新型传感器技术 这8项新型传感器技术，每一项都是风口

这8项新型传感器技术，每一项都是风口

当前，机器人、智能制造、智能交通、智慧城市以及可穿戴技术正在迅速发展，其对传感器需求广泛，要求传感器具备

随着微纳技术、数字补偿技术、网络化技术、多功能复合技术的进一步发展，新原理、新材料、新工艺不断涌现，新结构、新功能层出不穷。

在物联网行业的推动下，传感器行业的年增长率更是远高于国内其他行业的平均水平。

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采用新原理、新效应的传感技术

基于各种物理、化学、生物的效应和定律，继力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，开发具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件，并以此研制新型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。

例如在军事医学领域，利用酶电极选择性好、灵敏度高、响应快的特点研发生物传感器 ，能及时快速检测细菌、病毒及其毒素等，实现生物武器的有效防菌。

还有利用量子力学中的有关效应，可设计、研制量子敏感器件 ，像共振隧道二极管、量子阱激光器和量子干涉部件等。这些元器件具有高速（比电子敏感器件速度提高1000倍〕、低耗（比电子敏感器件能耗降低1000倍）、高效、高集成度、经济可靠等优点。

而纳米电子学 的发展，也正在传感技术领域中引起新的技术革命。利用纳米技术制作的传感器，尺寸减小、精度提高、性能大大改善，纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。

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传感器微型化和芯片化技术

微机电系统（MEMS） 是集微机构、微传感器、微执行器、控制电路、信号处理、通信、接口、电源等于一体的微型系统或器件，是对微/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。

MEMS技术包括：硅微机械加工技术、深反应离子刻蚀、LIGA技术、分子装配技术、体微加工、表面微加工、激光微加工和微型封装技术等。

硅微机械加工工艺是MEMS主流技术，它是一种精密三维加工技术，是研制传感器、微执行器、微作用器、微机械系统的核心技术，已成功用于制造各种微传感器以及多功能的敏感元阵列。 如微硅电容传感器、微硅质量流量传感器，航空航天用动态传感器、微传感器，汽车专用压力、加速度传感器，环保用微化学传感器等。

深反应离子刻蚀（DRIE）是MEMS结构加工的重要工序之一 ，主要用于多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜及金属膜的刻蚀，属一种微电子干法腐蚀工艺。

LIGA技术即光刻、电铸和注塑， 是利用深度X射线刻蚀，通过电铸成型和塑料铸模，形成深层三维微结构的方法。

同时，为了适应MEMS技术的发展，现已开发了许多新的MEMS封装技术和工艺，如阳极键合、硅熔融键合、共晶键合、倒装芯片焊接（FCB）技术、单芯片封装（SCP）和多芯片组件（MCM）等。

多芯片组件（MCM）是电子封装技术的一大突破，属于系统级封装。 MCM把两个及以上的IC/MEMS芯片或CSP组装在一块电路板上，构成功能电路板，即多芯片组件，为组件中的各个芯片（构件）提供信号互连、I/O管理、热控制、机械支撑和环境保护等。

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传感器阵列和多传感参数复合的集成技术

集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺，如压力、静压、温度三变量传感器，气压、风力、温度、湿度四变量传感器，微硅复合应变压力传感器，阵列传感器。

集成化是指多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成。 如压力、静压、温度三变量传感器；气压、风力、温度、湿度四变量传感器；微硅复合应变压力传感器和阵列传感器等，都使用了集成技术。

传感器集成化有两种：一种是通过微加工技术在一个芯片上构建多个传感模块，组成线性传感器（如CCD图像传感器）；另一种是将不同功能的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能传感器，集成度高、体积小，容易实现补偿和校正。

微加工技术和精密封装技术对传感器的集成化有重大的影响。

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传感器数字化和智能化技术

数字传感器 包括调节和处理信号的电路及一个网络通讯的界面。它们通常以模块形式制成，包含传感器、DSP（数字信号处理器）、DSC（数字信号控制器）或ASIC（特定用途集成电路），另外也有以系统封装或系统芯片的方式制成。用于驱动数字输出的电子元件通常有三种：机械继电器、晶体管和双向FET器件。

智能传感器 ，采用单片微机进行信息处理，诸如补偿、频倍（细分）和数字转换等硬件线路均可软件化。智能传感器能适应被测参数的变化来自动补偿、自动校正、自选量程、自寻故障，配有数字输出，实现双向通信，且具有较强的环境适应性。

智能传感器的典型代表是高性能的智能工业变送器。 如日本横河电机的EJA系列智能变送器，ABB公司的MV2000T系列多功能差压/压力变送器，Rosemount公司的3095MV多参数质量流量变送器，分别采用硅谐振传感器、复合微硅固态传感器和高精度电容传感器作为敏感元件，精度达到0.1075%，具有很高的稳定性和可靠性，十年内不用调零。

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传感器的强环境适应性技术

从汽车到工业，从医疗到航空航天，从家电到测试和测量，很多行业应用都对传感器的环境适应性要求颇高。传感器产品的强环境适应性测试包括电气安全实验、失效分析实验、腐蚀性气体实验、环境性能实验、材料实验等。

传感器封装材料与技术的进步，使得传感器的环境适应能力越来越强。

金属基复合材料封装（AI/Si Cp） ，通过改变增强体的种类、排列方式或改变基体的合金成分，或改变热处理工艺等，来实现材料的物理性能设计；或者通过改变热处理工艺，来改变基体与增强体的界面结合状况，进而影响材料的热性能。该类材料热膨胀系数较低，既能做到与电子元器件材料的热膨胀系数相匹配，又具有高导热性和低密度。

塑料封装 90%以上使用环氧树脂，具有大规模生产、可靠性与金属或陶瓷材料相当的优点。经过硫化处理的环氧树脂还具有较快的固化速度、较低的固化温度和吸湿性、较高的抗湿性和耐热性等特点。

陶瓷封装 是用粘接剂或焊料将一个或多个芯片安装在陶瓷底板或管座上，采用倒装焊方式与陶瓷金属图形层进行键合，再对封装体进行封盖密封，同时提供合适的电气连接。陶瓷具有很高的杨氏模量、较高的绝缘性能和优异的高频特性，有良好的可靠性、可塑性且易密封，其线性膨胀系数与电子元器件的非常相近，化学性能稳定且热导率高，被用于多芯片组件、焊接阵列等封装中。

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无线传感器网络技术（WSN）

无线传感器网络（WSN），是由大量静止或移动的具有感知、无线通信与计算能力的传感器构成的多跳自组织网络系统，能根据环境自主完成指定任务。 大量传感器通过网络构成分布式、智能化信息处理系统，从多种视角、以多种模式协作地对网络覆盖区域内的事件、现象和环境实时进行监测、感知、采集、分析，获得丰富的、高分辨率的信息，并对这些信息进行处理和传输，发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。WSN包含传感器单元、控制器和无线通信模块，实现数据采集、近距离通信、数据计算和远距离无线通信等功能。

WSN综合了传感器技术、嵌入式操作系统技术、分布式信息处理技术、无线通信技术、能量收集技术、低功耗技术、多跳自组织网络的路由协议、定位技术、时间同步技术、数据融合和数据管理技术、信息安全技术、网络传输技术，关键是克服节点资源限制（能源供应、计算及通信能力、存储空间等），并满足传感器网络扩展性、容错性等要求。

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传感器数字通信总线技术

现场总线技术 是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术。

安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，是一种全数字化、开放式、双向传输、多分支、多站的通信系统，是现场通信网络和控制系统的集成。

基于现场总线的智能传感技术简图

现场总线的关键标志是支持全数字通信，在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把单个分散的智能传感器变成网络节点。

现场总线智能传感器需有以下功能：共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担；取代4-20mA模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力；采用统一的网络化协议，成为FCS的节点，实现传感器与执行器之间信息交换；系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性；接口标准化，具有即插即用特性。

现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表。

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传感器的应用技术

传感器的应用技术包括：信号处理和接口技术；降噪与抗干扰技术；位移、力、扭矩、荷重、速度、加速度等机械量的检测技术；温度、压力、流量、物位等过程量的检测技术；智能化与自动测试技术；红外、超声波、微波探测防盗报警器的安装技术等等。

对于消费类应用来说，传感器融合的主要技术难度是如何控制产品的尺寸，合理测试每个传感器的性能，控制整个芯片的良品率并降低成本。

对于工业、军工、汽车、医疗等领域的传感器融合来说，还要考虑如何保证在各种工作情况下的精度、可靠性，利用融合的特性来实现传感器之间的补偿校正等。 目前已有不少厂商正尝试研发与薄膜电池、微处理器（MCU）、ASIC、无线通讯功能整合的多重传感设备，而低功率无线电、能源收集、巨量资料处理以及资料安全都是技术上的挑战。

传感器电路的内部噪声包括电路板电磁元件干扰、低频、高频热、半导体器件散粒晶体管、电阻器、集成电路噪声等，外部干扰包括电源、地线、长线信号传输、空间电磁波等。因此，在电路设计中需要根据不同的工作频率合理选择低噪半导体元器件，并根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路。

结语：

传感器是当前中国亟需突破的重点产业之一，传感器应用无处不在，直接关系到我国国防、经济和社会安全。相信通过对生物智能传感器等前沿关键技术联合攻关，抢占产业发展主导权，能加速缩小我国与国外传感器技术的差距。

一文了解八种新型传感器

一、红外传感器

红外传感器是将辐射能转换为电能的一种传感器，又称为红外探测器.常见的红外探测器有两大类，热探测器和光子探测器.热探测器是利用人射红外辐射引起探测器的敏感元件的沮度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外探测器吸收的红外辐射.热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室沮下工作，使用方便。

但是，热探测器响应时间长，灵敏度较低，一般用于红外辐射变化缓慢的场合.如光谱仪、测温仪、红外摄像等。光子红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化，通过测最电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。光子探测器的主要优点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但一般需在低温下_L作，探测波段较窄，一般用于侧温仪、航空扫描仪、热像仪等。红外传感器广泛用于测温、成像、成分分析、无损检测等方面，特别是在军事上的应用更为广泛，如红外侦察、红外雷达、红外通信、红外对抗等。

二、激光传感器

激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

激光传感器按工作物质可分为4类：1、固体激光器；2、气体激光器；3、液体激光器；4、半导体激光器。

三、光纤传感器

光纤传感器技术是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的一门崭新的技术。光纤传感器与传统的各类传感器相比有许多特点，如灵敏度高.抗电磁干扰能力强，耐腐蚀，绝缘性好，结构简单，体积小.耗电少，光路有可挠曲性，以及便于实现遥测等。

光纤传感器一般分为两大类，一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器.称为功能型传感器;另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。无论哪种传感器，其工作原理都是利用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量。光纤传感器可以测量多种物理量.目前已经实用的光纤传感器可测量的物理量达70多种，因此光纤传感器具有广阔的发展前景。

四、温湿度传感器

温湿度传感器只是传感器其中的一种而已，只是把空气中的温湿度通过一定检测装置，测量到温湿度后，按一定的规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，用以满足用户需求。

由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。

五、紫外线传感器

紫外线传感器是传感器的一种，可以利用光敏元件通过光伏模式和光导模式将紫外线信号转换为可测量的电信号。最早的紫外线传感器是基于单纯的硅，但是根据美国国家标准与技术研究院的指示，单纯的硅二极管也响应可见光，形成本来不需要的电信号，导致精度不高。Gan的紫外线传感器，其精度远远高于单晶硅的精度，成为最常用的紫外线传感器材料。

紫外线传感器是利用光敏元件将紫外线信号转换为电信号的传感器，它的工作模式通常分为两类：光伏模式和光导模式。所谓光伏模式是指不需要串联电池，串联电阻中有电流，而传感器相当于一个小电池，输出电压，但是制作比较难，成本比较高；光导模式是指需要串联一个电池工作，传感器相当于一个电阻，电阻值随光的强度变化而变化，这种制作容易，成本较低。

六、机器人传感器

机器人传感器是一种能将机器人目标物特性(或参量)变换为电量输出的装置，机器人通过传感器实现类似于人类的知觉作用。机器人传感器分为内部检测传感器和外界检测传感器两大类。内部检测传感器是在机器人中用来感知它自己的状态，以调整和控制机器人自身行动的传感器。

它通常由位置、加速度、速度及JR力传感器组成。外界检测传感器是机器人用以感受周围环境、目标物的状态特征信息的传感器.从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外界枪侧传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。机器人传感器是机器人研究中必不可缺的重要课题，需要有更多的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器来推动机器人的发展。

七、智能传感器

智能传感器是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。

八、数字传感器

数字式传感器是指能把被测(模拟)量直接转换成数字徽输出的传感器。数字式传感器是检测技术、微电子技术和计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的另一个重要方向。

数字式传感器可分为三类：一是直接以数宇量形式输出的传感器，如绝对编码器可以将位移鳍直接转换成数字量；二是以脉冲形式愉出的传感器.如增量编码器、光栅、磁栅和感应同步器可以将位移量转换成一系列计数脉冲，再由计数系统。所计的脉冲个数来反映被侧量的值；三是以频率形式输出的传感器，能把被测量换成与之相对应的、且便于处理的频率输出，因此也叫做频率式传感器。数字式传感器在机床数控、自动化和计量、检测技术中得到日益广泛的应用。

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