傳感器的發(fā)展趨勢

(1)發(fā)現(xiàn)新效應，開發(fā)新材料、新功能傳感器的工作原理是基于各種物理的、化學的、生物的效應和現(xiàn)象；具有這種功能的材料謂之“功能材料”或“敏感材料”。顯而易見，新的效應和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是新的敏感材料開發(fā)的重要途徑；而新的敏感材料的開發(fā)，是新型傳感器問世的重要基礎。
??? 例如，約瑟夫遜(J05ePhson)效應——一種超導體超導電流的量子干涉效應的發(fā)現(xiàn)，導致多種超性能敏感器件的開發(fā)：利用直流約瑟夫遜效應研制成超導量子干涉器(SQUID)，可用于測量諸如人體心臟和腦活動所產生的微磁場變化，分辨力高于10—l’T；利用交流約瑟夫遜效應研制的電壓—頻率(V—F)變換器，其精確度可達10—8，且穩(wěn)定性極高，不受環(huán)境溫度、振動干擾，無漂移和老化；利用約瑟夫遜效應的熱噪聲研制的溫度傳感器，可測量lo—‘K的超低溫[71。
??? 又如電流變(E1ectrorhe010gic，ER)效應——一種電流變材料(常態(tài)為液體，ERF)在外電池制下能瞬間(fls、ms級)產生可逆性“液態(tài)—固態(tài)”突變，致使其粘度、阻尼、剪切強度等力學性能快速響應的現(xiàn)象。之后，利用這種ER效應開發(fā)的“電—機特性”轉換元件，因其具有低能耗、快速響應、可逆性、無級柔性變換、無磨損、低噪聲、長壽命等特點，并能將高速計算機的電指令直接轉換成機械動作的操作過程，被譽為“有潛力成為電氣—機械轉換中能效最高的一種產品”。美國科學家稱：“ER將會產生一場較當年半導體材料影響更大的技術革命”和“一系列的工業(yè)技術革命”。可見，電流變效應的研究和電流變材料的應用，具有十分巨大的發(fā)展?jié)摿褪终T人、令人鼓舞的前景[d91。
??? 還需指出，探索已知材料的新功能與開發(fā)新功能材料，對研制新型傳感器來說同樣重要。有些已知材料，在特定的配料組方和制備工藝條件下，會呈現(xiàn)出全新的敏感功能特性。例如，用以研制濕敏傳感器的AlzOz基濕敏陶瓷早已為人們所知；近年來，我國學者又成功地研制出以A1202為基材的氫氣敏、酒精敏、甲烷敏王種類型的氣敏元件。與同類型的5n()2、Fe2Q、ZnO基氣敏器件相比，具有更好的選擇性、低工作溫度和較強的抗溫、抗?jié)衲芰Α＿@種開發(fā)已知材料新功能或多功能的成果絕非僅有，值得關注。
??? (2)傳感器的多功能集成化和微型化??? 所謂集成化，就是在同一芯片上，或將眾多同類型的單個傳感器件集成為一維、二維或三維陣列型傳感器；或將傳感器件與調理、補償?shù)忍幚黼娐芳梢惑w化。前一種集成化使傳感器的檢測參數(shù)實現(xiàn)“點一線一面i體”多維圖像化，甚至能加上時序控制等軟件，變單參數(shù)檢測為多參數(shù)檢測，例如將多種氣敏元件，用厚膜制造工藝集成制作在同一基片上，制成能檢測氧、氨、乙醇、乙烯四種氣體濃度的多功能氣體傳感器；后一種集成化使傳感器由單一的信號轉換功能，擴展為兼有放大、運算、補償?shù)榷喙δ堋８叨燃苫膫鞲衅鳎瑢⑹莾烧哂袡C地融合，以實現(xiàn)多信息與多功能集成一體化的傳感器系統(tǒng)(詳見第14章)。
??? 微米／納米技術的問世，微機械加工技術的出現(xiàn)，使三維工藝日趨完善，這為微型傳感器的研制鋪平了道路。微型傳感器的顯著特征是體積微小、重量很輕(體積、重量僅為傳統(tǒng)傳感器的幾十分之一甚至幾百分之一)。其敏感元件的尺寸一般為微米級。它是由微加工技術(光刻、蝕刻、淀積、鍵合等工藝)制作而成。如今，傳感器的發(fā)展有一股強勁的勢頭，這就是正在擺脫傳統(tǒng)的結構設計與生產，而轉向優(yōu)先選用硅材料，以微機械加工技術為基礎，以仿真程序為工具的微結構設計，來研制各種敏感機理的集成化、陣列化、智能化硅微傳感器。這一現(xiàn)代傳感器技術國外稱之為“專用集成微型傳感器技術”ASIM(Appl5cation Speci價InteRrated Microtransducer)。這種硅微傳感器一旦付諸實用，將對眾多高科技領域——特別是航空航天、遙感遙測、環(huán)境保護、地物醫(yī)學和I：業(yè)自動化領域有著重大的影響。美國著名未來學家尼。尼葛洛寵帝預言：微型化電腦將在10年后變得無所不在，人們的日常生活環(huán)境中可能嵌滿這種電腦芯片。屆時，人們甚至可以將一種含有微電腦的微型傳感器，像服藥丸一樣“吞”下，從而在體內進行各種檢測，以幫助膜生診斷。目前日本已研制出尺寸為2．5nlm×()．5mm的微型傳感器，可用導管直接送入心臟，可同時檢測Na、K和H離子濃度yI。微傳感器的實現(xiàn)和應用，最引起關注的還是在航空航天領域。如國外某金星探測器共使用了8000余個傳感器。若采用微傳感器及其陣列集成，不僅對減輕重量、噴收間和能耗有重要意義，而且可大大提高飛行監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。正因為如此，最近美國在《新世紀展望? —21世紀的空軍和太空力量》的研究報告中，特別強調了微傳感器對各種6行器的熏要性，并把它列入突出發(fā)展的計劃付諸實施。我國在這方面正在迎頭趕上。
??? (3)傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化??? 數(shù)字技術是信息技術的基礎。傳感器的數(shù)字化，不僅是提高傳感器本身多種性能的需要，而且是傳感器向智能化、網(wǎng)絡化更高層次發(fā)展的前提。
??? 近年來，傳感器的智能化和智能傳感器的研究、開發(fā)正在世界眾多國家蓬勃開展。智能傳感器的定義也在逐步形成和完善之中。目前較為一致的看法是：幾是具有一‘種或多種敏感功能，不僅能實現(xiàn)信息的探測、處理、邏輯判斷和雙向通訊，而且具有白檢測、自校正、白補償、自診斷等多功能的器件或裝置，可稱為“智能傳感器”(Interlligent Sensor)。按構成模式，智能式傳感器有分：立模塊式和集成一體式之分。
??? 日前國內外已較多出現(xiàn)一種組合一體化結構傳感器。它把傳統(tǒng)的傳感器與其配套的調理電路、微處理器、輸出接口與顯示電路等模塊紐裝在同一殼體內。因而，體積縮小，線路簡化，結構更緊湊，可靠性和抗：1：擾性能大大提高。在今后一段時間內，它將是傳統(tǒng)傳感器實現(xiàn)小型化和智能化而引人注目的發(fā)展途徑。
??? 行人預十L未來的10年，傳感器智能化將首先發(fā)展成由硅微傳感器、微處理器、微執(zhí)行器和接2：1電路等多片模塊組成的閉環(huán)傳感器系統(tǒng)。如果通過集成技術進一步將上述多片相關模塊全部制作在一個芯片上形成單片集成，就可形成更高級的智能傳感器(詳見14．3)。
??? 傳感器網(wǎng)絡化技術是隨著傳感器、計算機和通信技術相結合而發(fā)展起來的新技術，進入新世紀以來已嶄露頭角。傳感器網(wǎng)絡是一種由眾多隨機分布的一組同類或異類傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點構成的無線網(wǎng)絡。每個微型化和智能化的傳感器節(jié)點，都集成了傳感、處理、通信、電源等功能模塊，可實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)與環(huán)境信息的采集和處理，并可在節(jié)點與節(jié)點之間、節(jié)點與外界之間進行通信。這種具有強大集散功能的傳感器網(wǎng)絡，可以根據(jù)需要密布于目標xi十象的監(jiān)測部位，進行分散式巡視、測量和集中監(jiān)視。下一代傳感器網(wǎng)絡產品，將可能是瀏覽器技術與以太網(wǎng)相互融合，以實現(xiàn)smart傳感器和執(zhí)行器的集成2、91。未來的傳感器網(wǎng)絡將引入不久將面世的“光學集成系統(tǒng)”(微型集成光路)，其功能和速度會更加高超(見14．9)。
??? 在此，還將引入由敏感材料智能化引出的智能材料與結構的概念。
??? 智能材料的概念首先由美國學者C A．Roger5提出。1989年，日本學者高木后直進而提出’廠“將信息科學融人材料的物性和功能”的智能材料構想。此后，日、美、西歐和世界各國爭先恐后地開展了這方面的研究1：作。關于智能材料定義，國外最為流行的說法是Petroki提出的：“將生命功能注入非生命或人工材料(或制品)構成的集成化體系稱為智能材料，其中包括感知(Sensing)、驅動(Actusting)和控制(Controling)材料或部件”。我國材料科學：家?guī)煱壕w院士則提出了如下表達式：Sens小g十Actuating＝Smart(靈巧)，Smartt：ontr，，1ing＝Intelligent；其中包括：：：種功能：①感知功能————能自身探測和監(jiān)控外界環(huán)境：條件變化；②處理功能—? 能評估已測信息，并利用已存儲資料作出判斷和協(xié)調反應；③：行功能——一能依據(jù)—1：述結果提交驅動或調節(jié)器進行實施。
??? 目前，初步具有這種自監(jiān)側、白診斷、白適應功能的智能材料與結構，已被應用于橋織隧道、大壩等：上建結構的智能化“神經”系統(tǒng)中；也有被埋設于飛機及航天裝置的機身、機：和發(fā)動機等要害部位，使之具有如人體“神經與肌肉組織”般的智能結構，監(jiān)視自身的“健)狀態(tài)”。如美國，在F—嶼戰(zhàn)斗機機翼設置的白診斷光纖干涉?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡，就是成功—例帥j。可以預料未來的智能：I：程結構將J’‘泛采用智能材料與結構，其應用前景十—分廣陽(詳見14．6)??? (4)研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器??? 大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設計師。生物界進化到今天，我們人類憑借發(fā)達的智力，：需依靠強大的感官能力就能生存；而物競天擇的動物界，能擁有特殊的感應能力，即功能；特、性能高超的生物傳感器才是生存的本領。許多動物，因為具有非凡的感應次聲波信號(能力，而使它們能夠逃避諸如火山爆發(fā)、地震、海嘯之類的滅頂之災。其他如狗的嗅覺(靈5闊為人的1()“倍)；鳥的視覺(視力為人的8—50倍)；蝸蛹、飛蛾、海脈的聽覺(主動型少物；達——“超聲波傳感器)；蛇的接近覺(分辨力達o．OOl℃的紅外測溫傳感器)等等。這些動4的感官性能，是當今傳感器技術所企及的目標。利用仿牛學、生物遺傳工程和生物電子學3術來研究它們的機理，研發(fā)仿生傳感器，也是十分引人注目的方向。
??? 綜—卜所述不難看出，當代科學技術發(fā)展的一個顯著特征是，各學科之間在其前沿邊緣相又滲透，互相融合，從而催生出新興的學科或新的技術。傳感器技術也不例外；它iE不6融入其他相關學科的高科技，逐步形成自己的發(fā)展方向，孕育自己的新技術。所以，傳感4的發(fā)展，傳感器新技術的發(fā)展，必須走勺高科技相結合之路。