1.2 傳感器技術的發展

近幾年迅速發展起來的現代信息技術的三大技術基礎是信息的獲取、信息的傳輸和信息的分析處理，也就是傳感器技術、通信技術和計算機技術，它們分別構成信息技術系統的“感官”、“神經”和“大腦”。20世紀70年代以來，由于微電子技術的大力發展與進步，極大地促進了通信技術和計算機技術的快速發展。相對而言，傳感器技術的發展卻十分緩慢，被稱為技術發展的瓶頸。這種發展不協調的狀況及由此帶來的負面影響在近幾年科學技術的大發展過程中表現得尤為突出，制約了現代信息技術的整體發展與進步。因此，許多國家都把傳感器技術列為重點發展的關鍵技術之一。美國曾把20世紀80年代看成傳感器技術時代，將其并列為20世紀90年代22項關鍵技術之一；日本把傳感器技術列為20世紀80年代10大技術之首。從20世紀80年代中后期開始，我國也把傳感器技術列為國家優先發展的技術之一。

近年來，傳感器技術的發展體現在提高與改善傳感器的技術性能，尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等方面。

1.2.1 通過不同途徑改善傳感器的技術性能

1．差動技術

差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的應用可顯著地減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可使靈敏度增大。

2．平均技術

在傳感器中普遍采用平均技術可產生平均效應，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值。若每個單元可能帶來的誤差均可看成隨機誤差且服從正態分布，則根據誤差理論，總的誤差將減小為

式中，n為傳感單元數。

由此可見，在傳感器中利用平均技術不僅可使傳感器的誤差減小，還可增大信號量，即增大傳感器的靈敏度。

3．補償與修正技術

補償與修正技術的運用大致針對兩種情況：①傳感器本身的特性；②傳感器的工作條件或外界環境。針對傳感器特性，可以找出誤差的變化規律，或者測出其大小和方向，采用適當的方法加以補償或修正。針對傳感器的工作條件或外界環境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，設置恒溫裝置，但這樣做往往費用太高，或使用現場不允許。而在傳感器內引入溫度誤差補償常常是可行的，這時應首先找出溫度對測量值影響的規律，然后引入溫度補償措施。補償與修正既可以利用電子線路（硬件）來實現，也可以采用微型計算機通過軟件來實現。

4．屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都需要在現場工作，現場的條件往往是難以充分預料的，有時甚至是極其惡劣的。各種外界因素會影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法有：①減小傳感器對影響因素的靈敏度；②降低外界因素對傳感器實際作用的程度。

對于電磁干擾，既可以采用屏蔽、隔離措施，也可采用濾波等方法抑制。對于溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射，甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在將測量信號變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，以減小其影響。

5．穩定性處理

傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合來說。造成傳感器性能不穩定的原因是：隨著時間的推移和環境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件的性能將發生變化。提高傳感器性能的穩定性措施為對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩定性處理，如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩磁處理、電氣元件的老化篩選等。在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調整元件、后續電路的關鍵元器件進行老化處理。

1.2.2 傳感器技術的發展新動向

傳感器技術目前正朝著開展基礎研究，發現新現象，開發傳感器的新材料和新工藝，實現傳感器的集成化與智能化方向發展。

1．開發新型傳感器

新型傳感器包括采用新原理，填補傳感器空白，仿生傳感器等方面的內容，它們之間是互相聯系的。

傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，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物性型傳感器件，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。結構型傳感器發展得較早，目前日趨成熟。結構型傳感器一般結構復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優點，加之過去發展得也不夠，世界各國都在物性型傳感器方面投入了大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發展動向。

例如，利用核磁共振吸收效應的磁敏傳感器，可將檢測限擴展到地磁強度的10-7；利用約瑟夫遜效應的熱噪聲溫度傳感器，可測量10-6K的超低溫；由于光子滯后效應的利用，出現了響應速度極快的紅外傳感器等。

大自然是生物傳感器的優秀設計師。它通過漫長的歲月，不僅造就了集多種感官于一身的人類本身，而且還設計了許許多多功能奇特、性能高超的生物傳感器，如狗的嗅覺（靈敏閾為人的1060倍）；鳥的視覺（視力為人的8～50倍）；蝙蝠、飛蛾、海豚的聽覺（主動型生物雷達——超聲波傳感器）；蛇的接近覺（分辨率達0.001℃的紅外測溫傳感器）等。這些動物的感官性能，是當今傳感器技術所望塵莫及的。研究它們的機理，開發仿生傳感器，也是引人注目的方向。

2．開發新材料

傳感器材料是傳感器技術的重要基礎。由于材料科學的進步，人們在制造材料時，可任意控制它們的成分，從而設計制造出了用于各種傳感器的功能材料。用復雜材料制造性能更加良好的傳感器是今后的發展方向之一，如半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器的工作溫度遠高于半導體；光導纖維的應用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統的相比有突出的特點。有機材料作為傳感器材料的研究，引起了國內外學者的極大興趣。

人們所應用的新型材料主要有以下幾類。

(1）半導體敏感材料。包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、硅藍寶石等。硅具有相互兼容的、優良的電學特性和機械特性，因此，可以采用硅材料研制各種類型的硅微結構傳感器。

(2）石英晶體材料，包括壓電石英晶體和熔凝石英晶體（又稱石英玻璃），具有極高的機械品質因數和非常好的溫度穩定性。同時，天然的石英晶體還具有良好的壓電特性。因此，可以采用石英晶體材料研制各種微小型化的高精密傳感器。

(3）功能陶瓷材料。目前已經能夠按著人為的設計配方，制造出所要求性能的功能陶瓷材料。特別是對于氣體傳感器而言，用不同配方混合的原料，在精密調制化學成分的基礎上，經高精度成型燒結而成的對某一種或某幾種氣體進行識別的功能識別陶瓷，可以用來制成新型氣體傳感器。

此外，一些化合物半導體材料、復合材料、薄膜材料、磁性材料、形狀記憶合金材料、智能材料等，在傳感器技術中也得到了成功的應用。

3．新工藝的采用

在發展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。傳感器有逐漸小型化、微型化的趨勢，這為傳感器的應用帶來了許多方便。基于IC制造技術發展起來的微機械加工工藝（微細加工技術，它是將離子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等用于微電子加工的技術）可使被加工的敏感結構的尺寸達到微米、亞微米級，并可以批量生產，從而制造出既微型化，又便宜的傳感器。例如，可以利用半導體技術制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器。日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術進行高精度三維加工，在硅片上構成孔、溝、棱錐、半球等各種形狀，制作出了全硅諧振式壓力傳感器。

微機械加工工藝主要包括：

(1）平面電子加工工藝技術，如光刻、擴散、沉積、氧化、濺射等；

(2）選擇性的三維刻蝕工藝技術、各向異性腐蝕技術、外延技術、犧牲層技術、LIGA技術（X射線深層光刻、電鑄成型、注塑工藝的組合）等；

(3）固相鍵合工藝技術，如Si-Si鍵合，實現硅一體化結構；

(4）機械切割技術，它將每個芯片用分離切斷技術分割開來，以避免損傷和殘余應力；

(5）整體封裝工藝技術，它將傳感器芯片封裝于一個合適的腔體內，隔離外界干擾對傳感器芯片的影響，使傳感器工作在較理想的狀態。

4．集成化、多功能化

固態功能材料——半導體、電介質、強磁體的進一步開發和集成技術的不斷發展，為傳感器集成化、多功能化開辟了廣闊的前景。

所謂集成化，就是指在同一芯片上，或將眾多同一類型的單個傳感器件集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器；或將傳感器件與調理、補償等電路集成一體化。前一種集成化使傳感器的感測參數通過“點→線→面→體”的方式實現多維圖像化，甚至能加上時序，變單參數檢測為多參數檢測。例如，一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經研制成功。再如一種同時感測Na+，K+和H+離子的傳感器，可感測血液中的鈉、鉀和氫離子的濃度，對診斷心血管疾患非常有意義，該傳感器的尺寸為（2.5mm×0.5mm×0.5mm），可直接用導管送到心臟內進行檢測。把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除了可以同時進行多種參數的測量外，還可以對這些參數的測量結果進行綜合處理和評價，從而可反映出被測系統的整體狀態。后一種集成化使傳感器由單一的信號變換功能，擴展為兼有放大、運算、干擾補償等多功能——實現了橫向和縱向的多功能化。

5．傳感器的智能化發展

隨著微處理器技術的進步，傳感器技術正在向智能化方向發展，這也是信息技術發展的必然趨勢。所謂智能傳感器就是將傳感器獲取信息的基本功能與專用的微處理器的信息分析、處理功能緊密結合在一起，并具有診斷、數字雙向通信等新功能的傳感器。由于微處理器具有強大的計算與邏輯判斷功能，故可以方便地對數據進行濾波、變換、校正補償、存儲記憶與輸出標準化（甚至是具有標準通信協議的總線式輸出模式）等；同時，實現必要的自診斷、自感測、自校驗，以及通信與控制等功能，能對已獲得的大量數據進行分割處理，實現遠距離、高速度、高精度傳輸等。

智能傳感器是傳感器技術與大規模集成電路技術相結合的產物，它的實現取決于傳感技術與半導體集成化工藝水平的提高與發展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產和使用方便等優點，是傳感器重要的發展方向之一。

6．傳感器模型及其仿真技術

隨著傳感器技術的發展，涉及敏感元件輸入/輸出特性規律的參數，影響傳感器輸入/輸出特性的不同環節的參數越來越多。因此，在分析、研究傳感器的特性，設計、研制傳感器的過程中，甚至在選用、對比傳感器時，都要對傳感器的工作機理進行有針對性的建立模型和深入細致的模擬計算。