四川广泰科技有限公司

智能传感器发展新技术新风口

发表时间：2023-11-20 11:28

传感器广泛应用于机器人、智能制造、智能交通、智慧城市和可穿戴设备等领域，现在各个领域对传感器的要求越来越高，在物联网的带动下，传感器行业的年增长率远高于我国其他行业的平均水平。

随着微纳技术、数字补偿技术、物联网技术、多功能复合技术的进一步发展，新原理、新材料、新工艺不断涌现，新结构、新功能层出不穷，总体发展方向必然是微型化、集成化、智能化、低功耗等。

1、采用新原理、新效应的传感技术

基于各种物理、化学和生物效应的规律以及力敏、热敏、光敏、磁敏、气敏等敏感元件，开发具有新原理、新效果的敏感元件和传感元件，是开发高性能、多功能、低成本、小型化传感器的重要途径。

例如，在军事医学领域，利用酶电极选择性好、灵敏度高、响应速度快的特点，开发出生物传感器，能够及时、快速地检测细菌、病毒及其毒素，从而实现对生物武器的有效抗菌防护。

利用量子力学中的相关效应来设计和开发量子敏感器件，例如谐振隧道二极管、量子阱激光器和量子干涉组件。这些元件具有速度快（比电子传感器件快1000倍）、功耗低（能耗降低到电子传感器件的1/1000）、高效率、高集成度、经济可靠等优点。

纳米电子学的发展也在传感技术领域引发一场新的技术革命。利用纳米技术制作传感器，尺寸减小，精度提高，性能大大提高，纳米传感器站在原子尺度上，极大地丰富了传感器的理论，促进了传感器的生产水平，拓宽了传感器的应用领域。

2、传感器微型化和芯片化技术

微机电系统（MEMS）是集成了微机构、微传感器、微执行器、控制电路、信号处理、通信、接口和电源的微系统，是用于设计、加工、制造、测量和控制微纳材料的技术。

MEMS技术包括：硅微加工技术、深反应离子刻蚀、LIGA技术、分子组装技术、体微加工、表面微加工、激光微加工和微封装技术。

硅微加工技术是MEMS的主流技术，它是一种精密的三维加工技术，是传感器、微执行器、微执行器、微机械系统开发的核心技术，已成功用于制造各种微传感器和多功能敏感元件阵列，如微硅电容式传感器、微硅质量流量传感器、航空航天动态传感器、微型传感器、汽车压力、加速度传感器、环保微化学传感器等。

深度反应离子刻蚀（DRIE）是MEMS结构加工中的重要工艺之一，主要用于多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜和金属薄膜的刻蚀，是一种微电子干腐蚀工艺。

LIGA技术（光刻、电铸和注塑成型）是一种使用深层X射线蚀刻通过电铸和塑料成型形成深层三维微观结构的方法。

为了适应MEMS技术的发展，许多新的MEMS封装技术和工艺被开发出来，如阳极键合、硅熔接、共晶键合、倒装芯片键合（FCB）技术、单芯片封装（SCP）和多芯片组装（MCM）。

多芯片组装（MCM）是电子封装技术的重大突破，属于系统级封装。MCM将两个或多个IC/MEMS芯片或CSP组装在一块电路板上，形成一个功能电路板，即多芯片组件，为组件中的每个芯片（组件）提供信号互连、I/O管理、热控制、机械支撑、环保等功能。

3、传感器阵列和多传感参数复合的集成技术

集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺，如压力、静压、温度三变量传感器、气压、风、温、湿度四变量传感器、微硅复合应变压力传感器、阵列传感器等。

集成是指将多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等集成在一起。压力、静压、温度三变量传感器，气压、风、温、湿度四变量传感器，还有微硅复合应变压力传感器和阵列传感器等均采用集成技术。

传感器集成有两种：一种是通过微加工技术在芯片上构建多个传感模块，形成线性传感器（如CCD图像传感器），另一种是在同一片硅片上制作具有不同功能的敏感元件，制成集成度高的多功能传感器，体积小，易于实现补偿和校正。

微加工技术和精密封装技术对传感器的集成有重大影响。

4、传感器数字化和智能化技术

数字传感器由调节和处理信号的电路和用于网络通信的接口组成。它们通常以模块的形式制成，包括传感器、DSP（数字信号处理器）、DSC（数字信号控制器）或ASIC（专用集成电路），但也以系统封装或片上系统的形式制成。通常有三种类型的电子元件用于驱动数字输出：机械继电器、晶体管和双向 FET 器件。

可利用单台PLC软件对智能传感器硬件进行信息处理，如补偿、倍频（细分）和数字变换。智能传感器可适应被测参数的变化，自动补偿、自动校准、自选量程、故障自找，并配有数字输出，实现双向通信，达到超强环境适应性。

智能传感器的典型代表是高性能的智能工业变送器。例如，横河电机的EJA系列智能变送器、ABB的MV2000T系列多功能差压/压力变送器、罗斯蒙特的3095MV多参数质量流量变送器，分别采用硅谐振传感器、复合微硅固态传感器和高精度电容式传感器作为敏感元件，精度达0.1075%，稳定性和可靠性高，十年内不会衰减。

5、传感器的强环境适应性技术

从汽车到工业，从医疗到航空航天，从家用电器到测试测量，许多工业应用都要求传感器具有很高的环境适应性。传感器产品环境适应性强的试验包括电气安全实验、失效分析实验、腐蚀性气体实验、环境性能试验、材料实验等。

传感器封装材料和技术的进步，使得传感器对环境的适应性越来越强。

金属基复合材料封装（AI/Si Cp）通过改变增强材料的种类和排列方式、改变基体的合金成分或改变热处理工艺来实现材料物理性能的设计。或者通过改变热处理工艺来改变基体与增强材料之间的界面结合从而影响材料的热性能。这类材料具有较低的热膨胀系数，不仅可以与电子元件材料的热膨胀系数相匹配，而且具有高导热性和低密度。

90%以上的塑料包装由环氧树脂制成，具有与金属或陶瓷材料相媲美的批量生产和可靠性优势。硫化环氧树脂还具有固化速度较快、固化温度和吸湿性较低、耐湿性和耐热性高等特点。

陶瓷封装是用胶粘剂或焊料将一个或多个芯片贴装在陶瓷基板或接头上，使用倒装焊接与陶瓷金属图案层粘接，然后用合适的电气连接密封封装体。陶瓷具有较高的杨氏模量、较高的绝缘性能和优良的高频特性，可靠性好，可塑性好，易于密封，其线膨胀系数与电子元件非常相似，化学性质稳定，导热系数高，用于多芯片元件、焊接阵列等封装。

6、无线传感器网络技术（WSN）

无线传感器网络（WSN）是由大量具有感知、无线通信和计算能力的静止或移动传感器组成的无中心多跳自组网系统，可根据环境自主完成指定任务。大量的传感器通过网络形成一个分布式、智能化的信息处理系统，可以从多个角度、多种模式实时监测、感知、采集和分析网络覆盖区域内的事件、现象和环境，获取丰富、高分辨率的信息，对这些信息进行处理和传输，并发送给观察者。

传感器、传感对象和监控者构成了无线传感器网络的三个元素。WSN由传感器单元、控制器和无线通信模块组成，实现数据采集、短距离通信、数据计算、远距离无线通信等功能。

无线传感器网络集传感器技术、嵌入式操作系统技术、分布式信息处理技术、无线通信技术、能量收集技术、低功耗技术、无中心多跳自组网路由协议、定位技术、时间同步技术、数据融合与数据管理技术、信息安全技术、网络传输技术等于一体，关键是要克服节点资源限制（能源供应、计算和通信能力、存储空间等），并满足传感器网络的可扩展性和容错性要求。

7、传感器数字通信总线技术

现场总线技术是集计算机技术、通信技术、集成电路技术和智能传感技术于一体的新兴控制技术。

安装在制造和工艺区的现场设备与控制室里自动控制装置之间的数字、串行、多点通信数据总线，是一个全数字化、开放式、双向传输、多分支、多工位的通信系统，是现场通信网络和控制系统的集成。

现场总线的关键是支持全数字通信，在控制现场建立高可靠性的数据通信线路，实现智能传感器之间以及智能传感器与主控制器之间的数据通信，将单个分散的智能传感器变成网络节点。

现场总线智能传感器需要具备以下功能：共享一条总线传输信息，具有多种计算、数据处理和控制功能，从而减轻主机的负担;取代4-20mA模拟信号传输，实现发射信号的数字化，增强信号的抗干扰能力；采用统一的网络协议成为FCS的节点，实现传感器与执行机构之间的信息交换；可以进行校准、配置、测试以提高系统可靠性，具有即插即用的标准化接口。

能集入现场总线的智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪器。

8、传感器的应用技术

传感器应用技术包括：信号处理与接口技术；降噪抗干扰技术；位移、力、扭矩、载荷、转速、加速度等机械量检测技术；温度、压力、流量、液位等的检测技术；智能化、自动化检测技术；红外线、超声波、微波探测、防盗报警器安装技术等。

对于消费类应用来说，传感器融合的主要技术难点是如何控制产品的尺寸，准确测试每个传感器的性能，控制总控芯片的良品率，降低成本。

对于工业、军事、汽车、医疗等领域的传感器融合，还需要考虑如何保证各种工况下的精度和可靠性，并利用融合的特性实现传感器之间的补偿和校正。目前，许多制造商正在尝试开发集成薄膜电池、微处理器（MCU）、ASIC和无线通信功能的多传感器件，而低功耗无线电、能量收集、大数据处理和数据安全都是当下的技术挑战。

传感器电路内部噪声包括电路板电磁元件的干扰、低频、高频发热、半导体器件、晶体管、电阻、集成电路噪声等，外部干扰包括电源、地线、长线信号传输、空中电磁波等。因此，在电路设计中，需要根据不同的工作频率合理地选择低噪声的半导体元件，并根据不同的工作频段和参数选择合适的放大电路。

往期精选

请微信扫描下方二维码关注我们微信公众号，定期推送相关文章~

微信图片_20220708093359.png