传感器的发展趋势

0.5　传感器的发展趋势

（1）发现新效应，开发新材料、新功能

传感器的工作原理是基于各种物理的、化学的、生物的效应和现象；具有这种功能的材料谓之“功能材料”或“敏感材料”。显而易见，新的效应和现象的发现，是新的敏感材料开发的重要途径；而新的敏感材料的开发，是新型传感器问世的重要基础。

例如，约瑟夫逊（Josephson）效应——一种超导体超导电流的量子干涉效应的发现，导致多种超性能敏感器件的开发:利用直流约瑟夫逊效应研制成超导量子干涉器（SQUID），可用于测量诸如人体心脏和脑活动所产生的微磁场变化，分辨力高于10^-13T；利用交流约瑟夫逊效应研制的电压-频率（V-F）变换器，其精确度可达10^-8，且稳定性极高，不受环境温度、振动干扰，无漂移和老化；利用约瑟夫逊效应的热噪声研制的温度传感器，可测量10^-6K的超低温^［7］。

又如电流变（Electrorheologic，ER）效应——一种电流变材料（常态为液体，ERF）在外电场控制下能瞬间（μs、ms级）产生可逆性“液态-固态”突变，致使其粘度、阻尼、剪切强度等力学性能快速响应的现象。之后，利用这种ER效应开发的“电-机特性”转换元件，因其具有低能耗、快速响应、可逆性、无级柔性变换、无磨损、低噪声、长寿命等特点，并能将高速计算机的电指令直接转换成机械动作的操作过程，被誉为“有潜力成为电气-机械转换中能效最高的一种产品”。美国科学家称:“ER将会产生一场较当年半导体材料影响更大的技术革命”和“一系列的工业技术革命”。可见，电流变效应的研究和电流变材料的应用，具有十分巨大的发展潜力和十分诱人、令人鼓舞的前景^［49］。

还需指出，探索已知材料的新功能与开发新功能材料，对研制新型传感器来说同样重要。有些已知材料，在特定的配料组方和制备工艺条件下，会呈现出全新的敏感功能特性。例如，用以研制湿敏传感器的Al₂O₃基湿敏陶瓷早已为人们所知；近年来，我国学者又成功地研制出以Al₂O₃为基材的氢气敏、酒精敏、甲烷敏三种类型的气敏元件。与同类型的SnO₂、Fe₂O₃、ZnO基气敏器件相比，具有更好的选择性、低工作温度和较强的抗温、抗湿能力。这种开发已知材料新功能或多功能的成果绝非仅有，值得关注。

（2）传感器的多功能集成化和微型化

所谓集成化，就是在同一芯片上，或将众多同类型的单个传感器件集成为一维、二维或三维阵列型传感器；或将传感器件与调理、补偿等处理电路集成一体化。前一种集成化使传感器的检测参数实现“点→线→面→体”多维图像化，甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测，例如将多种气敏元件，用厚膜制造工艺集成制作在同一基片上，制成能检测氧、氨、乙醇、乙烯四种气体浓度的多功能气体传感器；后一种集成化使传感器由单一的信号转换功能，扩展为兼有放大、运算、补偿等多功能。高度集成化的传感器，将是两者有机地融合，以实现多信息与多功能集成一体化的传感器系统（详见第14章）。

微米/纳米技术的问世，微机械加工技术的出现，使三维工艺日趋完善，这为微型传感器的研制铺平了道路。微型传感器的显著特征是体积微小、重量很轻（体积、重量仅为传统传感器的几十分之一甚至几百分之一）。其敏感元件的尺寸一般为微米级。它是由微加工技术（光刻、蚀刻、淀积、键合等工艺）制作而成。如今，传感器的发展有一股强劲的势头，这就是正在摆脱传统的结构设计与生产，而转向优先选用硅材料，以微机械加工技术为基础，以仿真程序为工具的微结构设计，来研制各种敏感机理的集成化、阵列化、智能化硅微传感器。这一现代传感器技术国外称之为“专用集成微型传感器技术”ASIM（Application Specific Integrated Microtransducer）。这种硅微传感器一旦付诸实用，将对众多高科技领域——特别是航空航天、遥感遥测、环境保护、生物医学和工业自动化领域有着重大的影响。美国著名未来学家尼·尼葛洛宠帝预言:微型化电脑将在10年后变得无所不在，人们的日常生活环境中可能嵌满这种电脑芯片。届时，人们甚至可以将一种含有微电脑的微型传感器，像服药丸一样“吞”下，从而在体内进行各种检测，以帮助医生诊断。目前日本已研制出尺寸为2.5mm×0.5mm的微型传感器，可用导管直接送入心脏，可同时检测Na、K和H离子浓度^［7］。微传感器的实现和应用，最引起关注的还是在航空航天领域。如国外某金星探测器共使用了8000余个传感器。若采用微传感器及其阵列集成，不仅对减轻重量、节省空间和能耗有重要意义，而且可大大提高飞行监控系统的可靠性。正因为如此，最近美国在《新世纪展望——21世纪的空军和太空力量》的研究报告中，特别强调了微传感器对各种飞行器的重要性，并把它列入突出发展的计划付诸实施。我国在这方面正在迎头赶上。

（3）传感器的数字化、智能化和网络化

数字技术是信息技术的基础。传感器的数字化，不仅是提高传感器本身多种性能的需要，而且是传感器向智能化、网络化更高层次发展的前提。

近年来，传感器的智能化和智能传感器的研究、开发正在世界众多国家蓬勃开展。智能传感器的定义也在逐步形成和完善之中。目前较为一致的看法是:凡是具有一种或多种敏感功能，不仅能实现信息的探测、处理、逻辑判断和双向通讯，而且具有自检测、自校正、自补偿、自诊断等多功能的器件或装置，可称为“智能传感器”（Interlligent Sensor）。按构成模式，智能式传感器有分立模块式和集成一体式之分。

目前国内外已较多出现一种组合一体化结构传感器。它把传统的传感器与其配套的调理电路、微处理器、输出接口与显示电路等模块组装在同一壳体内。因而，体积缩小，线路简化，结构更紧凑，可靠性和抗干扰性能大大提高。在今后一段时间内，它将是传统传感器实现小型化和智能化而引人注目的发展途径。

有人预计未来的10年，传感器智能化将首先发展成由硅微传感器、微处理器、微执行器和接口电路等多片模块组成的闭环传感器系统。如果通过集成技术进一步将上述多片相关模块全部制作在一个芯片上形成单片集成，就可形成更高级的智能传感器（详见14.3）。

传感器网络化技术是随着传感器、计算机和通信技术相结合而发展起来的新技术，进入新世纪以来已崭露头角。传感器网络是一种由众多随机分布的一组同类或异类传感器节点与网关节点构成的无线网络。每个微型化和智能化的传感器节点，都集成了传感、处理、通信、电源等功能模块，可实现目标数据与环境信息的采集和处理，并可在节点与节点之间、节点与外界之间进行通信。这种具有强大集散功能的传感器网络，可以根据需要密布于目标对象的监测部位，进行分散式巡视、测量和集中监视。下一代传感器网络产品，将可能是浏览器技术与以太网相互融合，以实现smart传感器和执行器的集成^［49］。未来的传感器网络将引入不久将面世的“光学集成系统”（微型集成光路），其功能和速度会更加高超（见14.9）。

在此，还将引入由敏感材料智能化引出的智能材料与结构的概念。

智能材料的概念首先由美国学者C.A.Rogers提出。1989年，日本学者高木后直进而提出了“将信息科学融入材料的物性和功能”的智能材料构想。此后，日、美、西欧和世界各国争先恐后地开展了这方面的研究工作。关于智能材料定义，国外最为流行的说法是Petroki提出的:“将生命功能注入非生命或人工材料（或制品）构成的集成化体系称为智能材料，其中包括感知（Sensing）、驱动（Actuating）和控制（Controling）材料或部件”。我国材料科学家师昌绪院士则提出了如下表达式:Sensing＋Actuating＝Smart（灵巧），Smart＋Controling＝Intelligent；其中包括三种功能:①感知功能——能自身探测和监控外界环境或条件变化；②处理功能——能评估已测信息，并利用已存储资料作出判断和协调反应；③执行功能——能依据上述结果提交驱动或调节器进行实施。

目前，初步具有这种自监测、自诊断、自适应功能的智能材料与结构，已被应用于桥梁、隧道、大坝等土建结构的智能化“神经”系统中；也有被埋设于飞机及航天装置的机身、机翼和发动机等要害部位，使之具有如人体“神经与肌肉组织”般的智能结构，监视自身的“健康状态”。如美国，在F-15战斗机机翼设置的自诊断光纤干涉传感器网络，就是成功一例^［49］。可以预料未来的智能工程结构将广泛采用智能材料与结构，其应用前景十分广阔。（详见14.6）

（4）研究生物感官，开发仿生传感器

大自然是生物传感器的优秀设计师。生物界进化到今天，我们人类凭借发达的智力，无需依靠强大的感官能力就能生存；而物竞天择的动物界，能拥有特殊的感应能力，即功能奇特、性能高超的生物传感器才是生存的本领。许多动物，因为具有非凡的感应次声波信号的能力，而使它们能够逃避诸如火山爆发、地震、海啸之类的灭顶之灾。其他如狗的嗅觉（灵敏阈为人的10⁶倍）；鸟的视觉（视力为人的8～50倍）；蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主动型生物雷达——超声波传感器）；蛇的接近觉（分辨力达0.001℃的红外测温传感器）等等。这些动物的感官性能，是当今传感器技术所企及的目标。利用仿生学、生物遗传工程和生物电子学技术来研究它们的机理，研发仿生传感器，也是十分引人注目的方向。

综上所述不难看出，当代科学技术发展的一个显著特征是，各学科之间在其前沿边缘上相互渗透，互相融合，从而催生出新兴的学科或新的技术。传感器技术也不例外；它正不断融入其他相关学科的高科技，逐步形成自己的发展方向，孕育自己的新技术。所以，传感器的发展，传感器新技术的发展，必须走与高科技相结合之路。

习题与思考题

0-1　综述你所理解的传感器概念。

0-2　何谓结构型传感器？何谓物性型传感器？试述两者的应用特点。

0-3　一个可供实用的传感器由哪几部分构成？各部分的功用是什么？试用框图示出你所理解的传感器系统。

0-4　就传感器技术在未来社会中的地位、作用及其发展方向，综述你的见解。

【注释】

[1]现代生物医学证明，人类体内尚具有第六感觉——平衡觉，通过它，人们能够感知自身的姿势。

[2]在工程系统的电气简图中，传感器的图形符号可用正三角形（表示敏感元件）和正方形（表示转换元件）的组合图形来表示:（1）