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11项新型传感器技术引领未来方向!

发布时间:2021-09-08
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当前,机器人、智能制造、智能交通、智慧城市以及可穿戴技术正在迅速发展,其对传感器需求广泛,要求传感器具备微型化、集成化、智能化、低功耗等特点。


随着微纳技术、数字补偿技术、网络化技术、多功能复合技术的进一步发展,新原理、新材料、新工艺不断涌现,新结构、新功能层出不穷。


在物联网行业的推动下,传感器行业的年增长率更是远高于国内其他行业的平均水平。



1、采用新原理、新效应的传感技术


基于各种物理、化学、生物的效应和定律,继力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后,开发具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件,并以此研制新型传感器,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。


例如在军事医学领域,利用酶电极选择性好、灵敏度高、响应快的特点研发生物传感器,能及时快速检测细菌、病毒及其毒素等,实现生物武 器的有效防菌。


还有利用量子力学中的有关效应,可设计、研制量子敏感器件,像共振隧道二极管、量子阱激光器和量子干涉部件等。这些元器件具有高速(比电子敏感器件速度提高1000倍〕、低耗(比电子敏感器件能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可靠等优点。


而纳米电子学的发展,也正在传感技术领域中引起新的技术革命。利用纳米技术制作的传感器,尺寸减小、精度提高、性能大大改善,纳米传感器是站在原子尺度上,从而极大地丰富了传感器的理论,推动了传感器的制作水平,拓宽了传感器的应用领域。


2、传感器微型化和芯片化技术


微机电系统(MEMS)是集微机构、微传感器、微执行器、控制电路、信号处理、通信、接口、电源等于一体的微型系统或器件,是对微/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。


MEMS技术包括:硅微机械加工技术、深反应离子刻蚀、LIGA技术、分子装配技术、体微加工、表面微加工、激光微加工和微型封装技术等。


硅微机械加工工艺是MEMS主流技术,它是一种精密三维加工技术,是研制传感器、微执行器、微作用器、微机械系统的核心技术,已成功用于制造各种微传感器以及多功能的敏感元阵列。如微硅电容传感器、微硅质量流量传感器,航空航天用动态传感器、微传感器,汽车专用压力、加速度传感器,环保用微化学传感器等。


深反应离子刻蚀(DRIE)是MEMS结构加工的重要工序之一,主要用于多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜及金属膜的刻蚀,属一种微电子干法腐蚀工艺。


LIGA技术即光刻、电铸和注塑,是利用深度X射线刻蚀,通过电铸成型和塑料铸模,形成深层三维微结构的方法。


同时,为了适应MEMS技术的发展,现已开发了许多新的MEMS封装技术和工艺,如阳极键合、硅熔融键合、共晶键合、倒装芯片焊接(FCB)技术、单芯片封装(SCP)和多芯片组件(MCM)等。


多芯片组件(MCM)是电子封装技术的一大突破,属于系统级封装。MCM把两个及以上的IC/MEMS芯片或CSP组装在一块电路板上,构成功能电路板,即多芯片组件,为组件中的各个芯片(构件)提供信号互连、I/O管理、热控制、机械支撑和环境保护等。


3、传感器阵列和多传感参数复合的集成技术


集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺,如压力、静压、温度三变量传感器,气压、风力、温度、湿度四变量传感器,微硅复合应变压力传感器,阵列传感器。



集成化是指多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成。如压力、静压、温度三变量传感器;气压、风力、温度、湿度四变量传感器;微硅复合应变压力传感器和阵列传感器等,都使用了集成技术。


日本丰田研究所开发出同时检测Na+. K*和H*等多离子传感器。这种传感器的芯片尺寸 为2.5 mm *0. 5 mm,仅用一滴血液即可同时快速检测出其中Na \ K*、的浓度,适用于 医院临床,使用非常方便。


催化金属栅与MOSFET相结合的气体传感器已广泛用于检测氧、氨、乙醇、乙烯和一氧 化碳等。


传感器集成化有两种:一种是通过微加工技术在一个芯片上构建多个传感模块,组成线性传感器(如CCD图像传感器);另一种是将不同功能的敏感元器件制作在同一硅片上,制成集成化多功能传感器,集成度高、体积小,容易实现补偿和校正。


微加工技术和精密封装技术对传感器的集成化有重大的影响。


4、传感器数字化和智能化技术


数字传感器包括调节和处理信号的电路及一个网络通讯的界面。它们通常以模块形式制成,包含传感器、DSP(数字信号处理器)、DSC(数字信号控制器)或ASIC(特定用途集成电路),另外也有以系统封装或系统芯片的方式制成。用于驱动数字输出的电子元件通常有三种:机械继电器、晶体管和双向FET器件。


智能化传感器是一种带微处理器的传感器,它兼有检测、判断和信息处理功能。其典型产 品如美国霍尼尔公司的ST-3000型智能传感器,其芯片尺寸为3 mm x4 mm x2 mm,采用半 导体工艺,在同一芯片上制作CPU - EPROM和静压、压差、温度等三种敏感元件。


智能传感器,采用单片微机进行信息处理,诸如补偿、频倍(细分)和数字转换等硬件线路均可软件化。智能传感器能适应被测参数的变化来自动补偿、自动校正、自选量程、自寻故障,配有数字输出,实现双向通信,且具有较强的环境适应性。


智能传感器的典型代表是高性能的智能工业变送器。如日本横河电机的EJA系列智能变送器,ABB公司的MV2000T系列多功能差压/压力变送器,Rosemount公司的3095MV多参数质量流量变送器,分别采用硅谐振传感器、复合微硅固态传感器和高精度电容传感器作为敏感元件,精度达到0.1075%,具有很高的稳定性和可靠性,十年内不用调零。


5、传感器的强环境适应性技术


从汽车到工业,从医疗到航空航天,从家电到测试和测量,很多行业应用都对传感器的环境适应性要求颇高。传感器产品的强环境适应性测试包括电气安全实验、失效分析实验、腐蚀性气体实验、环境性能实验、材料实验等。


传感器封装材料与技术的进步,使得传感器的环境适应能力越来越强。


金属基复合材料封装(AI/Si Cp),通过改变增强体的种类、排列方式或改变基体的合金成分,或改变热处理工艺等,来实现材料的物理性能设计;或者通过改变热处理工艺,来改变基体与增强体的界面结合状况,进而影响材料的热性能。该类材料热膨胀系数较低,既能做到与电子元器件材料的热膨胀系数相匹配,又具有高导热性和低密度。


塑料封装90%以上使用环氧树脂,具有大规模生产、可靠性与金属或陶瓷材料相当的优点。经过硫化处理的环氧树脂还具有较快的固化速度、较低的固化温度和吸湿性、较高的抗湿性和耐热性等特点。


陶瓷封装是用粘接剂或焊料将一个或多个芯片安装在陶瓷底板或管座上,采用倒装焊方式与陶瓷金属图形层进行键合,再对封装体进行封盖密封,同时提供合适的电气连接。陶瓷具有很高的杨氏模量、较高的绝缘性能和优异的高频特性,有良好的可靠性、可塑性且易密封,其线性膨胀系数与电子元器件的非常相近,化学性能稳定且热导率高,被用于多芯片组件、焊接阵列等封装中。


6、无线传感器网络技术(WSN)


无线传感器网络(WSN),是由大量静止或移动的具有感知、无线通信与计算能力的传感器构成的多跳自组织网络系统,能根据环境自主完成指定任务。大量传感器通过网络构成分布式、智能化信息处理系统,从多种视角、以多种模式协作地对网络覆盖区域内的事件、现象和环境实时进行监测、感知、采集、分析,获得丰富的、高分辨率的信息,并对这些信息进行处理和传输,发送给观察者。


传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。WSN包含传感器单元、控制器和无线通信模块,实现数据采集、近距离通信、数据计算和远距离无线通信等功能。


WSN综合了传感器技术、嵌入式操作系统技术、分布式信息处理技术、无线通信技术、能量收集技术、低功耗技术、多跳自组织网络的路由协议、定位技术、时间同步技术、数据融合和数据管理技术、信息安全技术、网络传输技术,关键是克服节点资源限制(能源供应、计算及通信能力、存储空间等),并满足传感器网络扩展性、容错性等要求。


7、传感器数字通信总线技术


现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术。


安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线,是一种全数字化、开放式、双向传输、多分支、多站的通信系统,是现场通信网络和控制系统的集成。



基于现场总线的智能传感技术简图


现场总线的关键标志是支持全数字通信,在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路,实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信,把单个分散的智能传感器变成网络节点。


现场总线智能传感器需有以下功能:共用一条总线传递信息,具有多种计算、数据处理及控制功能,从而减少主机的负担;取代4-20mA模拟信号传输,实现传输信号的数字化,增强信号的抗干扰能力;采用统一的网络化协议,成为FCS的节点,实现传感器与执行器之间信息交换;系统可对之进行校验、组态、测试,从而改善系统的可靠性;接口标准化,具有即插即用特性。


现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表。


8、开发新材料


传感器材料是传感器技术的重要基础,由于材料科学的进步,人们在制造时,可任意控制 它们的成分,从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。


例如,半导体氧化物可以制造各种气体传感器,而陶瓷传感器工作温度远高于半导体,光导纤维的应用是传感器材料的重大突 破,用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究,引起国 内外学者的极大兴趣。


9、 采用微细加工技术


半导体技术中的加工方法,如氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以 及蒸镀、溅射薄膜工艺都可用于传感器制造,因而制造出各式各样的新型传感器。例如,利用 半导体技术制造出压阻式传感器,利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器,日本横 河公司利用各项异性腐蚀技术进行高精度三维加工,在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等,制作 出全硅谐振式压力传感器。


10、仿生传感器研究


值得注意的一个发展动向是仿生传感器的研究,特别是在机器人技术向智能化高级机器人 发展的今天。仿生传感器就是模拟人的感觉器官的传感器,即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉 传感器、味觉传感器、触觉传感器等。


目前只有视觉与触觉传感器解决的比较好,其他几种远 不能满足机器人发展的需要。也可以说,至今真正能代替人的感觉器官功能的传感器极少,需 要加速研究,否则将会影响机器人技术的发展。


11、传感器的应用技术


传感器的应用技术包括:信号处理和接口技术;降噪与抗干扰技术;位移、力、扭矩、荷重、速度、加速度等机械量的检测技术;温度、压力、流量、物位等过程量的检测技术;智能化与自动测试技术;红外、超声波、微波探测防盗报警器的安装技术等等。


对于消费类应用来说,传感器融合的主要技术难度是如何控制产品的尺寸,合理测试每个传感器的性能,控制整个芯片的良品率并降低成本。


对于工业、军工、汽车、医疗等领域的传感器融合来说,还要考虑如何保证在各种工作情况下的精度、可靠性,利用融合的特性来实现传感器之间的补偿校正等。目前已有不少厂商正尝试研发与薄膜电池、微处理器(MCU)、ASIC、无线通讯功能整合的多重传感设备,而低功率无线电、能源收集、巨量资料处理以及资料安全都是技术上的挑战。


传感器电路的内部噪声包括电路板电磁元件干扰、低频、高频热、半导体器件散粒晶体管、电阻器、集成电路噪声等,外部干扰包括电源、地线、长线信号传输、空间电磁波等。因此,在电路设计中需要根据不同的工作频率合理选择低噪半导体元器件,并根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路。


结语:


传感器是当前中国亟需突破的重点产业之一,传感器应用无处不在,直接关系到我国国防、经济和社会安全。相信通过对生物智能传感器等前沿关键技术联合攻关,抢占产业发展主导权,能加速缩小我国与国外传感器技术的差距。



文章来源: 华秋商城,韦克威科技

原文链接:https://www.xianjichina.com/special/detail_496180.html
















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