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传感器技术新发展
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The New Development of Sensor Technology
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■北京航空航天大学自动化学院测控技术与仪器系 樊尚春
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国家标准GB7665-87，对传感器（Transducer/Sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的分类主要按其工作原理和被测量来分类。
传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和生物型三大类。
物理型传感器分为物性型传感器和结构型传感器，物性型传感器基于某些功能材料本身具有的内在特性及效应感受被测量。结构型传感器以敏感结构具有的特定的物理规律来感受被测量，例如图1所示的谐振筒压力传感器。
化学传感器利用电化学反应原理来感受物质的成分、浓度。常用的是离子敏传感器，利用离子选择性电极，测量溶液的pH值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。
生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质，由其对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置，由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。
按传感器的被测量分类能够很方便地表示传感器的功能，也便于用户使用。传感器可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。
传感器的命名通常将其工作原理和被测参数结合在一起，如电容式加速度传感器、谐振式质量流量传感器等。
不同的被测量可以采用相同的测量原理，同一个被测量可以采用不同的测量原理。因此，必须掌握不同的测量原理之间，测量不同的被测量时，各自具有的特点。
传感器技术的特点
(1)涉及多学科与技术，包括材料科学、精密机械、微电子、微机械加工工艺、材料力学、弹性力学、计算机技术、物理学、生物化学、测试技术等。
(2)品种繁多，被测参数包括热工量、电工量、化学量、物理量、机械量、生物量、状态量等。
(3)应具有高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞、快响应和良好的环境适应性。
(4)应用领域广泛，无论是高新技术，还是传统产业，都需要应用大量的传感器。
(5)应用要求千差万别，有的量大面广，有的专业性很强；有的要求高精度，有的要求高稳定性，有的要求高可靠性；有的要求耐振动，有的要求防爆，等等。
(6)发展相对缓慢。但一旦成熟，其生命力强，如应变式传感技术已有70年的历史，目前仍然占有重要的地位。
传感器技术的发展
近年来传感器技术发展的主要趋势表现在：
1.新材料、新功能的开发应用
传感器材料是传感器技术的重要基础，无论是何种传感器，都要选择恰当的材料来制作，而且要求所使用的材料具有优良的机械特性，不能有材料缺陷。近年来，在传感器技术领域，所应用的新型材料主要有：
a.半导体硅材料，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等。由于硅材料具有相互兼容的、优良的电学特性和机械特性，因此，采用硅材料研制各种类型的硅微结构传感器。
b.石英晶体材料，包括压电石英晶体和熔凝石英晶体(又称石英玻璃)，它具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性。同时，天然的石英晶体还具有良好的压电特性。因此，采用石英晶体材料来研制各种微小型化的高精密传感器。
c.功能陶瓷材料。近年来，一些新型传感器是利用某些精密陶瓷材料的特殊功能来达到测量目的的，因此，探索已知材料的新的功能或研究具有新功能的新材料都对研制这类新型传感器有着十分重要的意义。随着材料学和物理科学的进步，目前已经能够按着人为的设计配方，制造出所要求性能的功能材料。例如气体传感器的研制，就可以用不同配方混合的原料，在精密调制化学成分的基础上，经高精度成型烧结而成为对某一种或某几种气体进行识别的功能识别陶瓷，用以制成新型气体传感器。这种功能陶瓷材料的进步意义非常大，因为尽管半导体硅材料已广泛用于制作各种传感器，但其有着工作上限温度低的缺点，限制了其应用范围。按上述方法可自由配方烧结而成的功能陶瓷材料不仅具有半导体材料的特点，而且其工作温度上限很高，大大地拓展了其应用领域。所以开发新型功能材料是发展传感技术的关键之一。
此外，一些化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、形状记忆合金材料等在传感器技术中得到了成功地应用。
2. 微机械加工工艺的发展
传感器有逐渐小型化、微型化的趋势，这些为传感器的应用带来了许多方便。以IC制造技术发展起来的微机械加工工艺可使被加工的敏感结构的尺寸达到微米、亚微米级，并可以批量生产，从而制造出微型化而价格便宜的传感器。微机械加工工艺主要包括：
a.平面电子加工工艺技术，如光刻、扩散、沉积、氧化、溅射等。
b.选择性的三维刻蚀工艺技术，如各向异性腐蚀技术、外延技术、牺牲层技术、LIGA技术（X射线深层光刻，电铸成型，注塑工艺的组合）等。
c.固相键合工艺技术，如Si-Si键合，它是通过对两个需要对接基片的表面进行活化处理，在室温下把两个热氧化硅片面对面的接触，再经一定温度退火即可使两硅片键合为一体，键合可以实现硅一体化结构，且强度、气密性好。
d.机械切割技术，制造硅微机械传感器时，是把多个芯片制作在一个基片上，因此，需要将每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和残余应力。
e.整体封装工艺技术，将传感器芯片封装于一个合适的腔体内，隔离外界干扰对传感器芯片的影响，使传感器工作于较理想的状态。
3. 传感器的多功能化发展
一般的传感器多为单个参数测量的传感器，近年来，出现了利用一个传感器实现多参数测量的多功能传感器。如一种同时检测Na+、K+和H+离子的传感器，可检测血液中的纳、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾患非常有意义。该传感器的尺寸为2.5
0.5 0.5mm3，可直接用导管送到心脏内进行检测。
气体传感器在多功能方面的进步最具代表性。如一种多功能气体传感器能够同时测量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四种气体。该传感器的敏感结构共有6个用不同敏感材料制成的部分，其敏感材料分别是：ZnO、SnO2、WO3、ZnO(Pt)、WO3(Pt)、SnO2(Pb)，它们分别对上述四种被测气体均有响应，但其相应的灵敏度差别很大，利用其从不同敏感部分输出的差异，即可测出被测气体的浓度。
4.传感器的智能化发展
随着微处理器技术的进步，传感器技术正在向智能化方向发展，这也是信息技术发展的必然趋势。所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起的传感器。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等；同时实现必要的自诊断、自检测以及通讯与控制等功能。
此外，近年来，一些专家、学者提出了模糊传感器、符号传感器的新概念。
5.传感器模型及其仿真技术
针对传感器技术的上述发展特点，传感器技术充分体现了其综合性。涉及到敏感元件输入输出特性规律的参数、影响传感器输入输出特性的不同环节的参数越来越多。因此，分析、研究传感器的特性，设计、研制传感器的过程，甚至在选用、对比传感器时，都要对传感器的工作机理进行有针对性的建立模型和深入细致的模拟计算。像图1所示的谐振筒压力传感器，如果没有符合实际情况的传感器的模型建立与相应的模拟计算，就不可能在定量的意义上掌握它们，更谈不上研究、分析、设计。可见，传感器模型及其仿真技术在传感器技术领域中的地位日益突出。
总之，近年来传感器技术得到了较大的发展，同时也有利地推动着各个技术领域的发展与进步。有理由相信：当传感器技术产生较快的发展时，必将为信息技术领域及其他技术领域的新发展、新进步带来新的动力与活力。
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