傳感器與通信技術、芯片、操作系統被稱為現代信息技術和物聯網的四大核心技術,其應用涉及社會生活的各個領域。
一、傳感器的定義
科技,是人體的延伸。如果說,機械延伸了人類的體力,計算機延伸了人類的智力,那么,傳感器技術,大大延伸了人類的感知力。
傳感器,英文稱 Sensor 或是 Transducer.“傳感器”在新韋式大詞典中定義為:“從一個系統接受功率,通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。根據這個定義,傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式,所以不少學者也用“換能器-Transducer”來稱謂“傳感器-Sensor”。
簡單來說,傳感器就是一種檢測裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成,可以測量信息,也可以讓用戶感知到信息。通過變換方式,讓傳感器中的數據或價值信息轉換成電信號或其他所需形式的輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
二、傳感器的分類
目前國際上缺乏制定國際標準的準則與規范,尚未制定出權威性的傳感器標準類型。只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。
例如:
物理傳感器有:聲、力、光、磁、溫、濕、電、射線等等;
化學傳感器有:各種氣敏、酸堿PH值、離子化、極化、化學吸附、電化學反應等現象等等;
生物傳感器有:酶電極和介體生物電等等。
在產品用途和形成過程中的因果關系互相咬合,既不能劃分到物理類,也不能劃分為化學類,難以嚴格劃分。用傳感器分類和命名方式,主要有以下幾種類型:
(1)按轉換原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。
(2)按傳感器的檢測信息來分可分為聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。
(3)按照供電方式可分為有源或無源傳感器。
(4)按其輸出信號可分為模擬量輸出、數字數字量輸出和開關量傳感器。
(5)按傳感器使用的材料可分為:半導體材料;晶體材料;陶瓷材料;有機復合材料;金屬材料;高分子材料;超導材料;光纖材料;納米材料等傳感器。
(6)按能量轉換可分為能量轉換型傳感器和能量控制型傳感器。
(7)按照其制造工藝,可分為機械加工工藝;復合與集成工藝;薄膜、厚膜工藝;陶瓷燒結工藝;MEMS工藝;電化學工藝等傳感器。
全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種,我國已經擁有約1.4萬多種,大多為常規類型和品種;7000多種可產品化,而在醫療、科研、微生物、化學分析等特殊品種上仍有短缺和空白,存在著較大的技術創新空間。
三、傳感器技術的三個歷史發展階段
第1代是結構型傳感器,它利用結構參量變化來感受和轉化信號。例如:電阻應變式傳感器,它是利用金屬材料發生彈性形變時電阻的變化來轉化電信號的。
第2代傳感器是70 年代開始發展起來的固體傳感器,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成的。如:利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。
70年代后期,隨著集成技術、分子合成技術、微電子技術及計算機技術的發展, 出現集成傳感器。集成傳感器包括2種類型:傳感器本身的集成化和傳感器與后續電路的集成化。例如:電荷耦合器件(CCD),集成溫度傳感器AD 590,集成霍爾傳感器UG 3501等。這類傳感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口靈活等特點。集成傳感器發展非常迅速,現已占傳感器市場的2/ 3 左右,它正向著低價格、多功能和系列化方向發展。
第3代傳感器是80年代剛剛發展起來的智能傳感器。所謂智能傳感器是指其對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力,是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物。80年代智能化測量主要以微處理器為核心,把傳感器信號調節電路、微計算機、存貯器及接口集成到一塊芯片上,使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術有了進一步的提高,在傳感器一級水平實現智能化,使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。
四、國內外發展歷程與現狀
20世紀70年代初,西方發達國家大力發展計算機與通訊技術,忽視了傳感器技術發展,傳感器產業相對慘淡。