傳感器技術和產品發(fā)展的重點

引言

傳感器技術是現(xiàn)代科技的前沿技術，是制造業(yè)自動化和信息化的基礎。隨著國內工業(yè)自動化、信息化和國防現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的年需求量持續(xù)增長。由于國內傳感器技術的創(chuàng)新和新產品開發(fā)能力落后于國外先進水平，制約了工業(yè)自動化和信息化技術的發(fā)展。

傳感器的基本原理不難，但制造工藝技術嚴格保密。國內傳感器技術落后的根本原因是制造工藝技術和專用工藝設備的落后，使傳感器的穩(wěn)定性和可靠性問題長期得不到根本解決，限制了國產傳感器的使用范圍和可信程度。與國外傳感器特別是高技術含量的傳感器相比，國產傳感器存在較大的差距。主要性能指標與國外差1～2個數(shù)量級，可靠性差2～3級。經過多年開發(fā)，雖然一批工藝和產品取得了科技成果，由于批產工藝的穩(wěn)定性和實用性得不到很好解決，成為產業(yè)化的瓶頸。

為此，必須加快發(fā)展傳感器制造工藝技術和產品。當前，應當重點發(fā)展以下幾個方面。

1、MEMS工藝和微傳感器

MEMS工藝是在硅平面工藝基礎上發(fā)展起來的一種通用的精密三維加工技術，是研究傳感器、微執(zhí)行器、微機械系統(tǒng)的核心技術。國外MEMS技術的發(fā)展已經有30年的歷史。應用MEMS工藝，不僅可以制造簡單的三維微結構，而且可以做成三維運動結構和復雜的力平衡結構，使現(xiàn)代傳感器技術從單一的物性型進入以微電子和微機械集成技術為主導的發(fā)展階段。微機電傳感器的優(yōu)良性能和優(yōu)越的性價比，將取代傳統(tǒng)的傳感器而占有很大的市場份額。在MEMS器件的生產方面，國外已經形成3種類型的生產規(guī)模。大型企業(yè)年產100萬只以上；中等規(guī)模年產在1萬～100萬只；一些研究所年產1萬只以下。最近，美國SMI公司開發(fā)一系列低價位，線性度為0.11%～0.165%的硅微壓力傳感器，具有獨特的三維結構，敏感元件的體積為Lm量級，是傳統(tǒng)傳感器的幾百分之一。美國在2cm×2cm×0.15cm的體積內，制造了由3個陀螺和3個加速度計組成的微型慣性導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的質量為5g，體積只有小型慣性導航系統(tǒng)的01012%。

近年來，國內MEMS工藝和新型傳感器的研究不斷深入和擴展，開發(fā)成功并形成產品的是壓力傳感器、加速度傳感器、微型陀螺以及各種微執(zhí)行器、微電極、微流量計、軍用微傳感器。但只有壓力傳感器等少數(shù)產品，采用自主開發(fā)的工藝技術，實現(xiàn)了從芯片制造到裝配測試全過程的批量生產。

目前，應當特別重視MEMS基本工藝的應用技術研究，開發(fā)專用工藝裝備，使這些工藝在產業(yè)化生產中應用。現(xiàn)在應用的工藝設備大部分依靠進口，投資和運行成本比較高。為此，必須重視國產工藝設備的開發(fā)。沈陽儀表科學研究院開發(fā)的靜電封接設備、硅油充灌設備、硅膜片腐蝕設備、性能測試設備和硅片劃片設備為MEMS部分工藝的穩(wěn)定運行提供了設備基礎，部分設備已經在行業(yè)推廣。

2、集成工藝和集成傳感器

采用混合集成工藝，將微傳感器、微驅動器、微執(zhí)行器以及信號處理器和控制電路、接口、通訊和電源等組成一體化系統(tǒng)。集成工藝的進一步發(fā)展，可以使硅微傳感器和微電子系統(tǒng)以及微執(zhí)行器制造在一個芯片上形成單片集成，構成一個閉環(huán)工作系統(tǒng)，這不僅是傳感技術概念的擴展和引申，還會在工業(yè)過程控制、航空航天、生物醫(yī)學等方面發(fā)揮巨大作用。

采用MEMS技術和集成技術研制的微傳感器和微系統(tǒng)，具有體積小、成本低、可靠性高等獨特的優(yōu)點。例如，國外研制的壓力成像器的微系統(tǒng)，整個膜片的尺寸為10mm×10mm，集成1024個微型壓力傳感器，傳感器之間的距離為250Lm，每個壓力膜片的尺寸為50Lm×50Lm。Tronic公司在直徑100mm的SOI基片上集成了5500多個電容式壓力敏感元件。

物性的功能性和集成化是把多個具有不同固有特性的傳感器集成在同一芯片上，例如，多功能集成FET生物傳感器將多個不同固有成分選擇性的ISFET集成在同一芯片上，實現(xiàn)了高準確度的多成分分析。日本電氣公司已經研制成檢測葡萄糖、尿素、維生素K和白4種成分的集成FET傳感器。已經獲得廣泛應用的多功能硅壓力/差壓傳感器是小型集成化的典型。沈陽儀表科學研究院在4mm×4mm的硅片上，采用微電子平面工藝和微機械加工工藝，開發(fā)了三坯雙島的復合敏感結構，實現(xiàn)了差壓、靜壓和溫度三參數(shù)的同時測量。

3、智能化技術與智能傳感器

單片機的出現(xiàn)進一步促進了檢測轉換技術與信號處理的結合。傳統(tǒng)的對檢測變換單一信號處理，可擴展到同時對被測對象內部狀態(tài)信號和環(huán)境狀態(tài)信號進行多信號處理。新一代的傳感器都將由一個結構敏感元件和一個表面功能器件復合構成。在傳感器設計中所應用的信號處理新方法，如信號相關、多路輸入信號比較、數(shù)字濾波、采樣處理等，現(xiàn)已普遍采用微機數(shù)字化技術來實現(xiàn)，這樣不僅使測量功能多樣化，還使具有不同測量功能的電路成為緊湊的整體，從而提高檢測性能。采用單片機通過軟件開發(fā)使之成為智能傳感器，能適應被測參數(shù)的變化來自動補償、自動校正、自選量程、自尋故障，配有數(shù)字輸出，實現(xiàn)雙向通信，并具有較強的環(huán)境適應性。

傳感器智能化是當前傳感器技術的主要發(fā)展方向之一。傳感器技術和智能化技術的結合，使傳感器由單一功能、單一檢測對象向多功能和多變量檢測發(fā)展，也使傳感器由被動進行信號轉換向主動控制傳感器特性和主動進行信息處理發(fā)展，使傳感器由孤立的元器件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。

智能傳感器的典型代表是高性能的智能工業(yè)變送器。代表產品有日本橫河電機的EJA系列智能變送器，ABB公司的MV2000T系列多功能差壓/壓力變送器，Rosemount公司的3095MV多參數(shù)質量流量變送器。分別采用硅諧振傳感器、復合微硅固態(tài)傳感器和高精度電容傳感器作為敏感元件，精度達到0.1075%，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，十年內不用調零。最近日本橫河電機公司成功開發(fā)采用多變量傳感器的EJX系列變送器，精度可達0.1025%。

在今后一段時間內，智能傳感器應當向下面兩個方向發(fā)展：

（1）通過MEMS工藝和IC平面工藝的融合技術，將微處理器和微傳感器集成在一個硅芯片上。依靠軟件技術，大大提高傳感器的準確性、穩(wěn)定性和可靠性，設計制造出新一代全數(shù)字式智能傳感器。

（2）采用硬件軟化、軟件集成、虛擬現(xiàn)實、軟測量等人工智能的方法和技術，在傳感器技術和計算機技術的基礎上，研究開發(fā)具有擬人智能特性或功能的智能化傳感器。

4、網(wǎng)絡化技術和網(wǎng)絡傳感器

網(wǎng)絡傳感器是以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感器、信號處理器和網(wǎng)絡接口的新一代傳感器。在網(wǎng)絡傳感器中，采用嵌入式技術和集成技術，使傳感器的體積減小，抗干擾性能和可靠性提高；微處理器的引入，使網(wǎng)絡化傳感器成為硬件和軟件的結合體，根據(jù)輸入信號進行判斷、決策、自動修正和補償，提高了控制系統(tǒng)的實時性和可靠性；網(wǎng)絡接口技術的應用，為系統(tǒng)的擴充提供了極大的方便，減少了現(xiàn)場布線的復雜性和電纜的數(shù)量。

目前，網(wǎng)絡傳感器具有兩種基本方案：基于IEEE145112標準的有線網(wǎng)絡傳感器和基于IEEE145112及藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡傳感器。IEEE1451網(wǎng)絡傳感器代表了下一代傳感器的發(fā)展方向?，F(xiàn)在設計基于IEEE145112標準的網(wǎng)絡化傳感器具有專用接口模塊和集成芯片如ED1520、PLCC-44，軟件模塊采用IEEE145112標準的STIM模塊。在無線網(wǎng)絡化傳感器方面，國外已經推出了基于藍牙技術的硬件和軟件開發(fā)平臺，如愛立信公司的藍牙開發(fā)系統(tǒng)EBDK，AD公司的快速開發(fā)系統(tǒng)QSDK.利用開發(fā)系統(tǒng)可以方便、快速地開發(fā)出基于藍牙協(xié)議的無線電發(fā)送和接收模塊。

網(wǎng)絡傳感器的開發(fā)，使測控系統(tǒng)主動進行信息處理以及遠距離實時在線測量成為可能。國內對于網(wǎng)絡化傳感的開發(fā)處于起步階段，隨著全方位的參數(shù)檢測的需要和網(wǎng)絡化技術的發(fā)展，網(wǎng)絡傳感器將成為今后研究的熱點。

結束語

目前，傳感器技術的發(fā)展正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關鍵階段，這是一次傳感器發(fā)展歷史上的重大變革。要抓住機遇，立意創(chuàng)新，迎接挑戰(zhàn)。加強具有自主知識產權的新型傳感器的開發(fā)，加速現(xiàn)有科研成果的轉化和產業(yè)化，迅速提高國產傳感器的市場占有率。