/  傳感器正走向智能化  /

 

 

 

 

 

基本上，傳感器是一種接收信號或刺激并對其作出響應(yīng)的輸入設(shè)備。如今，某些傳感器在單個硅芯片中集成了許多傳感元件和讀出電路，從而提供了高精度和多種功能。與此同時，制造商使用先進的技術(shù)和方法進行信號處理和轉(zhuǎn)換。

 

最新的傳感器具有更多功能，包括用戶友好性，可訪問性和靈活性等。因此，通過集成新技術(shù)使傳感器更加智能化，傳感器行業(yè)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變。

 

普通傳感器仍在許多應(yīng)用中使用。但是微電子學(xué)（MEMS）的創(chuàng)新和進步正在將傳感器技術(shù)提升到一個全新的水平。普通傳感器的功能已通過多種方式擴展，現(xiàn)在提供了許多其他屬性。最新的傳感器變得越來越智能，提供更高的精度，靈活性和易于集成到分布式系統(tǒng)中的能力。

 

智能傳感器使用標準總線或無線網(wǎng)絡(luò)接口相互通信，或與微控制器（MCU）通信。網(wǎng)絡(luò)接口使數(shù)據(jù)傳輸更加容易，同時也擴展了系統(tǒng)。制造商可以診斷傳感器故障，并指導(dǎo)用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行遠程故障排除。

 

智能傳感器可能由一系列模擬和數(shù)字模塊組成，每個模塊都提供特定的功能。數(shù)據(jù)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）功能有助于提高傳感器的可靠性和測量精度。智能傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

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圖1：智能傳感器結(jié)構(gòu)

 

 

 

 

 /  最新傳感器的常見類型  /

 

 

 

由于使用的技術(shù)（模擬/數(shù)字）和應(yīng)用的不同，如今傳感器種類繁多。下面將會介紹一些2020年最新的傳感器，包括物聯(lián)網(wǎng)傳感器，污染傳感器，RFID傳感器，圖像傳感器，生物識別傳感器，印刷傳感器以及MEMS和NEMS傳感器。

 

①、物聯(lián)網(wǎng)傳感器

 

物聯(lián)網(wǎng)傳感器包括溫度傳感器，接近傳感器，壓力傳感器，RF傳感器，熱釋電IR傳感器，水質(zhì)傳感器，化學(xué)傳感器，煙霧傳感器，氣體傳感器，液位傳感器，汽車傳感器和醫(yī)療傳感器等。

 

這些最新的傳感器連接到計算機網(wǎng)絡(luò)以進行監(jiān)視和控制。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用傳感器和互聯(lián)網(wǎng)，以其獨特的靈活性提供增強的數(shù)據(jù)收集，自動化和操作，從而在整個行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

 

物聯(lián)網(wǎng)傳感器的全球市場在2015年達到73億美元。預(yù)計到2021年將從2016年的近106億美元增長到478億美元，在2016-21年期間每年以35％的速度增長。物聯(lián)網(wǎng)傳感器的亞太市場預(yù)計將從2016年的30億美元增長到2021年的140億美元，從2016年到2021年的復(fù)合年增長率為36.1％。

 

②、污染傳感器

 

空氣污染傳感器用于檢測和監(jiān)視周圍區(qū)域的空氣污染，包括室內(nèi)和室外環(huán)境。盡管存在各種類型的空氣污染傳感器，但這些傳感器中的大多數(shù)都集中在五個參數(shù)上：顆粒物，臭氧，一氧化碳，二氧化硫和一氧化二氮?？諝馕廴緜鞲衅饕话惚容^昂貴，但普通用途的不算太貴。

 

市場上有能夠檢測直徑在2.5至10μm（PM10）之間且直徑小于2.5μm（PM2.5）的顆粒物的傳感器。圖2顯示了一個典型的PM傳感器，它在愛好者和實驗人員中很流行。

 

③、RFID傳感器

 

可以將稻米大小的RFID芯片（圖4）直接插入皮膚下，用作ID卡。在包括非接觸式銀行卡和Oyster卡在內(nèi)的許多產(chǎn)品中，都有使用RFID芯片的趨勢。在某些情況下，將芯片植入寵物和牛中進行監(jiān)視。

 

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圖4：顆粒大小的RFID芯片

 

④、穿戴式傳感器

 

最新的穿戴式傳感器包括醫(yī)療傳感器，GPS，慣性測量單元（IMU）和光學(xué)傳感器。利用現(xiàn)代技術(shù)和微型電路，可穿戴式傳感器現(xiàn)在可以部署在數(shù)字健康監(jiān)控系統(tǒng)中。

 

傳感器還集成到各種配件中，例如衣服，腕帶，眼鏡，耳機和智能手機。IDTechEx的一份報告預(yù)測，到2022年，光學(xué)，IMU和GPS傳感器將在傳感器市場上占據(jù)主導(dǎo)地位（圖5）。

 

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圖5：可穿戴圖表

 

穿戴式應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)有望推動全球傳感器市場實現(xiàn)兩位數(shù)的增長。由于制造成本的降低和傳感器的低功耗，大多數(shù)傳統(tǒng)的有線連接將被無線傳感器取代，并在將來集成到無線網(wǎng)絡(luò)中。

 

⑤、光學(xué)圖像傳感器

 

智能手機相機是圖像傳感器的最佳示例——圖像傳感器檢測并傳送構(gòu)成圖像的信息。數(shù)字成像正在迅速取代模擬成像，如今大多數(shù)數(shù)碼相機使用CMOS傳感器，以實現(xiàn)更快的速度和更低的功耗。

 

⑥、生物識別傳感器

 

最常見的生物識別傳感器是指紋模塊。R30x指紋模塊在愛好者和實驗者中非常流行。高通公司的指紋傳感器包括用于顯示屏，玻璃和金屬的傳感器，方向手勢的檢測以及屏下指紋匹配和設(shè)備喚醒的傳感器。

 

⑦、印刷傳感器

 

印刷在柔性基板上的傳感器正變得越來越流行。下一代打印傳感器將支持從人機界面到環(huán)境傳感的各種應(yīng)用。IDTechEx報告預(yù)測，到2027年，全印制傳感器市場將達到76億美元。

 

印刷傳感器的結(jié)構(gòu)非常簡單，只有幾個電極，而其他傳感器則更為復(fù)雜，需要多層沉積。它們的共同點是能夠在塑料基板上制造，這在機械柔韌性，厚度和重量減輕方面均具有優(yōu)勢。

 

⑧、超聲波傳感器

 

超聲波傳感器通過發(fā)出超聲波來測量目標物體的距離，并將反射的聲音轉(zhuǎn)換為電信號。超聲波的傳播速度快于聲音的傳播速度，并產(chǎn)生了結(jié)果。

 

⑨、無源紅外傳感器

 

無源紅外傳感器測量從其視場中的物體發(fā)出的紅外（IR）光。

 

⑩、濕度傳感器

 

濕度傳感器（或濕度計）可感測，測量并報告濕度和空氣溫度?？諝庵械乃峙c特定空氣溫度下的最高水分之比稱為相對濕度。相對濕度成為尋找舒適性時的重要因素。

 

?、微機電系統(tǒng)

 

微機電系統(tǒng)（MEMS）由1至100微米之間的組件大小組成。最值得注意的元素是微傳感器和微致動器。

 

在集成微電子的控制下，MEMS設(shè)備的范圍從簡單的結(jié)構(gòu)到具有多個移動元件的極其復(fù)雜的機電系統(tǒng)，一應(yīng)俱全。換句話說，MEMS傳感器是一種精密設(shè)備，其中機械零件和微型傳感器以及信號調(diào)節(jié)電路都制造在一小片硅芯片上。

 

通常，MEMS在一個封裝中由機械微結(jié)構(gòu)，微致動器，微傳感器和微電子組成。圖7示出了MEMS裝置的框圖。

 

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圖7：MEMS設(shè)備的框圖

 

微型傳感器通過測量熱，化學(xué)，電氣或機械信息來檢測系統(tǒng)環(huán)境的變化。這些變量由微電子器件處理，然后微致動器根據(jù)環(huán)境的變化起作用。

 

市場上可用的一些常見類型的MEMS傳感器是：

 

1. MEMS加速度計。這些用于測量加速度的靜態(tài)或動態(tài)力。主要類別是硅電容式，壓阻式和熱加速度計。

 

MEMS加速度計用于智能手機中的各種控制，包括橫向和縱向模式之間的切換，防模糊捕獲和袖珍模式操作。

 

2. MEMS陀螺儀。這些檢測物體的角速度。MEMS陀螺儀用于帶有方向盤傳感器和側(cè)翻檢測的車輛穩(wěn)定性控制。

 

3. MEMS壓力傳感器。這些傳感器測量三種類型的壓力：表壓，絕對壓力和壓差。該傳感器在集成芯片上集成了隔膜和一組電阻器，因此可以將壓力檢測為電阻變化。這些傳感器用于汽車，航空航天，醫(yī)療，國防和工業(yè)應(yīng)用。

 

在汽車系統(tǒng)中，它們被廣泛用于油壓傳感器，碰撞檢測，燃料箱蒸氣壓力監(jiān)測，廢氣再循環(huán)，發(fā)動機管理系統(tǒng)等。

 

4. MEMS磁場傳感器。這些傳感器檢測和測量磁場，并在位置感應(yīng)，電流檢測，速度檢測，車輛檢測，太空探索等方面得到應(yīng)用。

 

5. 磁通門傳感器。磁通門傳感器用于測量直流或低頻交流磁場。這些發(fā)現(xiàn)有許多應(yīng)用，例如空間研究，地球物理，礦物勘探，自動化和工業(yè)過程控制?；贛EMS的磁通門傳感器在功耗，體積和性能方面均優(yōu)于其他磁通門傳感器。

 

?、NEMS

 

納米機電系統(tǒng)（NEMS）是一類類似于MEMS的設(shè)備，但屬于納米級。這些是MEMS器件之后的下一個小型化步驟。納米諧振器和納米加速度計是NEMS的示例。

 

通常，NEMS依賴于碳基材料，包括金剛石，碳納米管和石墨烯。他們最有前途的應(yīng)用之一是生物學(xué)和納米技術(shù)的結(jié)合。納米諧振器將在無線通信技術(shù)中找到應(yīng)用，而納米電機則可用于生物芯片或傳感器的納米流體泵中。

 

 

 

 /  傳感器的材料  /

 

確切的傳感器材料取決于其類型和應(yīng)用。例如，數(shù)字，模擬，接近和圖像傳感器都具有自己的材料，結(jié)構(gòu)，制造技術(shù)和包裝。大多數(shù)制造商通常采用最新的傳感器（如MEMS）的材料和制造技術(shù)。電子產(chǎn)品中使用的材料主要起著兩個作用——發(fā)揮主動或被動的作用。

 

被動材料：

 

被動材料用于提供機械結(jié)構(gòu)或電氣連接。這些材料中的某些材料（如硅和砷化鎵）也可以用作有源和無源材料。

 

活性物質(zhì)：

 

活性物質(zhì)對于微電子，光敏，壓電，磁阻和化學(xué)電阻膜的傳感過程至關(guān)重要。薄膜或厚膜形式的微傳感器材料在傳感系統(tǒng)中起著積極的作用。這些設(shè)備使用化學(xué)氣相沉積（CVD）或低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）以及特殊技術(shù)（例如電化學(xué)沉積）制造。

 

硅：

 

元素硅在自然界中不存在，但存在于氧化物和硅酸鹽等化合物中。硅是豐富的，相對便宜的，并且具有許多可用于傳感器應(yīng)用的物理特性?？梢栽诠枰r底上沉積具有所需特性的材料層。單晶硅是使用最廣泛的半導(dǎo)體材料。

 

多晶硅：

 

可以通過用氧化物真空沉積到氧化的硅晶片上來形成多晶層。多晶硅結(jié)構(gòu)可以通過離子注入或其他技術(shù)摻雜硼或其他元素，以達到所需的導(dǎo)電性。電阻的溫度系數(shù)可以通過選擇性摻雜在正負范圍內(nèi)變化。多晶硅電阻具有長期穩(wěn)定性。

 

其他半導(dǎo)體：

 

有各種各樣的化合物半導(dǎo)體可用于制備具有獨特性能的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。砷化鎵（GaAs）和銻化銦（InSb）廣泛用于電子組件中。

 

砷化鎵用于諸如紅外發(fā)光二極管，激光二極管，微波單片集成電路（IC）和太陽能電池之類的設(shè)備中。它也用于測量特定物體溫度的光纖溫度傳感器。

 

研究表明，砷化鎵的某些電子性能優(yōu)于硅。砷化鎵晶體管的工作頻率高于250GHz.由于砷化鎵的優(yōu)越性能，它們被廣泛用于移動電話，衛(wèi)星通信和雷達系統(tǒng)中。高靈敏度的GaAs壓電傳感器也用于生物檢測。

 

InSb.它對諸如霍爾效應(yīng)傳感器和磁阻之類的磁傳感設(shè)備很有用。InSb磁阻器在汽車應(yīng)用中用作位置傳感器。InSb材料也用于紅外成像。

 

塑料制品：

 

塑料廣泛用于電子和電氣組件。由于塑料是絕緣體，因此它們可用于需要絕緣性能的各種應(yīng)用中。聚合物還用作輻射探測器和化學(xué)傳感器。

 

金屬：

 

設(shè)計傳感器時要考慮金屬的物理特性和機械加工。

 

銅具有出色的熱和電性能，但是很難加工。在某些情況下，可以使用鋁作為替代。金屬用于磁傳感器。金，銀，鉑，銠和鈀等貴金屬廣泛用于汽車，RFID標簽，手機和PC的傳感器設(shè)備中。

 

陶瓷：

 

陶瓷廣泛用于傳感器制造。這些具有共同的特性，包括結(jié)構(gòu)強度，重量輕，熱穩(wěn)定性，電絕緣性以及與其他材料結(jié)合的能力。它們不與氧氣反應(yīng)，因此不會產(chǎn)生氧化物。許多制造商將陶瓷用作傳感器基板。

 

 

 /  傳感器制造  /

 

微傳感器技術(shù)使用了常規(guī)硅平面IC技術(shù)中遵循的基本制造步驟以及一些其他步驟。目前，互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是微傳感器中最常用的技術(shù)。微傳感器是使用商業(yè)CMOS IC工藝和隨后的批量微加工技術(shù)設(shè)計和制造的，確切具體的步驟因傳感器而異。

 

封裝形式：

 

必須保護芯片不受大氣影響。光刻膠或氮化硅材料通常用于覆蓋傳感區(qū)域。LPCVD或CVD工藝用于沉積氮化硅層，該氮化硅層可作為防水層。

 

下一步是IC封裝。這包括將IC密封在塑料樹脂或金屬外殼中。此過程可保護硅器件免受周圍環(huán)境的影響，在某些使用大氣傳輸測量量的MEMS器件中，可能并不總是需要此過程。

 

沉積：

 

一些傳感器，特別是MEMS器件，需要沉積薄膜和厚膜材料，以為傳感表面提供所需的特性。例如，對熱輻射的敏感性是通過用鎳鉻合金涂層來實現(xiàn)的?？梢允褂霉饪毯蜐穹ɑ瘜W(xué)蝕刻工藝對膜進行局部蝕刻。也可以使用干法物理蝕刻和激光加工。

 

 

 /  傳感器的未來展望  /

 

借助微米和納米技術(shù)，可以將傳感器制造成幾乎可以安裝在消費設(shè)備中的任何位置，以檢測機器人，汽車甚至人體中的任何運動或應(yīng)用。在其他應(yīng)用中，在反恐，貨物追蹤，生物識別等方面，智能傳感器的使用也在增加。最新的傳感器用于汽車中，以防止即將發(fā)生的碰撞，并確定要發(fā)射的安全氣囊的類型以及其展開的力量和速度。

 

MEMS在醫(yī)療應(yīng)用中的使用正在增加，包括用于診斷和監(jiān)視系統(tǒng)的可植入設(shè)備和手持設(shè)備。展望未來，隨著技術(shù)的進步，包括物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新型傳感器浪潮將在未來幾年內(nèi)徹底改變電子行業(yè)。