1.2 传感器技术的发展

近几年迅速发展起来的现代信息技术的三大技术基础是信息的获取、信息的传输和信息的分析处理，也就是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。20世纪70年代以来，由于微电子技术的大力发展与进步，极大地促进了通信技术和计算机技术的快速发展。相对而言，传感器技术的发展却十分缓慢，被称为技术发展的瓶颈。这种发展不协调的状况及由此带来的负面影响在近几年科学技术的大发展过程中表现得尤为突出，制约了现代信息技术的整体发展与进步。因此，许多国家都把传感器技术列为重点发展的关键技术之一。美国曾把20世纪80年代看成传感器技术时代，将其并列为20世纪90年代22项关键技术之一；日本把传感器技术列为20世纪80年代10大技术之首。从20世纪80年代中后期开始，我国也把传感器技术列为国家优先发展的技术之一。

近年来，传感器技术的发展体现在提高与改善传感器的技术性能，寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等方面。

1.2.1 通过不同途径改善传感器的技术性能

1．差动技术

差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。

2．平均技术

在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值。若每个单元可能带来的误差均可看成随机误差且服从正态分布，则根据误差理论，总的误差将减小为

式中，n为传感单元数。

由此可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器的误差减小，还可增大信号量，即增大传感器的灵敏度。

3．补偿与修正技术

补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：①传感器本身的特性；②传感器的工作条件或外界环境。针对传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器的工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，设置恒温装置，但这样做往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿常常是可行的，这时应首先找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正既可以利用电子线路（硬件）来实现，也可以采用微型计算机通过软件来实现。

4．屏蔽、隔离与干扰抑制

传感器大都需要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时甚至是极其恶劣的。各种外界因素会影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：①减小传感器对影响因素的灵敏度；②降低外界因素对传感器实际作用的程度。

对于电磁干扰，既可以采用屏蔽、隔离措施，也可采用滤波等方法抑制。对于温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射，甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在将测量信号变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，以减小其影响。

5．稳定性处理

传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合来说。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件的性能将发生变化。提高传感器性能的稳定性措施为对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理，如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。

1.2.2 传感器技术的发展新动向

传感器技术目前正朝着开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化方向发展。

1．开发新型传感器

新型传感器包括采用新原理，填补传感器空白，仿生传感器等方面的内容，它们之间是互相联系的。

传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，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。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器一般结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展得也不够，世界各国都在物性型传感器方面投入了大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

例如，利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10-7；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10-6K的超低温；由于光子滞后效应的利用，出现了响应速度极快的红外传感器等。

大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身的人类本身，而且还设计了许许多多功能奇特、性能高超的生物传感器，如狗的嗅觉（灵敏阈为人的1060倍）；鸟的视觉（视力为人的8～50倍）；蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主动型生物雷达——超声波传感器）；蛇的接近觉（分辨率达0.001℃的红外测温传感器）等。这些动物的感官性能，是当今传感器技术所望尘莫及的。研究它们的机理，开发仿生传感器，也是引人注目的方向。

2．开发新材料

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，人们在制造材料时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出了用于各种传感器的功能材料。用复杂材料制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一，如半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器的工作温度远高于半导体；光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起了国内外学者的极大兴趣。

人们所应用的新型材料主要有以下几类。

(1）半导体敏感材料。包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等。硅具有相互兼容的、优良的电学特性和机械特性，因此，可以采用硅材料研制各种类型的硅微结构传感器。

(2）石英晶体材料，包括压电石英晶体和熔凝石英晶体（又称石英玻璃），具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性。同时，天然的石英晶体还具有良好的压电特性。因此，可以采用石英晶体材料研制各种微小型化的高精密传感器。

(3）功能陶瓷材料。目前已经能够按着人为的设计配方，制造出所要求性能的功能陶瓷材料。特别是对于气体传感器而言，用不同配方混合的原料，在精密调制化学成分的基础上，经高精度成型烧结而成的对某一种或某几种气体进行识别的功能识别陶瓷，可以用来制成新型气体传感器。

此外，一些化合物半导体材料、复合材料、薄膜材料、磁性材料、形状记忆合金材料、智能材料等，在传感器技术中也得到了成功的应用。

3．新工艺的采用

在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。传感器有逐渐小型化、微型化的趋势，这为传感器的应用带来了许多方便。基于IC制造技术发展起来的微机械加工工艺（微细加工技术，它是将离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术）可使被加工的敏感结构的尺寸达到微米、亚微米级，并可以批量生产，从而制造出既微型化，又便宜的传感器。例如，可以利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器。日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟、棱锥、半球等各种形状，制作出了全硅谐振式压力传感器。

微机械加工工艺主要包括：

(1）平面电子加工工艺技术，如光刻、扩散、沉积、氧化、溅射等；

(2）选择性的三维刻蚀工艺技术、各向异性腐蚀技术、外延技术、牺牲层技术、LIGA技术（X射线深层光刻、电铸成型、注塑工艺的组合）等；

(3）固相键合工艺技术，如Si-Si键合，实现硅一体化结构；

(4）机械切割技术，它将每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和残余应力；

(5）整体封装工艺技术，它将传感器芯片封装于一个合适的腔体内，隔离外界干扰对传感器芯片的影响，使传感器工作在较理想的状态。

4．集成化、多功能化

固态功能材料——半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化、多功能化开辟了广阔的前景。

所谓集成化，就是指在同一芯片上，或将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型、二维阵列（面）型传感器；或将传感器件与调理、补偿等电路集成一体化。前一种集成化使传感器的感测参数通过“点→线→面→体”的方式实现多维图像化，甚至能加上时序，变单参数检测为多参数检测。例如，一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。再如一种同时感测Na+，K+和H+离子的传感器，可感测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾患非常有意义，该传感器的尺寸为（2.5mm×0.5mm×0.5mm），可直接用导管送到心脏内进行检测。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除了可以同时进行多种参数的测量外，还可以对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，从而可反映出被测系统的整体状态。后一种集成化使传感器由单一的信号变换功能，扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多功能——实现了横向和纵向的多功能化。

5．传感器的智能化发展

随着微处理器技术的进步，传感器技术正在向智能化方向发展，这也是信息技术发展的必然趋势。所谓智能传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用的微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起，并具有诊断、数字双向通信等新功能的传感器。由于微处理器具有强大的计算与逻辑判断功能，故可以方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆与输出标准化（甚至是具有标准通信协议的总线式输出模式）等；同时，实现必要的自诊断、自感测、自校验，以及通信与控制等功能，能对已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。

智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。

6．传感器模型及其仿真技术

随着传感器技术的发展，涉及敏感元件输入/输出特性规律的参数，影响传感器输入/输出特性的不同环节的参数越来越多。因此，在分析、研究传感器的特性，设计、研制传感器的过程中，甚至在选用、对比传感器时，都要对传感器的工作机理进行有针对性的建立模型和深入细致的模拟计算。