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传感器发展通史简述
发布时间:Monday 22nd of April 2024 05:24:12 PM 来源:AYX在线 作者:ayx最新官网下载

  早在20世纪80年代初,美国就成立了国家技术小组(BGT),帮助政府组织和领导大公司、国有企业和机构的传感器技术的发展。2000年,美国空军列举了15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术,其中传感器技术排名第二。

  (2)重视传感器技术的发展。美国霍尼韦尔公司的固态传感器开发中心每年投资5000万美元在设备上,目前拥有计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器、分步重复摄影、自动喷漆。最先进的成套设备和生产设备。每三年左右更新n条线路,例如胶和光刻、等离子体蚀刻、溅射、扩散、外延、蒸发、离子注入化学气相沉积、扫描电子显微镜、封装和屏蔽动态测试。只有这样,才能保证技术的领先水平。

  (3)重视工艺研究:传感器的原理不难,也不保密,最机密的是工艺(制造)。许多评价传感器不是一般的工业产品,而是完美的工艺杰作。在美国,大约有1300家生产和开发传感器的制造商,以及100多个研究所和学院。

  传感器,不是 KOC 那种的新造词,而是一个非常传统的常用词汇,大家在新华词典中就可以轻松找到。英文称 Sensor 或是 Transducer。“传感器”在新韦式大词典中定义为:“从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。

  简单来说,传感器就是一种检测装置,通常由敏感元件和转换元件组成,可以测量信息,也可以让用户感知到信息。通过变换方式,让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

  “传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣表明,人类在计算机的时代,解决了大脑的模拟问题,相当于用0和1实现了信息的数字化,利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代,开始模拟五官。

  传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器,功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成,能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说,是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。

  出于提高效率的目的,工业生产开始由中央控制室控制各个生产节点上的参量,包括流量、物位、温度和压力四大参数,催生了传感器的发展。这个趋势从上世纪70年始,到现在也是传感器应用最多的一种形式。

  清华大学精密仪器系教授董永贵表示,在传感器这一概念“出现”之前,早期的测量仪器中其实就有传感器,只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以,中国在1980年以前,介绍传感器的教科书叫做“非电量的电测量”。

  传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后,传感器从整套仪器系统中独立出来,单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。

  第1代是结构型传感器,它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

  第2代传感器是70 年始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。

  70年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展, 出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如:电荷耦合器件(CCD),集成温度传感器AD 590,集成霍尔传感器UG 3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速,现已占传感器市场的2/ 3 左右,它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。

  第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心,把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高,在传感器一级水平实现智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

  目前国际上缺乏制定国际标准的准则与规范,尚未制定出权威性的传感器标准类型。只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。

  物理传感器应用的是物理效应,将被测信号量的微小变化转换成电信号,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。化学传感器则是以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。近年来,出现了利用各种生物特性做成的生物型传感器,用以检测与识别生物体内化学成分。

  例如,物理传感器有:声、力、光、磁、温、湿、电、射线等等;化学传感器有:各种气敏、酸碱PH值、离子化、极化、化学吸附、电化学反应等现象等等;生物传感器有:酶电极和介体生物电等等。在产品用途和形成过程中的因果关系互相咬合,既不能划分到物理类,也不能划分为化学类,难以严格划分。

  (2)按传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。

  (5)按传感器使用的材料可分为:半导体材料;晶体材料;陶瓷材料;有机复合材料;金属材料;高分子材料;超导材料;光纤材料;纳米材料等传感器。

  (7)按照其制造工艺,可分为机械加工工艺;复合与集成工艺;薄膜、厚膜工艺;陶瓷烧结工艺;MEMS工艺;电化学工艺等传感器。

  不过,“模拟人的五官”,只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的,还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉,包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉,从传感器的角度来看,大部分不是很成熟。

  “视觉、听觉可认为是物理量,相对好一些,触觉就比较差一些,至于嗅觉及味觉,由于涉及到生物化学量的测量,工作机理比较复杂,远未达到技术成熟的阶段。”他说。

  传感器的市场,其实是由应用推动的。比如,化学工业中,压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中,转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟,对汽车工业的需求拉动功不可没。

  MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是指可批量制作的,集微型机械结构、微型传感器、微型执行器、通信等于一体的微型器件或系统。它体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高,适于批量化生产,易于集成和实现智能化,同时也能实现某些传统机械传感器所不能实现的功能。

  众所周知,由于敏感机理、敏感材料不同,加之工业现场环境、使用场景,以及被检测介质与个性化参数、结构等复杂性要求等特点,长期以来传感器一直处于多品种小批量生产状态,结合工艺技术的分散性、复杂性影响和设备装置价格昂贵等因素制约,业界称其生产过程为制造“工业工艺品”。各国工程技术人员围绕着工艺技术协同、融合,在产品规范化、性能归一化、功能集成化、结构标准化,以及工艺设备和工装夹具的产业化方面展开了长期的技术开发与创新,形成了一大批不同特色和特点的技术成果。

  在美国硅谷传感器领域,围绕着以MEMS工艺技术为基础,根据不同行业和功能的需求,展开的不同封装结构的各种传感器产品创新,已经持续了近25年,形成的千奇百怪、五花八门的各种类型传感器产品,应用领域不断扩展,得到了各行业的广泛认同与接受。

  正如硅谷MEMS工艺技术创始人丹尼斯先生所说:“20多年来,硅谷传感器产品一直都是围绕着以硅基材料为主体的MEMS芯片和不同行业领域的市场应用需求,开展不同结构形式的封装的产品竞争与创新”。因此,MEMS工艺技术是各种类型传感器的共性基础工艺技术,被业界称之为传感器创新源泉。2011年,美国行业认为MEMS工艺已经成熟,可以广泛推广应用,确立并形成了传感器产业围绕MEMS工艺技术和应用两大方向创新与突破:

  一是敏感机理创新与工艺突破。提高了MEMS工艺技术在材料与工艺结构等基础理论与应用水平,比如在晶体与非晶体、各种半导体材料应用;在硅-硅键合工艺、硅薄膜工艺、金属薄膜工艺等多个领域的工艺技术创新,大大提高了产品生产的微型化、低成本、复合型、集成度等产业化基础水平。

  二是智能化水平提高和应用创新。在多功能集成化、模块化构架、嵌入式能力、网络化接口等形成了创新与突破。极大地改善了产用难以对接的矛盾,搭建了生产制造与市场应用桥梁与技术通道,突破了行业在生产和应用长期形成的技术壁垒和发展瓶颈。同时也提高了各行业的产品自主选择和应用设计能力,大大刺激了应用需求,拓展了市场空间。

  四是重点推广应用领域的引领与带动作明显。如军事工业、装备制造、物流、生态环境监控(森林防控)、移动医疗、智能家居等。

  借助共性基础技术和工艺,建立生产可柔性化、工艺规范化、产品标准化的生产体系,寻找产品的配套市场,彻底改变技术和市场的孤岛化、碎片化问题是传感器产业化的关键之处。根据MEMS工艺技术和产品市场应用特点,温敏、声敏、力敏、光敏、气敏、磁敏、频率等7大类型产品符合产业化技术特点和市场规模化需求,可实现产业化规模生产。

  另外,以硅麦克风为代表的声敏传感器已经在国内外形成了十大主流特色品牌产品和商家(其中有瑞声、歌尔国内两家企业),实现了产业化规模生产;温、湿度传感器美国、德国、瑞士、日本、中国等国家都有规模化生产能力,在未来发展中温湿度将复合在其他物理量传感器之中,比如,力敏、磁敏可同时检测温湿度参数;频率含RF射频、毫米波等共性工艺技术接近、而参数、功能、应用差异较大的产品,可在同一厂家实现产业化。特别是在手机、智能交通、生物感知等应用领域具有爆发式增长,具有较大的力。射频器件95%仍是欧美厂商主导,甚至没有一家亚洲厂商进入。为了打破行业垄断现象,这将成为未来技术创新与竞争的焦点。

  与国外相比,我国传感器产业发展缓慢主要是认识上的差距所致。对传感器带有偏见和片面的认识,缺乏国家战略认识高度。由于传感器分属不同行业和部门,存在多头管理,在发展上难于取得共识,管理乱象,政策支持缺乏力度导致产业分散,产品不能成为系列化;1200多家企业中95%以上属于小微企业,一方面缺乏足够的人力、物力、工艺技术条件等资源配置,产业化基础薄弱;另一方面市场准入门槛过高,缺乏相应的应用开发和技术创新能力,产品整体技术水平和参数性能指标,特别是可靠性、稳定性指标与国外同类产品相比要低1~2个数量。


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