现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术, 它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理。目前, 信息传输与处理技术已取得突破性进展, 然而传感器的发展相对滞后。在今天信息时代, 各种控制系统自动化程度、复杂性以及环境适应性(如高温、高速、野外、地下、高空等)要求越来越高, 需要获取的信息量越来越多,它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求, 而且需求信号远距离传输。显然,传统的传感器已很难满足要求,发展集成化、微型化、智能化、网络化传感器将成为传感器技术的主流和方向。 传感器的集成化
传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器;或利用微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。前一种集成具体可分为三种类型:
(1)将多个功能相同的敏感元件集成在同一芯片上,检测被测量的线状、面状、甚至体状的分布信息,例如固态图像传感器(CCD阵列光敏器件,它不仅在自动化生产线上发挥“视觉”作用(例如纺织品质量检查及大规模集成电路图形检查等),而且在天文罗盘、星体跟踪、卫星遥感装置上也开始应用。
(2)将多个结构相似、功能相近的敏感元件集成在同一芯片上,在保证测量精度的扩大传感器的测量范围。例如将不同气敏元件集成在一起组成,利用各种气敏元件对不同气体的敏感效应,采用神经网络及模式识别等先进的数据处理技术,对混合气体的各组分同时监测,得到混合气体的有关信息,同时提高气敏传感器的测量精度。这种方式还可将不同量程的传感元件进行集成, 根据被测量的大小在各传感元件之间进行切换。
(3)将多个不同功能的敏感元件集成在同一芯片上,使传感器能测量不同性质的参数,实现综合检测。例如集成压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等不同功能敏感元件的传感器,能同时检测外界环境的物理特性或化学特性,从而实现多环境的多参数综合监测。
多传感元件集成具有以下优点:可使传感器检测由点到面甚至到体,从而实现信息多维化;若加上时序,变单参数检测为多参数检测。另一种集成可使传感器由单一的信号变换功能,扩展
为兼有放大、运算、补偿等功能。将硅单晶腐蚀成膜片作为压力敏感元件,在膜片上镀电极,对面为固定电极,构成一个压力敏感电容。压力作用使电容变化,在同一硅片上制作出输出信号放大电路。
显然,集成化将降低对单一传感器的性能要求,但在多敏感元件集成时,应充分考虑传感元件的性能互补性,电磁兼容性以及资源共享性等问题。
传感器微型化
八十年代末, 随着微电子技术高速发展和工艺成熟, 一种具有重大影响的核心技术─微电子机械加工技术(MEMT─Micro Electro─Mechanical Technology)已获取飞速发展, 为制作为传感器、微电子机械系统( 简称MEMS ) 创造了条件。
微传感器一般是指敏感元件的特征尺寸从几μm到几mm的这类传感器的总称, 它包括三种结构形式:1、微型传感器, 通常它是单一功能的简单传感器, 其敏感元件工艺一般与集成工艺兼容;2、具有微机械结构敏感元件的机电一体化的微结构传感器,如微电容加速度传感器,微谐振梁式压力传感器等,其制造工艺具有微机械加工特点;3、具有数字接口、自检、EPROM (CPU)、数字补偿和总线兼容等功能的微传感器系统。
微系统是指系统各部件的制造和部件组装成系统, 组装工艺均采用MEMT, 形成了微系统。包括各种微电子、微机械、微光学及各种数据处理单元。
微传感器和微系统具有划时代微小体积、低成本、高可靠等独特的优点。例如一个压力 湿度传感器芯片
成像微系统, 含有1024个微型压力传感器。传感器之间的距离为250μm, 每个压力膜片尺传感器技术发展动态与展望
寸为50μm*50μm, 整个膜片尺寸仅为10mm*10mm, 信号处理单元提供信号放大、零点校正, 所有这些部件均采用CMOS工艺集成在同一芯片上。
迄今为止, MEMS技术应用最为广泛的领域是汽车领域, 许多安全气囊的触发器都是采用MEMS加速度计, 新一代喷墨打印头以及用于测量血液流量的微型压力传感器均用MEMS工艺制作而成的。
传感器智能化、网络化
智能传感器系统采用微机械加工技术和大规模集成电路技术,利用硅作为基本材料制作敏感
元件、信号处理电路、微处理器单元,并把它们集成在一块芯片上, 故又称为集成智能传感器(Integrated Smart/ Intelligent Sensor)。
智能传感器系统具有自检测、自补偿、自校正、自诊断、远程设定、状态组令、信息储存和记忆等功能。
随着信息技术的发展,特别是计算机网络技术的不断进步, 对智能传感器的通信功能提出了新的要求。为了实现信息的采集、处理和传输的协同和统一,将计算机网络技术和智能传感器技术有机结合成为必要。智能传感器网络发展大致经历了三个阶段:第一代传感器网络是由传统传感器组成、点到点输出的测控系统,采用二线制4-20mA电流和1-5V电压标准,其缺点是布线复杂、抗干扰性差,虽然目前仍广泛应用,但最终将被淘汰。
第二代传感器网络是基于智能传感器的测控网络。信号传输方式与第一代基本相同, 随着现场采集的信息量不断增加。传统的通讯方式成为智能传感器发展的悠烤庇。在DCS ( Discrete Control System) 控制系统中, 数据通讯标准RS-232, RS-485等被广泛应用。但智能传感器与控制设备之间仍然采用传统的模拟电流或电压信号通讯。
第三代智能传感器网络, 即基于现场总线(Field Bus)的智能传感器网络。现代总线是连结智能化现场设备和控制室之间全数字式、开放式、双向通信网络,现场总线的不断发展和基于现场总线通讯协议的智能传感器广泛应用,使智能传感器的通信技术进入局部测控网络阶段,其局部测控网络通过网关和路由器可以实现与Internet/Intranet 相连。现场总线技术的发展最终将导致现场总线控制系统(FCS)取代传统的分散控制系统(DCS)。基于以太网802.3协议智能传感器功能框图如图3所示。
结论
传感器技术涉及多种学科:固体物理、材料科学、精密机械、微电子和计算机技术等。它凝聚着近代科学技术发展的最新成就。因此,我国科技工作者应结合国内传感器发展现状,瞄准国际传感技术研究动态,研制开发独具特的新一代传感器, 满足国内市场要求,同时开拓国际市场。这无疑对我国传感器的发展具有深远意义
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