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传感器技术的应用和发展现状综述摘要：本文介绍了传感器技术的定义，常用的分类方法，作用及发展过程，分析了传感器技术的发展趋势，阐述了传感器在现代科学技术与生活中的一些主要应用。关键词:传感器技术，发展过程，发展趋势，产业现状，应用。引言传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。可以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，而当今世界正面临一场新的技术革命，这场革命的主要基础是信息技术，而传感器技术被认为是信息技术三大支柱之一。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一，广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、工业自动化、家电等诸多领域。目前在全世界有6000多家公司生产传感器，品种多达上万种，可以说传感器的应用几乎渗透到人类活动的各个领[1]。一、传感器技术及发展1、传感器技术概述1.1传感器的定义传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器一般被认为由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源[2]。传感器可以直接接触被测对象，也可以不接触。通常对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是:高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作范围等[3]。1.2传感器的分类由于传感器的种类繁多，所以分类方法也有多种。1)按传感器的检测信息来分可分为光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。2)按转换原理可分为物理传感器，化学传感器，生物传感器①物理传感器：指利用物质的物理现象和效应感知并检测出待测对象信息的器件。它分为2类:结构型传感器(如电容传感器、电感传感器等)；物性型传感器(如光电传感器、压电传感器等)。物理传感器开发早，发展快、品种多、应用广。目前正向集成化、系列化、智能化发展。②化学传感器：化学传感器主要是利用化学反应来识别和检测信息的器件。如气敏传感器湿敏传感器和离子敏传感器。这类传感器很有发展前途可在环境保护、火灾报警、医疗卫生和家用电器方面有极其广泛的使用。③生物传感器：是利用生物化学反应的器件，由固定生物体材料和适当转换器件组合成的系统，与化学传感器有密切关系。如味觉传感器，听觉传感器等。该类传感器目前发展还不成熟，尚在研发过程中。3）按其输出信号可分为模拟传感器、数字传感器和开关转换器。4）按传感器使用的材料可分为：半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器、金属材料传感器、高分子材料传感器、超导材料传感器、光纤材料传感器、纳米材料传感器等。5）按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器①能量转换型传感器：主要由能量变换元件构成，不需用外加电源，基于物理效应产生信息，如热敏电阻、光敏电阻等。②能量控制型传感器：在信息变换过程中，需外加电源供给。如霍尔传感器、电容传感器。6)按照其制造工艺，可以将传感器区分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器等。7）按用传感器途可分为：位移传感器，压力传感器，振动传感器，温度传感器，其他用途传感器。8）根据传输与转换的过程可分为：双向（可逆）传感器，单向（不可逆）传感器。9）按输出量分为：模拟量传感器和数字量传感器。①数字量传感器：数字传感器直接输出数字量，不需使用A/D转换器，就可与计算机联机，提高系统可靠性和精确度，具有抗干扰能力强，适宜远距离传输等优点，是传感器发展方向之一。1.3传感器技术的作用和地位当今社会的发展，就是信息社会的发展。早在20世纪80年代，美国就认为世界已进入传感器时代，日本也将传感器技术列为十大技术之首。我国将传感器技术列为国家八五重点科技攻关项目，建成了“传感器技术国家重点实验室”、“微纳米国家重点实验室”、“国家传感器工程中心”等研究开发基地。而且MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。2、传感技术的发展过程传感技术大体可分3代，第1代是结构型传感器。它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的.第2代传感器是70年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化.例如:电荷耦合器件(CCD)，集成温度传感器AD590，集成霍尔传感器UGN3501等.这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速，现已占传感器市场的2/3左右，它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器.所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等[4]。二、传感器技术的发展趋势科学技术的发展使得人们对传感器技术越来越重视，认识到它是影响人们生活水平的重要因素之一。因此对传感器的开发成为目前最热门的研究课题之一。传感器技术发展趋势可以从以下几方面来看。一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化；三是通过传感器与其它学科的交叉整合，实现无线网络化。3.1新材料开发传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，使传感器技术越来越成熟，传感器种类越来越多。除了早期使用的材料，如:半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维以及超导材料的发展，为传感器技术发展提供物质基础.未来将会有更新式材料开发出来，如纳米材料等。最近，美国NRC公司已开发纳米ZrO2气体传感器。在控制汽车尾气的排放效果很好，应用前景广阔。采用纳米材料制作的传感器具有庞大的界面，提供大量的气体通道，导通电阻很小，有利于传感器向微型化发展。3.2多功能集成传感器在一块集成传感器上可以同时测量多个被测量称为多功能集成传感器。80年代末期，日本丰田研究所报导了可以检测Na+，K+和H+多离子传感器。最近国内已经研制硅压阻式复合传感器，可以同时测量温度和压力等。3.3集成化技术随着LSI技术发展和半导体细加工技术的进步，传感器也逐渐采用集成化技术，实现高性能化和小型化。集成温度传感器、集成压力传感器等早已被使用，今后将有更多集成传感器被开发出来。3.4智能化传感器智能化传感器是一种带微处理器的传感器。兼有检测判断和信息处理功能，例如美国霍尼尔公司的ST-3000型传感器是一种能够进行检测和信号处理的智能传感器，具有微处理器和存贮器功能。可测差压、静压及温度等。智能传感器具有测量、存储、通信、控制等特点，20多年来，智能化传感器有了很大发展。近年来，智能化传感器发展开始同人工智能相结合。创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，称为软传感技术.它已经在家用电器方面得到利用，相信未来将会更加成熟。智能化传感器是传感技术未来发展的主要方向。3.5加工技术微精细化[5]随着传感器产品质量档次的提升，加工技术的微精细化在传感器的生产中占有越来越重要的地位。微机械加工技术是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器制造工艺。例如，溅射、蒸镀等离子体刻蚀、化学气相淀积(CVD)、外延生长、扩散、腐蚀、光刻等。另外一个发展趋势是越来越多的生产厂家将传感器作为一种工艺品来精雕细琢。无论是每一根导线，还是导线防水接头的出孔。3.6多学科交叉融合推动无线传感器网络的发展无线传感器网络是由大量无处不在的，有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的智能系统。它是涉及微传感器与微机械、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合技术，其应用已由军事领域扩展到反恐、防爆、环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等众多领域，有着广泛的应用前景，因此1999年和2003年美国商业周刊和MIT技术评论TechnologyReview在预测未来技术发展的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。三、传感器技术的产业现状4.1世界各国传感器产业现状如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置一一传感器没有跟上信息技术的发展，于是传感器受到普遍重视，从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”，世界各国普遍重视并加大投入，美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一，使传感器技术发展十分迅速。近十几年来，传感器产量及市场需求迅速增长，年增长率均在10%以上。1999年全球传感器产量可达870亿只，市场总额约为:630亿美元，专家预测2000年产量可达960亿只，市场总额可在700亿美元，同比增长11%。其中美国、欧洲、日本将分别达到150，100，80亿美元。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到1000余家。美国、欧洲、俄罗斯各有从事传感器研究生产厂家1000余家，日本有800余家，其中不少是世界上著名厂商，例如美国福克斯波罗（Foxboro）公司，霍尼韦尔公司(Honeywell)恩德福克公司兼并了丹麦BK公司、德国的西门子、荷兰的飞利浦、俄罗斯的科学院半导体所、热工仪表所等。美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，并成立了国家技术小组(BTG)帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有:项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的40项关键技术。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视，并把传感器技术与计算机、通信激光半导体、超导列为国家重点发展6大核心技术，日本科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关日本工商界人士甚至声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。我国早已把传感器技术列为国家八五重点攻关项目及中长期科技发展重点新技术之一，并先后组建了黑龙江(气敏)、安徽(力敏)、陕西(电压敏)三个产业基地与企业集团。我国传感器的研制开发虽然不晚，但由于受国民经济发展水平及资金的限制，加之对其重要性认识不足，致使这个行业的技术落后、发展缓慢规模较小，应用较窄，真正处于方兴未艾的阶段。我国从事传感器开发生产的单位己达1300余家，主要产品已有3000多种1990年传感器产量已达1只，产值是5.8亿元，利税1.7亿元。结构型占:67.9%，物理型占31.1%，智能型占