传感器的新材料和新原理：发展趋势

传感技术的发展分为几个方面：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。

（1）开发新型传感器

随着研究的不断深入，人们将进一步通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科、各种新技术的互相渗透和综合利用，从而研制开发具有新原理、新功能的新型传感器。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。

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，一般说它的结构复杂，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。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。

随着生产的发展，各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的需求，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗的芯片发展很快，如TI2702运算放大器，静态功耗只有1.5mA，而工作电压只需2～5V。

随着科技的发展，数字化、网络化传感器应用日益广泛，以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流。

（2）开发新材料

材料是传感器技术的重要基础。由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。如半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维、纳米材料、超导材料等相继问世。半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器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，引起国内外学者的极大兴趣。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。

（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。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，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、分子束、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领域。例如，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、半球等各种形状的微型机械元件，制作出全硅谐振式压力传感器。(www.xing528.com)

（4）集成化、多功能化

集成化技术包括传感器与集成电路的集成制造技术以及多参量传感器的集成制造技术，缩小了传感器的体积，提高了抗干扰能力。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，制成集成块。例如，一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。

多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。在通常情况下，一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。

（5）智能化

所谓智能化传感器，就是将传感器获取信息的基本功能与专用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和逻辑判断功能，故可方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等：同时实现必要的自诊断、自检测、自校验以及通信与控制等功能。

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）向高精度发展

随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产相对精度在万分之一以上的传感器的厂家为数不多，其产量也远远不能满足要求。

（7）向高可靠性、宽温度范围发展

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-20～120℃，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。