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作為信息技術三大之一的傳感器技術,是獲取自然領域中信息的主要途徑與手段,是現代科學的中樞神經系統。如果把計算機比喻為處理和識別信息的“大腦”,把通信系統比喻為傳遞信息的“神經系統”,那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。
圖1 傳感器分類
圖2 傳感器的組成
傳感器技術興起于20世紀中期,當時,傳感技術的發展落后于計算機技術和數字控制技術,不少成果仍停留在實驗研究階段,沒有投入到實際生產與廣泛應用中,轉化率比較低。
七十年代到20世紀末,隨著各國機械工業、電子、計算機、自動化等相關信息化產業的迅猛發展,以日本和歐美等西方國家為代表的傳感器研發及其相關技術產業的發展已在國際市場中逐步占有了重要的份額。我國經過從“六五”到“九五”的國家攻關,在傳感器研究開發、設計、制造、可靠性改進等方面獲得長足的進步,初步形成了傳感器研究、開發、生產和應用的體系,但總體上講,它還不能適應我國經濟與科技的迅速發展,我國不少傳感器、信號處理和識別系統仍然依賴進口。

圖3 全球傳感器發展歷程
到了21世紀,光電信息學與生物學的迅猛發展已成為這一時期科學技術發展的重要標志。在國外,光電傳感器技術已廣泛地運用到各國軍事技術、航空航天、檢測技術以及車輛工程等諸多領域。在國內,傳感器行業發展迅速,傳感器市場近些年一直持續增長,勢頭良好,主要應用于工業制造、汽車產品、電子通訊和專用設備,其中工業制造和汽車產品達到市場份額的三分之一。傳感器給我國的迅速發展帶來了無限商機,西門子、霍尼韋爾、凱樂、橫河等傳感器大企業紛紛進入我國市場,這為我國工業設備制造商和汽車制造業等傳感器最終消費者帶來了很大便利,但也對國內傳感器行業施加了很大壓力。
目前世界上從事傳感器研制生產的單位有6500家,美國、俄羅斯、歐洲各從事傳感器研制的廠家1000多家,日本有800多家。傳感器市場2017年全球規模近2000億美金,中國增長最快,年增長率達20%,2017年工信部發布傳感器三年行動指南,預計2021年市場規模將達到5937億元,傳感器技術已成為國家發展的重中之重。
根據對國內外傳感器技術的研究現狀分析以及對傳感器各性能參數的理想化要求,現代傳感器技術的發展趨勢如下:
1) 新材料的開發、應用
材料是傳感器技術的重要基礎和前提,是傳感器技術升級的重要支撐,因而傳感器技術的發展必然要求加大新材料的研制力度。事實上由于材料科學的不斷發展,傳感器材料的不斷得到更新,品種不斷得到豐富,目前除傳統的半導體材料、陶瓷材料、光導材料、超導材料以外,新型的納米材料的誕生有利于傳感器向微型方向發展,隨著科學技術的不斷進步將有更多的新型材料誕生。
2)傳感器的集成化、多功能化及智能化
傳感器的集成化分為傳感器本身的集成化和傳感器與后續電路的集成化。前者是在同一芯片上,或將眾多同一類型的單個傳感器件集成為一維線型、二維陣列(面)型傳感器,使傳感器的檢測參數由點到面到體多維圖像化,甚至能加上時序,變單參數檢測為多參數檢測;后者是將傳感器與調理、補償等電路集成一體化,使傳感器由單一的信號變換功能,擴展為兼有放大、運算、干擾補償等多功能—實現了橫向和縱向的多功能。
智能化傳感器主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機的硬件設備。與傳統的傳感器相比,智能化傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調節,還能對所測的數值及其誤差進行補償;同時具有自診斷和自校準功能,可以用來檢測工作環境;智能化傳感器還可以完成多傳感器多參數混合測量,從而進一步拓寬了其探測與應用領域,微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對多種信號進行實時處理。
3)傳感器微小型化
為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發展趨勢保持一致,對于傳感器性能指標的要求越來越嚴格,而傳統的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求,它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代,后者主要由硅材料構成,具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優點。
就當前技術發展現狀來看,微型傳感器已經對大量不同應用領域,如航空、遠距離探測、醫療及工業自動化等領域的信號探測系統產生了深遠影響;目前開發并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量,如位移、速度、加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。
4) 傳感器的無線網絡化
傳感器網絡是當前國際上備受關注的、由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域,被認為是將對二十一世紀產生巨大影響力的技術之一。在未來還將在許多新興領域體現其優越性,如家用、保健、交通等領域。我們可以大膽的預見,將來無線傳感器網絡將無處不在,將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯網相連,實現遠距離跟蹤,家庭采用無線傳感器網絡負責安全調控、節電等。
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