荔园在线

荔园之美,在春之萌芽,在夏之绽放,在秋之收获,在冬之沉淀

[回到开始] [上一篇][下一篇]


发信人: alibab (快乐罗密欧), 信区: CET
标  题: 传感器的现状和未来
发信站: BBS 荔园晨风站 (Sun Apr  9 20:00:27 2000), 转信

好久不曾灌水,现借备课之机而痛灌一篇,不亦乐乎?嘿嘿.



传感器的现状和未来

刘广玉

  摘 要:当今传感器的明显发展趋势是从传统的传感器设计和应用转向以微机
械加工技术为基础的微传感器和智能化传感器的设计和应用,使智能结构的实现成
为可能。本文就传感器技术的现状和未来的发展予以综述,发展微传感器对我国仪
器仪表工业的重要性略加讨论。
  关键词:微传感器,智能化传感器,微机械加工技术,微机械电子系统,智能
结构

The State of the Art and the Future of Sensors

  Abstract:It is obvious that the development of modern sensors is in
 a process of transition from tranditional design and application of
conventional sensors to the micromachining-based design and
application of microsensors and intelligent sensors,thus making possible
 the implementation of intelligent structures.The present paper
summarizes the state of the art and the future development of sensor
technique.It also gives a brief discussion of the importance of
microsensors to the development of instrumentation industry of our
country.
  Key words:microsensors,intelligent sensors,micromachining
technique,micro-
electro-mechanical systems(MEMS),intelligent structures


  今天的传感器,正在从传统的结构设计和生产转向以微机械加工技术为基础,
仿真程序为工具的微结构设计,优先选用硅材料,研制各种敏感机理的硅传感器和
智能化传感器。
  传感器的作用主要是获取信息,是信息技术的源头。现代社会中,所有以计算
机为核心的测控系统,都需要传感器,而系统中的信息处理、转换、存储和显示等
都与计算机直接相关,属于共性技术,唯独传感器则是千变万化,多种多样,所以
系统的功能更多地体现在传感器方面。
  在信息时代里,随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加,需要获取的信息
量越来越多,不仅对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高,还要求传感器有
标准输出形式以便于和系统挂接。显然,传统的那些传感器,因其功能差,体积大
,已很难再满足要求而将被逐渐淘汰。发展高性能的、以硅材料为主的各种先进传
感器已成为必然。如谐振式、电容式、光电式和场效应化学传感器等等。尽管它们
的敏感机理不同,但其总的共同特点是向微型化、智能化发展。这就是目前和今后
相当长时间内世界传感器发展的主流。美国、日本和欧洲,几乎所有著名大学和有
关大公司,从80年代中期起,都先后加强了微传感器及其制造工艺的研究力量,经
过十余年的努力,现在微传感器已开始从实验室进入实用阶段,有的已形成产业。
如压力传感器、加速度传感器等。
  目前,微传感器在国内正初露头角,一些高校和研究单位正在起步,都在积极
筹划促进这项具有战略意义的关键技术的研究开发,但基础薄弱,特别是微机械加工技术
已成为我国微传感器发展的瓶颈,所以至今仍没有像样的成果问世,还处在实验室
初级阶段。
  从技术发展动向和缩短我国仪器仪表工业与国外先进国家的差距考虑,今后十
几年内,我们必须对微传感器的研制工作给予特别的重视和投入,落实研制计划,
这对我国仪器仪表综合实力的发展和增强具有十分重要的战略意义,是我国未来仪
器仪表繁荣的发动机。

1 微传感器
  微传感器的特征之一就是体积小,其敏感元件的尺寸一般为微米级,是由微机
械加工技术制做而成的,包括光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺。利用其中的
各向异性腐蚀、牺牲层技术和LIGA工艺,可以制造出层与层之间有很大差别的三维
微结构,包括可活动的膜片、悬臂梁、桥以及凹槽、孔隙、锥体等。这些微结构与
特殊用途的薄膜和高性能的集成电路相结合,已成功地用于制造各种微传感器乃至
多功能的敏感元阵列(如光电探测器等),实现了诸如压力、力、加速度、角速率、
应力-应变、温度、流量、成像、磁场、湿度、pH值、气体成份、离子和分子浓度
以及生物传感器等。目前形成产品的主要是微型压力传感器和微型加速度传感器等
。它们的体积只有传统传感器的几十乃至几百分之一,重量从公斤级下降到几十克
乃至几克。

微传感器的实现和应用,对许多技术领域中的测控系统必将产生影响深远的革新,
特别对航空航天、遥感、 医疗保健和工业自动化尤为重要。就航空航天领域而言
,如一架航天飞机上,大约装有3 600余个传感器,若用微传感器取代传统的传感
器,显然对减轻重量、增加航程、减少能源供应、储存与转换等方面都有重大意义
。最近,美国在《新世纪展望--21世纪的空军和太空力量》的研究报告中特别指出
微传感器对各种飞行器的重要性,不仅能低价进入太空,而且对从太空进行全球监
视和侦察也起着关键作用。
  现在制成的微型压力传感器,已经小到可以放在针头内送入血管测量血液流动
情况。
  光电探测器阵列是一种重要的成像传感器。它不仅是新的摄像机和录像机兴盛
的基础,还用于医疗成像、机器人视觉、气候和农作物监视等系统。红外成像传感
器,在地球监视卫星、夜视系统、全天候导航和解决交通拥挤等方面具有广泛的作
用。尤其在军事上,成为在夜间和全天候条件下作战中获胜的关键。
  发展我国硅场效应气敏和离子敏传感器,对于化工、冶金、煤炭、医疗等领域
有重要意义,对我国宇航工业发展作用尤为重要,约在2000年或稍后,我国载人飞
船将会遨游太空,船舱内的有害气体成份,需要通过先进的微型气体传感器实时监
测,并控制其在安全浓度以下,以确保工作人员的安全。
  各种机理的微传感器技术,未来将竞相争艳。但自身为数字输出而便于和微计
算机控制系统配套的微传感器应作为研制的重点。硅谐振式微传感器就是这类传感
器的一个重要组成部分。下面介绍国外当前已研种瞥晒Σ⒁咽涤玫氖纠?
  图1所示为日本横河电机株式会社最新研制成的一种硅谐振式微型压力传感器
。其核心部分由感压硅膜片(4 mm×4 mm)和在硅膜片上表面制作的两个H型两端固
支的谐振梁(1 200 μm×20 μm×5 μm)构成。其中一个硅梁制作在膜片中央,另
一个则在边缘部位(见图1(a))。硅梁被封在真空腔内,既不与被测介质接触,又确
保振动时不受空气阻尼的影响。硅膜片与硅基底的连接采用Si-Si键合工艺完成,
采用Au-Si共熔再将硅基底与通压部分的Ni-Fe合金固连(见图1(b))组成压力传感器
结构。


  硅梁振动信号的激励与拾取可有多种方式实现,本方案采用电磁激励/电磁拾
取,见图2所示。由永久磁铁提供磁场,通过激振线圈A的交变电流激发硅梁在基频
上振动,并由拾振线圈B感应,送入自动增益放大器(AGC),一方面输出频率,另一
方面将交流电流信号反馈给激振线圈A,形成一个正反馈的闭环自激系统,以维持
谐振梁连续等幅振动。

当被测压力通入膜片空腔时,膜片产生形变,中心处和边缘处的应力符号相反,中
心处受拉伸,边缘处受压缩,使两个谐振梁分别感应不同应力作用,导致中心处谐
振梁的频率增加,边缘处的则下降。谐振频率的变化受被测压力调制,两个谐振梁
的频率差即对应不同的压力值(见图3)。最高精度可达0.01%FS。

用测量频率差的方法对应压力,其优点是可以消除环境温度等因素带来的附加误差
。在相同条件下,当环境温度变化时,两个谐振梁的频率和幅值的变化是相同的,
所以计算频率差时该变化量相互抵消。
  该微传感器已与微电子单元配套构成新一代小型压力变送器,已开始出现在市
场上。其体积比原来的小了许多倍。
  图4为斯伦贝格工业公司航空航天传感器分公司研制的硅谐振梁式压力传感器
核心部分,感应膜片尺寸为2 mm×2 mm,谐振梁尺寸为600 μm×40 μm×6 μm。
采用静电激励、压敏电阻拾振。信号经分设在外部的专用集成电路放大并反馈给激
励电极,借以维持硅梁等幅振动。目前,该传感器的测压范围在0.5~130 kPa和
0.5~3 000 kPa之间。精度为0.01%FS,年漂移<100×10-6(FS)。满足航空温度环
境(-55~+125 ℃)要求。不久将取代现在使用的体积大、结构复杂的谐振筒(或谐
振膜)压力传感器。

2 传感器的智能化
  为了适应各种技术领域中测控系统日益自动化和复杂性的需要,发展智能化传
感器(smart sensors)已是大势所趋。所谓智能化传感器是指以专用微处理器控制
的具有双向通信功能的先进传感器系统(见图5)。微处理器能够按照给定的程序对
传感器实施软件控制,把传感器从单功能变成多功能。包括自补偿、自校正、自诊
断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆等功能。


  因为智能化传感器中的微处理器控制系统本身都是数字式的,所以今后的智能
化传感器必然走向全数字化。这种全数字式智能化传感器(见图6),能消除许多与
模拟电路有关的误差源(例如测量回路中勿需用A/D和D/A变换器),从而能明显提高
测量准确度。这一实现,对测量与控制将是个重大进展。

 目前的智能化传感器多是压力、加速度、温度、流量等,主要实用在工业自动化
方面。化学、生物类智能化传感器不久也将实用。
  未来10年,智能化传感器将由多片模块组成,其中包括微传感器、微处理器、
微执行器和接口电路,它们构成一个闭环工作微系统,有数字接口与更高一级的计
算机控制相连,通过利用专家系统中得到的算法对微传感器提供更好的校正与补偿
。那时的智能化传感器功能会更多,精度和可靠性会更高,优点会更突出,应用会
更广泛。

3 传感器的发展动向
3.1 提高微传感器的性能

 现今文献中,有关微传感器的论文很多,就其应用前景而言,他们绝大多数是可
行的和有竞争力的。但现在还不能取代传统的传感器装置。主要原因是,多种微传
感器的性能包括其稳定性、灵敏度、寿命、坚固性以及便于操作和装配等方面,还
不能满足市场和用户的需求。所以改善和提高微传感器的性能是今后的主要努力方
向之一。
  例如,微机械陀螺仪在军民两用方面都有广阔的应用前景,但它目前的性能还
很一般,不实用,最优的精度还达不到10°/h,而惯性导航系统所需的精度则应为
0.1°/h。显然,努力提高其性能并和微加速度计集成为惯性测量单元应是今后10
年内主要发展的目标。为此,需要:
  ①进一步改善其微机械加工技术;
  ②进一步改善其封装技术;
  ③进一步提高材料的性能;
  ④进一步改善测量方法和仪器。
3.2 微传感器的集成

 目前,虽然传统的传感器最容易被现存的工业系统所采纳,但集成硅微传感器的
优势是那些传统的传感器无法达到的,它不仅仅是一个简单的传感器,还包括自检
、自校和数字补偿等功能,既提高了精度和可靠性,又降低了成本。这些优点,对
现存工业系统改造和新兴工业领域的兴起,都具有很强的吸引力。
  今后10年的发展趋势是:硅微传感器和微电子系统以及微执行器很可能全部制
造在一个芯片上形成单片集成,构成一个闭环工作系统,如图7所示,这一目标的
实现和应用,不仅是传感技术概念的扩展和引伸,还会在工业过程控制、航空航天
领域、生物医学和健康保健方面,以及未来的新兴技术领域发挥巨大作用。
3.3 阵列化
  在多种新技术发展中,常需要阵列化传感器装置。同类型微传感器的阵列化,
可通过余度技术来提高测量的可靠性,通过多数的逻辑平均值(排除个别明显的差
异值)来提高测量结果的稳定性。最终得到稳定可靠的测量结果。所以,利用同类
传感器阵列,可使原本用单一传感器测量的不甚可靠的功能装置成为可靠的功能装
置。

不同类型的微传感器组成阵列,目的不是为了测量,而是为了获得一个功能优良的
控制单元,例如,在发动机中,可把气体压力传感器、温度传感器和湿度传感器制
成一个阵列单元,用以控制并得到理想的空气流和空气/燃油比,以实现最佳的燃
烧过程。
  实现传统传感器难以做到的阵列化,这也是微传感器对未来新技术发展的一大
贡献。
3.4 分布式单元和智能结构
  为了适应各种技术领域中测量和控制系统的自动化需求,分布式传感功能单元
已成为发展趋势。在材料内或结构中分布嵌入微传感器阵列(或敏感光纤)就像植入
人工神经元一样,使材料(或结构)具有智能功能,而传感器阵列既是结构件的组成
部分,又是结构件的监测部分。这种具有预期的、自我监测功能的构件称为智能
(smart)结构(或材料)。例如,把MEMS阵列单元(微传感器+微执行器+专用集成电路
)嵌入飞机机翼中,便可连续地对机翼振动、应力和结构完好性等多种状态实施监
测和处理。
  近期,光纤应变式传感器技术取得巨大进展,对智能结构实用化起到了关键性
的促进作用。英国航空宇宙工业公司最近研制成一种智能飞机机翼,即在机翼上嵌
入直径为0.125 mm的敏感光纤,使机翼成为有感觉的结构,在飞机中可自动检测其关键位置
上的应
力、应变和温度,而不采用传统的应变计和温度传感器。
  智能结构和智能Skin(智能蒙皮)是制造全新的空间飞行器(智能飞行器)长远目
标中的一个重要组成部分。这种飞行器(如飞机)具有高度自动化,飞行员只需输入
飞行目的地和到达时间,飞机即可自动飞行,预计到2100年前后,有望实现这种飞
机。当然,智能材料和结构,也可用于制造智能桥梁、高速公路、重要建筑等,成
为它们的变形测定器和对将受到的损伤发出早期报警。

4 结论
  微传感器及其工艺是80年代中期国际上崛起的一项非常值得重视的高新技术,
经过10余年的功夫,一代崭新的微传感器已经问世,有的已推向市场。到今天,从
微传感器、微执行器发展到微机械电子系统(MEMS)、智能材料和智能结构,并将不
断向新的层次上发展和扩充。它们的实现和应用,有可能对社会上许多重要技术领
域的发展产生深远的影响。
我国的微传感器及微机械加工工艺,当前尚处在发展的初期阶段,基础确实比较薄
弱,迄今还没有我国自行研制的微传感器应用实例,与国外差距较大。我们应加强
对这项高新技术的投入,加快发展我国的微传感器技术。尽管在短时期内不能获得
经济效益,但它关系到我国仪器仪表工业及自动化技术能否在21世纪初缩短与发达
国家的差距。因此,要给予特别的重视,抓紧研制计划的落实,迎接这项高新技术
的挑战。否则,有进一步拉大与发达国家差距的危险。

作者单位:北京航空航天大学自动化系(100083)

参考文献

 [1]刘广玉.测控技术.1996,15(2):3~5
 [2]刘广玉.仪器仪表学报.1997,18(5):72~77
 [3]Wen HKO.Sensors and Actuators.1996.A56:193~197
 [4]Middelhoek S,Meas Si.Tachnol.1995,(6):1 641~1 658


--
  ? 美人出南国,灼灼芙蓉姿。 皓齿终不发,芳心空自持。……




※ 来源:·BBS 荔园晨风站 bbs.szu.edu.cn·[FROM: 192.168.28.154]


[回到开始] [上一篇][下一篇]

荔园在线首页 友情链接:深圳大学 深大招生 荔园晨风BBS S-Term软件 网络书店