1.4　傳感器的發展趨勢

傳感器未來的發展趨勢突出表現在以下3個方面：

（1）開發新原理、新材料、新工藝的新型傳感器。

（2）實現傳感器的微型化、多功能化和智能化。

（3）多傳感器的集成融合，以及傳感器與其他學科的交叉融合，實現傳感器的無線網絡化。

1.4.1　新原理、新材料、新工藝的開發利用

傳感器的工作原理是基于各種物理學、化學或生物學效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型傳感器，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。

新型傳感器的發展離不開新工藝的采用。目前種類繁多、應用廣泛的集成傳感器就是利用集成電路工藝，將半導體敏感元件、測量處理電路集成在一個芯片上制成的性價比高、使用方便的小型化傳感器。而利用集成電路技術工藝和微機械加工方法將基于各種物理效應的機電敏感元器件和處理電路集成在一個芯片上制成的微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）傳感器，其敏感結構的尺寸可達到微米、亞微米級，并且可以批量生產，具有體積小、質量小、響應快、靈敏度高、成本低等優勢。國外已形成MEMS產業，如MEMS加速度計、壓力傳感器已廣泛應用于汽車工業。

1.4.2　微型化、智能化、多功能傳感器

1. 微型化

微型（Micro）傳感器的特征之一就是體積小。集成電路技術、微機械加工技術等新技術新工藝的發展為傳感器的微型化提供了可能。采用微機械加工技術制作的敏感元件的尺寸一般為微米級，利用各向異性腐蝕、表面犧牲層技術和LIGA工藝（一種基于X射線光刻技術的微機械加工技術），可以制造出層與層之間有很大差別的三維微結構，包括可活動的膜片、懸臂梁、橋，以及凹槽、孔隙、錐體等。采用敏感結構和檢測電路的單芯片集成技術，能夠避免多芯片組裝時管腳引線引入的寄生效應，改善了器件的性能，提高了抗干擾能力。利用微電子和微機械加工技術制造出來的微型傳感器由于采用了系統級封裝方式，與傳統傳感器相比，具有體積小、質量小、成本低、功耗小、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。例如，典型的加速度傳感器包括質量塊、彈性元件、轉換元件、測量電路等部分。圖1.5所示的傳統壓電式加速度傳感器體積較大、功耗高、穩定性較差，而采用微機械加工技術制造出來的微型加速度傳感器尺寸僅為3mm×3mm×1mm，如圖1.6所示。在如此微小的芯片上不僅有傳感器本身，而且包括了信號處理電路。這樣的單軸、雙軸、三軸加速度計被廣泛應用于電子消費產品，如智能手機、游戲機，以及汽車安全氣囊、ABS制動系統和車輪動態穩定控制系統。

2. 智能化

智能傳感器（Smart Sensor）是20世紀80年代末出現的另外一種涉及多種學科的新型傳感器系統，是傳感器與微處理器、模糊理論與知識集成等技術相結合的產物。智能傳感器不但具有信息獲取、處理和存儲功能，而且還能夠進行邏輯判斷、自診斷、自校正等。

智能傳感器的主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器、微處理器、信號處理電路、存儲器、接口電路等。例如，ST-3000型智能壓力傳感器的主傳感器為壓力傳感器，用來探測壓力參數，其輔助傳感器為溫度傳感器和環境壓力傳感器，分別用來測定溫度和環境壓力，以實現對測量結果的校正；其硬件系統除了能夠對傳感器的弱輸出信號進行放大、處理和存儲，還能夠執行與計算機之間的通信聯絡。

與傳統的傳感器相比，智能傳感器具有以下優點：

（1）智能傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調節，能夠對所測的數值及其誤差進行補償，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷，能夠借助一覽表對非線性信號進行線性化處理，借助軟件濾波器濾波數字信號，對環境誤差進行補償，以改進測量精度。

（2）智能傳感器具有自診斷和自校準功能，可以用來檢測工作環境。當工作環境臨近其極限條件時，它將發出告警信號，并根據其分析器的輸入信號給出相關的診斷信息。當智能傳感器由于某些內部故障而不能正常工作時，它能夠借助其內部檢測鏈路找出異常現象或出故障的部件。

（3）智能傳感器能夠完成多傳感器多參數混合測量，進一步拓寬了其探測與應用領域，而微處理器的介入使得智能傳感器能夠更加方便地對多種信號進行實時處理。此外，其靈活的配置功能既能夠使相同類型的傳感器實現最佳的工作性能，也能夠使它們適用于各不相同的工作環境。

（4）智能傳感器既能夠很方便地實時處理其所探測到的大量數據，也可以根據需要將數據存儲起來。存儲大量數據的目的主要是以備事后查詢，這一類數據包括設備的歷史信息以及有關探測分析結果的索引等。

（5）智能傳感器備有一個數字式通信接口，通過此接口可以直接與其所屬計算機進行通信聯絡和交換信息。此外，智能傳感器的信息管理程序也非常簡單方便。例如，可以對探測系統進行遠距離控制或在鎖定方式下工作，也可以將所測的數據發送給遠程用戶等。

目前，智能傳感器技術正處于蓬勃發展時期。可以預見，隨著各類智能傳感器的開發應用，新興的智能傳感器將在各個領域發揮越來越大的作用。

3. 多功能

通常情況下，一種傳感器只能用來探測一種物理量，但在許多應用領域，為了能夠完美而準確地反映客觀事物和環境，往往需要同時測量大量的物理量。由若干敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而兼備多種功能的新一代探測系統，它可以借助敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式，用單獨一個傳感器系統來同時實現多種傳感器的功能。目前，已經生產出將若干敏感元件集成在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能（Multi-function）傳感器。例如，Sensirion公司在2002年推出的SHT11/SHT15單片集成溫濕度傳感器就是將溫/濕度傳感器元件、信號放大器、模/數（A/D）轉換器、校準數據存儲器、I2C總線等外圍調理電路全部集成在一個面積只有幾平方毫米的芯片上的一體化多功能傳感器。

概括來講，多功能傳感器系統主要的執行規則和結構模式如下。

（1）多功能傳感器系統由若干各不相同的敏感元件組成，可以用來同時測量多種參數。例如，可以將一個溫度探測器和一個濕度探測器配置在一起（將熱敏元件和濕敏元件分別配置在同一個傳感器承載體上）制造成一種新的傳感器，這種新的傳感器就能夠同時測量溫度和濕度。

（2）將若干不同的敏感元件精巧地制作在單獨的一塊芯片上，構成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。由于這些敏感元件工作環境相同，因此很容易對系統誤差進行補償和校正。

（3）借助同一個傳感器的不同效應可以獲得不同的信息。例如，渦流式傳感器線圈的阻抗隨被測導體的材質、缺陷、與導體的距離等的變化而發生變化，因此渦流式傳感器適用于振動、位移、探傷、材料分選等多種工程應用。

（4）在不同的激勵條件下，同一個敏感元件將表現出不同的特征。而在電壓、電流或溫度等激勵條件均不相同的情況下，由若干敏感元件組成的一個多功能傳感器的特征將千差萬別。

1.4.3　網絡化

傳感器網絡是當前國際備受關注的、由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域。傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而實現全面感知、可靠傳輸、智能處理，構建人與物、物與物互聯的智能信息服務系統。

傳感器的網絡化在軍事偵測、環境監測、智能家居、醫療健康、科學研究等眾多領域具有廣泛的應用前景。