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    未來傳感器技術 “五”趨勢

    2017-05-24

    近年來,傳感器技術新原理、新材料和新技術的研究更加深入、廣泛,新品種、新結構、新應用不斷涌現。其中,“五化”成為其發展的重要趨勢。

    一是智能化,兩種發展軌跡齊頭并進。一個方向是多種傳感功能與數據處理、存儲、雙向通信等的集成,可全部或部分實現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊,以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能,具有低成本、高精度的信息采集、可數據存儲和通信、編程自動化和功能多樣化等特點。如美國凌力爾特(LinearTechnology)公司的智能傳感器安裝了ARM架構的32位處理器。另一個方向是軟傳感技術,即智能傳感器與人工智能相結合,目前已出現各種基于模糊推理、人工神經網絡、專家系統等人工智能技術的高度智能傳感器,并已經在智能家居等方面得到利用。如NEC開發出了對大量的傳感器監控實施簡化的新方法“不變量分析技術”,并已于今年面向基礎設施系統投入使用。

    二是可移動化,無線傳感網技術應用加快。無線傳感網技術的關鍵是克服節點資源限制(能源供應、計算及通信能力、存儲空間等),并滿足傳感器網絡擴展性、容錯性等要求。該技術被美國麻省理工學院(MIT)的《技術評論》雜志評為對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術之首。目前研發重點主要在路由協議的設計、定位技術、時間同步技術、數據融合技術、嵌入式操作系統技術、網絡安全技術、能量采集技術等方面。迄今,一些發達國家及城市在智能家居、精準農業、林業監測、軍事、智能建筑、智能交通等領域對技術進行了應用。如,從MIT獨立出來的VoltreePowerLLC公司受美國農業部的委托,在加利福尼亞州的山林等處設置溫度傳感器,構建了傳感器網絡,旨在檢測森林火情,減少火災損失。

    三是微型化,MEMS傳感器研發異軍突起。隨著集成微電子機械加工技術的日趨成熟,MEMS傳感器將半導體加工工藝(如氧化、光刻、擴散、沉積和蝕刻等)引入傳感器的生產制造,實現了規?;a,并為傳感器微型化發展提供了重要的技術支撐。近年來,日本、美國、歐盟等在半導體器件、微系統及微觀結構、速度測量、微系統加工方法/設備、麥克風/揚聲器、水平/測距/陀螺儀、光刻制版工藝和材料性質的測定/分析等技術領域取得了重要進展。目前,MEMS傳感器技術研發主要在以下幾個方向:(1)微型化的同時降低功耗;(2)提高精度;(3)實現MEMS傳感器的集成化及智慧化;(4)開發與光學、生物學等技術領域交叉融合的新型傳感器,如MOMES傳感器(與微光學結合)、生物化學傳感器(與生物技術、電化學結合)以及納米傳感器(與納米技術結合)。

    四是集成化,多功能一體化傳感器受到廣泛關注。傳感器集成化包括兩類:一種是同類型多個傳感器的集成,即同一功能的多個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列,組成線性傳感器(如CCD圖像傳感器)。另一種是多功能一體化,如幾種不同的敏感元器件制作在同一硅片上,制成集成化多功能傳感器,集成度高、體積小,容易實現補償和校正,是當前傳感器集成化發展的主要方向。如意法半導體提出把組合了多個傳感器的模塊作為傳感器中樞來提高產品功能;東芝公司已開發出晶圓級別的組合傳感器,并于今年3月發布能夠同時檢測脈搏、心電、體溫及身體活動等4種生命體征信息,并將數據無線發送至智能手機或平板電腦等的傳感器模塊“Silmee”。

    五是多樣化,新材料技術的突破加快了多種新型傳感器的涌現。新型敏感材料是傳感器的技術基礎,材料技術研發是提升性能、降低成本和技術升級的重要手段。除了傳統的半導體材料、光導纖維等,有機敏感材料、陶瓷材料、超導、納米和生物材料等成為研發熱點,生物傳感器、光纖傳感器、氣敏傳感器、數字傳感器等新型傳感器加快涌現。如光纖傳感器是利用光纖本身的敏感功能或利用光纖傳輸光波的傳感器,有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、絕緣性好、體積小、耗電少等特點,目前已應用的光纖傳感器可測量的物理量達70多種,發展前景廣闊;氣敏傳感器能將被測氣體濃度轉換為與其成一定關系的電量輸出,具有穩定性好、重復性好、動態特性好、響應迅速、使用維護方便等特點,應用領域非常廣泛。另據BCCResearch公司指出,生物傳感器和化學傳感器有望成為增長最快的傳感器細分領域,預計2014至2019年的年均復合增長率可達9.7%。

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