傳感器技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的重點(diǎn)

引言

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是制造業(yè)自動(dòng)化和信息化的基礎(chǔ)。隨著國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)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(zhǎng)。由于國內(nèi)傳感器技術(shù)的創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)能力落后于國外先進(jìn)水平，制約了工業(yè)自動(dòng)化和信息化技術(shù)的發(fā)展。

傳感器的基本原理不難，但制造工藝技術(shù)嚴(yán)格保密。國內(nèi)傳感器技術(shù)落后的根本原因是制造工藝技術(shù)和專用工藝設(shè)備的落后，使傳感器的穩(wěn)定性和可靠性問題長(zhǎng)期得不到根本解決，限制了國產(chǎn)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(shù)含量的傳感器相比，國產(chǎn)傳感器存在較大的差距。主要性能指標(biāo)與國外差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，可靠性差2～3級(jí)。經(jīng)過多年開發(fā)，雖然一批工藝和產(chǎn)品取得了科技成果，由于批產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和實(shí)用性得不到很好解決，成為產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

為此，必須加快發(fā)展傳感器制造工藝技術(shù)和產(chǎn)品。當(dāng)前，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)發(fā)展以下幾個(gè)方面。

1、MEMS工藝和微傳感器

MEMS工藝是在硅平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種通用的精密三維加工技術(shù)，是研究傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械系統(tǒng)的核心技術(shù)。國外MEMS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有30年的歷史。應(yīng)用MEMS工藝，不僅可以制造簡(jiǎn)單的三維微結(jié)構(gòu)，而且可以做成三維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的力平衡結(jié)構(gòu)，使現(xiàn)代傳感器技術(shù)從單一的物性型進(jìn)入以微電子和微機(jī)械集成技術(shù)為主導(dǎo)的發(fā)展階段。微機(jī)電傳感器的優(yōu)良性能和優(yōu)越的性價(jià)比，將取代傳統(tǒng)的傳感器而占有很大的市場(chǎng)份額。在MEMS器件的生產(chǎn)方面，國外已經(jīng)形成3種類型的生產(chǎn)規(guī)模。大型企業(yè)年產(chǎn)100萬只以上；中等規(guī)模年產(chǎn)在1萬～100萬只；一些研究所年產(chǎn)1萬只以下。最近，美國SMI公司開發(fā)一系列低價(jià)位，線性度為0.11%～0.165%的硅微壓力傳感器，具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，敏感元件的體積為L(zhǎng)m量級(jí)，是傳統(tǒng)傳感器的幾百分之一。美國在2cm×2cm×0.15cm的體積內(nèi)，制造了由3個(gè)陀螺和3個(gè)加速度計(jì)組成的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的質(zhì)量為5g，體積只有小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的01012%。

近年來，國內(nèi)MEMS工藝和新型傳感器的研究不斷深入和擴(kuò)展，開發(fā)成功并形成產(chǎn)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(jì)、軍用微傳感器。但只有壓力傳感器等少數(shù)產(chǎn)品，采用自主開發(fā)的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從芯片制造到裝配測(cè)試全過程的批量生產(chǎn)。

目前，應(yīng)當(dāng)特別重視MEMS基本工藝的應(yīng)用技術(shù)研究，開發(fā)專用工藝裝備，使這些工藝在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用?，F(xiàn)在應(yīng)用的工藝設(shè)備大部分依靠進(jìn)口，投資和運(yùn)行成本比較高。為此，必須重視國產(chǎn)工藝設(shè)備的開發(fā)。沈陽儀表科學(xué)研究院開發(fā)的靜電封接設(shè)備、硅油充灌設(shè)備、硅膜片腐蝕設(shè)備、性能測(cè)試設(shè)備和硅片劃片設(shè)備為MEMS部分工藝的穩(wěn)定運(yùn)行提供了設(shè)備基礎(chǔ)，部分設(shè)備已經(jīng)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(qū)動(dòng)器、微執(zhí)行器以及信號(hào)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(jìn)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(gè)芯片上形成單片集成，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)工作系統(tǒng)，這不僅是傳感技術(shù)概念的擴(kuò)展和引申，還會(huì)在工業(yè)過程控制、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等方面發(fā)揮巨大作用。

采用MEMS技術(shù)和集成技術(shù)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。例如，國外研制的壓力成像器的微系統(tǒng)，整個(gè)膜片的尺寸為10mm×10mm，集成1024個(gè)微型壓力傳感器，傳感器之間的距離為250Lm，每個(gè)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(gè)電容式壓力敏感元件。

物性的功能性和集成化是把多個(gè)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(gè)不同固有成分選擇性的ISFET集成在同一芯片上，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度的多成分分析。日本電氣公司已經(jīng)研制成檢測(cè)葡萄糖、尿素、維生素K和白4種成分的集成FET傳感器。已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)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(xué)研究院在4mm×4mm的硅片上，采用微電子平面工藝和微機(jī)械加工工藝，開發(fā)了三坯雙島的復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了差壓、靜壓和溫度三參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。

3、智能化技術(shù)與智能傳感器

單片機(jī)的出現(xiàn)進(jìn)一步促進(jìn)了檢測(cè)轉(zhuǎn)換技術(shù)與信號(hào)處理的結(jié)合。傳統(tǒng)的對(duì)檢測(cè)變換單一信號(hào)處理，可擴(kuò)展到同時(shí)對(duì)被測(cè)對(duì)象內(nèi)部狀態(tài)信號(hào)和環(huán)境狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行多信號(hào)處理。新一代的傳感器都將由一個(gè)結(jié)構(gòu)敏感元件和一個(gè)表面功能器件復(fù)合構(gòu)成。在傳感器設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的信號(hào)處理新方法，如信號(hào)相關(guān)、多路輸入信號(hào)比較、數(shù)字濾波、采樣處理等，現(xiàn)已普遍采用微機(jī)數(shù)字化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這樣不僅使測(cè)量功能多樣化，還使具有不同測(cè)量功能的電路成為緊湊的整體，從而提高檢測(cè)性能。采用單片機(jī)通過軟件開發(fā)使之成為智能傳感器，能適應(yīng)被測(cè)參數(shù)的變化來自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校正、自選量程、自尋故障，配有數(shù)字輸出，實(shí)現(xiàn)雙向通信，并具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

傳感器智能化是當(dāng)前傳感器技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。傳感器技術(shù)和智能化技術(shù)的結(jié)合，使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)對(duì)象向多功能和多變量檢測(cè)發(fā)展，也使傳感器由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制傳感器特性和主動(dòng)進(jìn)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(luò)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(chǎn)品有日本橫河電機(jī)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(zhì)量流量變送器。分別采用硅諧振傳感器、復(fù)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(dá)到0.1075%，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，十年內(nèi)不用調(diào)零。最近日本橫河電機(jī)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(dá)0.1025%。

在今后一段時(shí)間內(nèi)，智能傳感器應(yīng)當(dāng)向下面兩個(gè)方向發(fā)展：

（1）通過MEMS工藝和IC平面工藝的融合技術(shù)，將微處理器和微傳感器集成在一個(gè)硅芯片上。依靠軟件技術(shù)，大大提高傳感器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)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(shí)、軟測(cè)量等人工智能的方法和技術(shù)，在傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)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(luò)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳感器

網(wǎng)絡(luò)傳感器是以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感器、信號(hào)處理器和網(wǎng)絡(luò)接口的新一代傳感器。在網(wǎng)絡(luò)傳感器中，采用嵌入式技術(shù)和集成技術(shù)，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(luò)化傳感器成為硬件和軟件的結(jié)合體，根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷、決策、自動(dòng)修正和補(bǔ)償，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性；網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的應(yīng)用，為系統(tǒng)的擴(kuò)充提供了極大的方便，減少了現(xiàn)場(chǎng)布線的復(fù)雜性和電纜的數(shù)量。

目前，網(wǎng)絡(luò)傳感器具有兩種基本方案：基于IEEE145112標(biāo)準(zhǔn)的有線網(wǎng)絡(luò)傳感器和基于IEEE145112及藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器。IEEE1451網(wǎng)絡(luò)傳感器代表了下一代傳感器的發(fā)展方向?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)基于IEEE145112標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)的STIM模塊。在無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器方面，國外已經(jīng)推出了基于藍(lán)牙技術(shù)的硬件和軟件開發(fā)平臺(tái)，如愛立信公司的藍(lán)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(lán)牙協(xié)議的無線電發(fā)送和接收模塊。

網(wǎng)絡(luò)傳感器的開發(fā)，使測(cè)控系統(tǒng)主動(dòng)進(jìn)行信息處理以及遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測(cè)量成為可能。國內(nèi)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化傳感的開發(fā)處于起步階段，隨著全方位的參數(shù)檢測(cè)的需要和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳感器將成為今后研究的熱點(diǎn)。

結(jié)束語

目前，傳感器技術(shù)的發(fā)展正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)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(jī)遇，立意創(chuàng)新，迎接挑戰(zhàn)。加強(qiáng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型傳感器的開發(fā)，加速現(xiàn)有科研成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，迅速提高國產(chǎn)傳感器的市場(chǎng)占有率。