这8项关键传感器技术，每一项都将深刻影响未来产业发展

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近10年，智能手机、智能手表、无人机等技术迅速进入我们的生活，而未来10年，各种可穿戴设备、物联网设备、机器人、自动驾驶等将融入我们的生活。


这其中，作为这些科技的技术基石之一，传感器技术既推动着科技的发展，而这些科技也重新定义了对未来传感器技术的需求：更微型、更集成、更智能、更低功耗……


未来，哪些技术推动着传感器继续往前发展？本文总结了传感器发展的8大关键技术，或许有所启发。


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1、采用新原理、新效应的传感技术


传感器是众多高科技的结晶，是众多学科知识交叉的成果，我们基于各种物理、化学、生物的效应和定律，开发了力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，形成了今天全球多达2.6万余种传感器种类。


因此，开发具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件，并以此研制新型传感器，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。


以惯性传感器为例，惯性传感器是应用惯性原理和测量技术，检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度（DOF）运动的传感器，由加速度计和陀螺仪组成的惯性系统可实现对载体位置及运动信息的实时监测。
不同类型的陀螺仪，由不同的物理原理驱动，如机械式干式、液浮、半液浮、气浮角速率陀螺，挠性角速率陀螺，MEMS 硅、石英角速率陀螺（含半球谐振角速率陀螺）等，主要是利用科里奥利效应（Coriolis effect，指一种在旋转坐标系中移动的物体发生偏转的现象（科氏力正比于输入角速率）。


而在于光纤角速率陀螺、激光角速率陀螺等传感器技术，主要利用另一种原理：萨格纳（Sagnac）原理，也称萨氏效应（相位差正比于输入角速率）。







这些新原理、新效应对促进传感技术发展，以及开拓更多传感器应用领域起到关键作用。


同时，交叉学科新技术，也对传感技术发展起到重要作用。譬如集成电路技术对传感器的发展，在MEMS传感器中，高性能专用集成电路（ASIC）可将成千上万的晶体管电路集成于一块芯片，降低环境因素及寄生参数对传感器性能的影响，大幅度提升 MEMS 传感器的精度。





▲MEMS声学传感器构造图（来自歌尔微招股书）


量子传感器是量子技术的重要应用场景之一，此前，美国国家科学和技术委员会(NSTC)就发布了关于量子传感器的国家战略《将量子传感器付诸实践》（详情可参看《地球最强科技大国发布量子传感器战略，写了4个字：国家利益！》内容。）


利用量子力学中的有关效应，可设计、研制量子敏感器件，像共振隧道二极管、量子阱激光器和量子干涉部件等，具有高速（比电子敏感器件速度提高 1000倍〕、低耗（比电子敏感器件能耗降低 1000 倍）、高效、高集成度、经济可靠等优点。







而纳米电子学的发展，也将会在传感技术领域中引起一次新的技术革命。利用纳米技术制作的传感器，尺寸减小、精度提高、性能大大改善，纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。


2、传感器微型化和芯片化技术


传感器微型化和芯片化技术，主要有MEMS工艺和新一代固态传感器微结构制造工艺等，其中，MEMS工艺已在传感器广泛应用。


微机电系统（MEMS）是集微机构、微传感器、微执行器、控制电路、信号处理、通信、接口、电源等于一体的微型系统或器件，是对微/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。


MEMS 材料包括功能材料（通常是以硅为主体的半导体材料）、结构材料（如压电材料、超磁致材料、光敏材料等）和智能材料（以形状记忆合金为主）。


MEMS 工艺的关键技术包括：深反应离子刻蚀、LIGA 技术、分子装配技术、体微加工、表面微加工、激光微加工和微型封装技术等。


其中，硅微机械加工工艺是 MEMS 主流技术，它是一种精密三维加工技术，是研制传感器、微执行器、微作用器、微机械系统的核心技术，已成功用于制造各种微传感器以及多功能的敏感元阵列，如微硅电容传感器、微硅质量流量传感器，航空航天用动态传感器、微传感器，汽车专用压力、加速度传感器，环保用微化学传感器等。
深反应离子刻蚀（DRIE）是 MEMS 结构加工的重要工序之一，主要用于多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜及金属膜的刻蚀，属一种微电子干法腐蚀工艺。


LIGA 技术即光刻、电铸和注塑，是利用深度 X 射线刻蚀，通过电铸成型和塑料铸模，形成深层三维微结构的方法。





▲MEMS陀螺仪结构


当前，为了适应 MEMS 技术的发展，已开发了许多新的 MEMS 封装技术和工艺，如阳极键合、硅熔融键合、共晶键合等。MEMS 封装通常分为以下几个层次：裸片级封装、器件级封装、硅圆片级封装、单芯片封装和系统级封装。


单芯片封装（SCP）属于器件级封装的范畴，是指在一块芯片上制作保护层，将易损坏的元器件和电路屏蔽起来，避免环境对其造成不利的影响，并制作有源传感器/制动器的通路，实现与外部的电接触，以满足器件对电、机械、热和化学等方面的技术要求。


多芯片组件（MCM）是电子封装技术的一大突破，属于系统级封装。MCM 把两个及以上的 IC/MEMS 芯片或 CSP 组装在一块电路板上，构成功能电路板，即多芯片组件，为组件中的各个芯片（构件）提供信号互连、I/O 管理、热控制、机械支撑和环境保护等。MCM 具有在同一衬底上支持多种芯片的能力，而不需要改变 MEMS 和电路的制造工艺。


3、传感器阵列和多传感参数复合的集成技术


此类集成技术，包括集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺，工业控制用多变量复合传感器等，如压力、静压、温度三变量传感器，气压、风力、温度、湿度四变量传感器，微硅复合应变压力传感器，阵列传感器。


集成化是指多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成，可全部或部分实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，具有低成本、高精度信息采集、可数据存储和通信、编程自动化和功能多样化等特点。







传感器集成化有两种：一种是通过微加工技术在一个芯片上构建多个传感模块，组成线性传感器（如 CCD 图像传感器）；一种是将不同功能的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能传感器，集成度高、体积小，容易实现补偿和校正。


微加工技术和精密封装技术对传感器的集成化有重大的影响。


多传感器信息融合综合了传感器应用技术、数据处理技术、计算机软硬件技术和工业化控制技术。


它采用计算机技术进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，具有容错性、互补性、实时性、经济性等优点。


4、传感器数字化和智能化技术


智能化技术与智能传感器信号有线或无线探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯、自诊断等智能化技术；智能多变量传感器，智能电量传感器和各种智能传感器、变送器。


数字传感器包括调节和处理信号的电路及一个网络通讯的界面。它们通常以模块形式制成，包含传感器、DSP（数字信号处理器）、DSC（数字信号控制器）或 ASIC（特定用途集成电路），另外也有以系统封装或系统芯片的方式制成。用于驱动数字输出的电子元件通常有三种：机械继电器、晶体管和双向 FET 器件。


智能化传感器是指采用硬件软化、软件集成、虚拟现实、软测量等人工智能技术研发的具有拟人智能特性或功能的传感器，同时是一种具有独立探测和信号处理与转换能力的、能够自检的、有通信功能的主动式传感系统。
智能传感器的典型代表是高性能的智能工业变送器。如日本横河电机的 EJA系列智能变送器，ABB 公司的 MV2000T 系列多功能差压/压力变送器，Rosemount公司的 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传感器作为敏感元件，精度达到 0.1075%，具有很高的稳定性和可靠性，十年内不用调零。


5、传感器的强环境适应性技术


我们知道，从汽车到工业，从医疗到航空航天，从家电到测试和测量，传感器无处不在，很多行业应用都对传感器的环境适应性有着很高的要求。譬如，2004年被用于火星探测车“勇气号”和“机遇号”的德国某公司生产的磁阻传感器，能在+270℃到-133℃的温度范围之内正常工作。


传感器产品的强环境适应性测试包括电气安全实验、失效分析实验、腐蚀性气体实验、环境性能实验、材料实验等。


传感器封装材料与技术的进步，使得传感器的环境适应能力越来越强。







金属基复合材料封装（AI/Si Cp），通过改变增强体的种类、排列方式或改变基体的合金成分，或改变热处理工艺等，来实现材料的物理性能设计；或者通过改变热处理工艺，来改变基体与增强体的界面结合状况，进而影响材料的热性能。该类材料热膨胀系数较低，既能做到与电子元器件材料的热膨胀系数相匹配，又具有高导热性和低密度。


塑料封装 90%以上使用环氧树脂，具有大规模生产、可靠性与金属或陶瓷材料相当的优点。经过硫化处理的环氧树脂还具有较快的固化速度、较低的固化温度和吸湿性、较高的抗湿性和耐热性等特点。


陶瓷封装是用粘接剂或焊料将一个或多个芯片安装在陶瓷底板或管座上，采用倒装焊方式与陶瓷金属图形层进行键合，再对封装体进行封盖密封，同时提供合适的电气连接。


陶瓷具有很高的杨氏模量、较高的绝缘性能和优异的高频特性，有良好的可靠性、可塑性且易密封，其线性膨胀系数与电子元器件的非常相近，化学性能稳定且热导率高，被用于多芯片组件、焊接阵列等封装中。


6、无线传感器网络技术


无线传感器网络（WSN），是由大量静止或移动的具有感知、无线通信与计算能力的传感器构成的多跳自组织网络系统，能根据环境自主完成指定任务。


大量传感器通过网络构成分布式、智能化信息处理系统，从多种视角、以多种模式协作地对网络覆盖区域内的事件、现象和环境实时进行监测、感知、采集、分析，获得丰富的、高分辨率的信息，并对这些信息进行处理和传输，发送给观察者。


传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络（WSN）包含传感器单元、控制器和无线通信模块，实现数据采集、近距离通信、数据计算和远距离无线通信等功能。







WSN 综合了传感器技术、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、多跳自组织网络的路由协议、定位技术、时间同步技术、数据融合和数据管理技术、信息安全技术、网络传输技术，关键是克服节点资源限制（能源供应、计算及通信能力、存储空间等），并满足传感器网络扩展性、容错性等要求。


该技术被美国麻省理工学院（MIT）的《技术评论》杂志评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。


7、传感器数字通信总线技术


现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新兴控制技术，是安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，是一种全数字化、开放式、双向传输、多分支、多站的通信系统，是现场通信网络和控制系统的集成。





▲基于现场总线的智能传感技术简图


现场总线的关键标志是支持全数字通信，在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各智能传感器之间及智能传感器与主控机之间的数据通信，把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有以下功能：共用一条总线传递信息，具有多种计算、数据处理及控制功能，从而减少主机的负担；取代 4-20mA 模拟信号传输，实现传输信号的数字化，增强信号的抗干扰能力；采用统一的网络化协议，成为 FCS的节点，实现传感器与执行器之间信息交换；系统可对之进行校验、组态、测试，从而改善系统的可靠性；接口标准化，具有即插即用特性。


现场总线智能传感器是未来工业过程控制系统的主流仪表。


8、传感器的应用技术


传感器的应用技术是指将传感器应用于下游器件、场景的各种技术的统称，单独的传感器往往并不能发挥应有的作用。


这些技术包括：信号处理和接口技术；降噪与抗干扰技术；显示与调节仪表；测量及误差处理；传感器的选择与安装调整技术；位移、力、扭矩、荷重、速度、加速度等机械量的检测技术；温度、压力、流量、物位等过程量的检测技术；湿度检测与气体分析技术；探测、成像与安全防范技术；智能化与自动测试技术；接近传感器、压力传感器、感应同步器的安装技术；红外、超声波、微波探测防盗报警器的安装技术等等。
对于消费类应用来说，传感器融合的主要技术难度是如何控制产品的尺寸，合理测试每个传感器的性能，控制整个芯片的良品率并降低成本。


对于工业、军工、汽车、医疗等领域的传感器融合来说，还要考虑如何保证在各种工作情况下的精度、可靠性，利用融合的特性来实现传感器之间的补偿校正等。


传感器电路的内部噪声包括电路板电磁元件干扰、低频、高频热、半导体器件散粒晶体管、电阻器、集成电路噪声等，外部干扰包括电源、地线、长线信号传输、空间电磁波等。


因此，在电路设计中需要根据不同的工作频率合理选择低噪半导体元器件，并根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路。


结语


我国中高端传感器90%以上需要进口，传感技术已成为我国亟需解决的关键卡脖子领域之一。传感器虽小，但其背后却撬动着工业自动化、机器人、自动驾驶、物联网等等数万亿级的市场，是真正关系国计民生的关键技术领域！


文中的8项传感器关键共性技术，是未来传感技术发展的重要基石，透过这些技术方向，抢占产业发展主导权，缩小我国与国外传感器技术差距。


但同时，我们更应注意到，我国传感产业里技术与产业脱节的情况，即技术研发在高校在研究所，而落实传感器产业发展的是广大中小传感器企业，如何将实验室里的技术与广大中小传感器企业联合，做好技术产业化，与传感器技术的研发同样重要。




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