1.4　传感器的发展趋势

传感器未来的发展趋势突出表现在以下3个方面：

（1）开发新原理、新材料、新工艺的新型传感器。

（2）实现传感器的微型化、多功能化和智能化。

（3）多传感器的集成融合，以及传感器与其他学科的交叉融合，实现传感器的无线网络化。

1.4.1　新原理、新材料、新工艺的开发利用

传感器的工作原理是基于各种物理学、化学或生物学效应和定律，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传感器，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。

新型传感器的发展离不开新工艺的采用。目前种类繁多、应用广泛的集成传感器就是利用集成电路工艺，将半导体敏感元件、测量处理电路集成在一个芯片上制成的性价比高、使用方便的小型化传感器。而利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上制成的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）传感器，其敏感结构的尺寸可达到微米、亚微米级，并且可以批量生产，具有体积小、质量小、响应快、灵敏度高、成本低等优势。国外已形成MEMS产业，如MEMS加速度计、压力传感器已广泛应用于汽车工业。

1.4.2　微型化、智能化、多功能传感器

1. 微型化

微型（Micro）传感器的特征之一就是体积小。集成电路技术、微机械加工技术等新技术新工艺的发展为传感器的微型化提供了可能。采用微机械加工技术制作的敏感元件的尺寸一般为微米级，利用各向异性腐蚀、表面牺牲层技术和LIGA工艺（一种基于X射线光刻技术的微机械加工技术），可以制造出层与层之间有很大差别的三维微结构，包括可活动的膜片、悬臂梁、桥，以及凹槽、孔隙、锥体等。采用敏感结构和检测电路的单芯片集成技术，能够避免多芯片组装时管脚引线引入的寄生效应，改善了器件的性能，提高了抗干扰能力。利用微电子和微机械加工技术制造出来的微型传感器由于采用了系统级封装方式，与传统传感器相比，具有体积小、质量小、成本低、功耗小、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。例如，典型的加速度传感器包括质量块、弹性元件、转换元件、测量电路等部分。图1.5所示的传统压电式加速度传感器体积较大、功耗高、稳定性较差，而采用微机械加工技术制造出来的微型加速度传感器尺寸仅为3mm×3mm×1mm，如图1.6所示。在如此微小的芯片上不仅有传感器本身，而且包括了信号处理电路。这样的单轴、双轴、三轴加速度计被广泛应用于电子消费产品，如智能手机、游戏机，以及汽车安全气囊、ABS制动系统和车轮动态稳定控制系统。

2. 智能化

智能传感器（Smart Sensor）是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统，是传感器与微处理器、模糊理论与知识集成等技术相结合的产物。智能传感器不但具有信息获取、处理和存储功能，而且还能够进行逻辑判断、自诊断、自校正等。

智能传感器的主要组成部分包括主传感器、辅助传感器、微处理器、信号处理电路、存储器、接口电路等。例如，ST-3000型智能压力传感器的主传感器为压力传感器，用来探测压力参数，其辅助传感器为温度传感器和环境压力传感器，分别用来测定温度和环境压力，以实现对测量结果的校正；其硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进行放大、处理和存储，还能够执行与计算机之间的通信联络。

与传统的传感器相比，智能传感器具有以下优点：

（1）智能传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助一览表对非线性信号进行线性化处理，借助软件滤波器滤波数字信号，对环境误差进行补偿，以改进测量精度。

（2）智能传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析器的输入信号给出相关的诊断信息。当智能传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或出故障的部件。

（3）智能传感器能够完成多传感器多参数混合测量，进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介入使得智能传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。此外，其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能够使它们适用于各不相同的工作环境。

（4）智能传感器既能够很方便地实时处理其所探测到的大量数据，也可以根据需要将数据存储起来。存储大量数据的目的主要是以备事后查询，这一类数据包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等。

（5）智能传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。此外，智能传感器的信息管理程序也非常简单方便。例如，可以对探测系统进行远距离控制或在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。

目前，智能传感器技术正处于蓬勃发展时期。可以预见，随着各类智能传感器的开发应用，新兴的智能传感器将在各个领域发挥越来越大的作用。

3. 多功能

通常情况下，一种传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域，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。由若干敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而兼备多种功能的新一代探测系统，它可以借助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。目前，已经生产出将若干敏感元件集成在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能（Multi-function）传感器。例如，Sensirion公司在2002年推出的SHT11/SHT15单片集成温湿度传感器就是将温/湿度传感器元件、信号放大器、模/数（A/D）转换器、校准数据存储器、I2C总线等外围调理电路全部集成在一个面积只有几平方毫米的芯片上的一体化多功能传感器。

概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式如下。

（1）多功能传感器系统由若干各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。例如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起（将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上）制造成一种新的传感器，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。

（2）将若干不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块芯片上，构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件工作环境相同，因此很容易对系统误差进行补偿和校正。

（3）借助同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。例如，涡流式传感器线圈的阻抗随被测导体的材质、缺陷、与导体的距离等的变化而发生变化，因此涡流式传感器适用于振动、位移、探伤、材料分选等多种工程应用。

（4）在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干敏感元件组成的一个多功能传感器的特征将千差万别。

1.4.3　网络化

传感器网络是当前国际备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而实现全面感知、可靠传输、智能处理，构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统。

传感器的网络化在军事侦测、环境监测、智能家居、医疗健康、科学研究等众多领域具有广泛的应用前景。