤温度变化的直接的方法。 未来光纤传感器市场发展潜力巨大，其技术发展的主要方向有:全光纤微型化;多参数、 实时化 ;阵列化、网络化;集成化、多功能化;高精度、实用化。 （3）无线传感器 无线传感器分为两种概念:无线传感模块和无线传感网络。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、 低功耗、 小体积的传感器节 点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络(WSN) 。无线传感网 络是一种开创了新的应

42、用领域的新兴概念和技术，广泛应用于战场监视、大规模环境监测和 大区域内的目标追踪等领域。 当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica 系列、 Telos, IRIS 和 Imote2 等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。在国 外， IZP(美国再生能源办公室工业技术计划)在 2002 年发布的报告21 世纪工业无线技术 中引用了总统科技顾问的断言:无线传感器可将能源利用率提高10%， 将能源损耗减少25 %。 无线传感器和无线传感器网络主要应用于航空航天、医疗健康、消费电子、汽车领域、 工业领域等。 德国 DS ( Dialog Semicon

43、ductor)公司 DECT ULE( 超低功耗 )标准的无线器件SmartPulse 套件已应用于消费电子。SmartPulse 套件是一组满足DECT ULE( 超低功耗 )标准的集成电路， 其中包括SC 14 WSMDATA 和 SCI4CVMDECT两款无线数据传感器，这两种芯片都可以只 用一节 3A 电池正常工作IO 年以上，另外，采用DECT ULE 标准的无线网络简单易用、安 装方便。其采用简单的星状结构，通过简单的网络即可实现全屋覆盖，可以自主配置， 不需 要消费者进行复杂的设置，无需网络规划，无干扰问题，广泛地应用于家庭自动化、健康护 理、能源监控等消费性应用领域。 美国飞思

44、卡尔(Freescale)公司研制的ZigBee 无线传感器已应用于智能家居。该芯片是全 球首个实现了集成标准ARM 内核和强大的32 位高速处理计算能力，内置Flash ,SRAM 和 ROM ，及 AD/DA转换等大量外围电路，IEEE802. 15. 4-ZigBee2006 高频电路和最新ZigBee 2007/PRO 协议栈。除此之外，该传感器功耗很低，使用普通AA 碱性电池，可以实现无线 传感器网络低功耗节点工作10 年无需更换电池。 未来，无线传感器和无线传感器网络将成为未来新型十大技术之首，其应用和发展将引 起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。无线传感器市场增长强劲，2

45、010 年为5 亿 3200 万美金，2011 年已达 7 亿 9000 万美金的规模。 此市场以复合年成长率( CAGR)43. 1% 扩大， 到 2016 年预计达到47 亿美金的规模。其中，所占市场份额最大的为工业领域，其次 13 为汽车和能源管理。 未来无线传感器技术的研究方向主要有:传感网络的无线互联;低功耗 ;无线传感模块对 信息的移动式采集;自供能源 ;寿命增加。 （4）气体传感器 气体传感器是以气敏器件为核心组成的、能把气体成分转换成电信号的装置。气体传感 器的基本性能是能按要求检测出气体的成分、浓度等参数，不受其他气体或物质的干扰;可 以重复多次使用，有较长的使用寿命和稳定性

46、;动态特性好等。 气体种类繁多， 性质各异， 因此，气体传感器种类也很多，按检测原理可分为电化学法、 电气法、光学法、化学法几类。 气体传感器主要用于在煤矿、石油、化工等领域，对煤气、天然气、液化气等可燃性气 体进行气体泄漏、浓度等实时在线监测，可早发现事故隐患，避免重大灾害的发生。 日本费加罗公司生产的催化燃烧式化学传感器，用于可燃气场所的监控与报警。该催化 燃烧式化学传感器可测量天然气、液化气、氢气、一氧化碳等气体的泄露情况，进而实现这 些气体的泄露报警控制。该生产的空气质量气体传感器也可用于可燃气的报警。该传感器属 N 型半导体类气体传感器，其主要成分是二氧化锡烧结体。当吸附还原性气体(

47、例如液化气、 天然气、氢气、一氧化碳、有机溶剂蒸汽等)时，电导率上升。当恢复到清洁空气中时，电 导率恢复。 TGS 传感器就是将这种电导率变化，以输出电压的方式取出，从而检测出气体 的浓度。 美国 EO ( Eleetro-Optics) 科技公司生产的气体传感器可用于空气质量监测。该传感器基 于激光散射原理， 可以无缝测量气溶胶粒子浓度和粒度分布，其测量对象为 :直径 10 一 10000 nm 的冷凝粒子。 荷兰爱万提斯(Avantes)公司研发的AvaRaman系列拉曼散射型气体传感器可用于环境监 测 。 该 系 列 传 感 器 共 有4 种 型 号 ， 分 别 为 :AvaRaman-

48、PRB , AvaRa-man-PRB-FP, AvaRaman-PRB-FIP, AvaRaman-PRB-FC ，其中 AvaRaman-PRB-FIP 传感器可承受200的高 温， AvaRaman-PRB-FC 传感器可承受500的高温和3000 psi 气压，极大地扩宽了气体传 感器的应用环境。 美国 AppliedSensor 公司研制的电化学式氢过程传感器已应用于航空航天领域，主要用 于检测飞机引擎盖下，发动机舱氢气泄漏以及氢燃料站氢气的泄漏等。该传感器具有高灵敏 度、快速响应时间、低功耗、长期稳定性和可靠性、长寿命、低交叉灵敏度等优点。 气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多

49、学科交叉的研究领域。未来，要切实提高 气体传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。综合气体传感器研究 现状和市场对气体传感器的需求情况，未来气体传感器技术发展的主要方向有:新气敏材料 与制作工艺的研究开发;新型气体传感器的研制;智能化气体传感器的发展;向低功耗、多功 能、集成化方向发展。 14 2.5 传感器的宏观技术特点分析 （1）传感器尺寸愈加减小、功耗及成本进一步降低 各种控制仪器设备的功能越来越强，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积 也是越小越好。 从国外发展趋势看，采用新型封装结构及其技术，建立 MEMS 封装单元库， 注重成本的新封装结构与MEMS 研发之间的进一步整合，成为另一个发展趋势。 （2）由器件级向系统级发展 展会展出的器件级产品较少，大部分都是系统级的，反映了主流的技术方向正在从单一 器件走向系统融合。 MEMS 本身具备有系统化的概念，由于 MEMS 制备工艺与CMOS 等工艺难以完全兼容， 封装的过程往往需要将MEMS 芯片与其他电路集成在一个封装体内，形成一定的功能，具 有系统级封装的内涵。 （3）智能化和多传感器融合趋势进一步发展 智能化是传感器的主要发展趋势之一，仅有信息检测能力的传感器将越来越不能满足应 用需求， 其发展趋势是传感器技术与通信技术、计算机