傳感器的發(fā)展歷程(最新的傳感器技術)
傳感器的發(fā)展歷程
1、從第一代到第二代
第一代傳感器結構傳感器誕生于20世紀50年代,典型代表是電阻式傳感器,90%用于稱重,如體重計。其原理是中間的金屬材料在人站上去時發(fā)生形狀變化,引起電阻和電流變化,使指針或數字顯示體重。這個時期的傳感器比較粗糙,作用有限。
到了20世紀70年代,物理傳感器誕生。人們將金屬材料換成對光敏感的材料,如圖像傳感器的核心元件光敏傳感器。隨后,傳感器材料從金屬發(fā)展到半導體、電介質、磁性材料等各種固體材料,結構主要是敏感元件和轉換元件。敏感元件感應外界信息,轉換元件將感應到的信息轉化成電信號。
第二代傳感器比第一代豐富得多,種類多且功能越來越多。生活中常見的開關,從手動發(fā)展到聲音感應、感光、觸屏等不同類型,軍事領域的雷達也有紅外線傳感器、毫米波雷達等不同種類。這些傳感器做成了各種各樣的檢測設備,進入人類各個領域。此時產業(yè)界認為沒有傳感器檢測各種信息,現代科學技術就不能得到發(fā)展。
2、集成傳感器與智能傳感器
隨著各種設備的功能不斷增加,對傳感器的需求也越來越多,一個設備里面可能要求有多種功能,這就遇到了體積太小的設備安裝不了很多傳感器的問題。為解決這個問題,集成傳感器應運而生。
集成傳感器是采用硅半導體集成工藝制成的傳感器,亦稱硅傳感器或單片集成傳感器。模擬集成傳感器是在20世紀80年代問世的,它將傳感器集成在一個芯片上,可完成測量及模擬信號輸出功能。其主要特點是功能單一、測量誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測量、控制,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。
智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器,帶有微處理機,具有采集、處理、交換信息的能力,是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。與一般傳感器相比,智能傳感器具有高精度、編程自動化、功能多樣化等優(yōu)點。一個良好的智能傳感器是由微處理器驅動的傳感器與儀表套裝,并且具有通信與板載診斷等功能。智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來,并按照指令處理這些數據,創(chuàng)造出新數據,還能進行信息交流,自我決定應該傳送的數據,舍棄異常數據,完成分析和統(tǒng)計計算等。
最新的傳感器技術
1、NEMS技術
NEMS(納米機電系統(tǒng))技術作為在MEMS技術基礎上的進一步發(fā)展,正逐漸展現出其巨大的潛力。NEMS技術將傳感器的維度從微米推進到了納米級別,雖然目前面臨著諸多挑戰(zhàn),但在未來有望提高傳感器的性能,減少測量和能源消耗,同時提高靈敏度和拓展更廣泛的應用范圍。
2019年,瑞典斯德哥爾摩KTH皇家理工學院的研究人員利用高導電性納米材料石墨烯,研制出了迄今最小的NEMS加速度傳感器,比傳統(tǒng)的最先進的MEMS硅加速度計至少小兩個數量級。這一突破為人體傳感器和導航技術的發(fā)展帶來了新的機遇,有望用于研制心血管疾病監(jiān)測系統(tǒng)、超靈敏的可穿戴設備和便攜式運動捕捉系統(tǒng)等。
與傳統(tǒng)傳感器相比,納米材料具有更高的表面積或體積比,通過NEMS技術制造的諧振結構,可以高靈敏度地捕獲最多樣化的電量,從而改進了光學、機械、電氣、結構和磁性能信號。大量應用將從這些技術中受益,例如檢測氣體中的化學成分,有助于提高化學過程中使用的產品質量,進行污染監(jiān)測;改進基本物理參數的檢測,如溫度、流量和壓力;用于植物生物學監(jiān)測,監(jiān)測農業(yè)和其他領域的環(huán)境。此外,NEMS傳感器可能極大提高人的平均壽命,因為NEMS納米傳感器可以集成到細胞中,提供細胞內測量,局部檢測活細胞的狀態(tài)以及與腫瘤或腫瘤相關的其他細胞,為癌癥等疾病的治愈帶來希望。
2、柔性傳感器技術
柔性傳感器具有良好的柔韌性、延展性,可自由彎曲甚至折疊,結構形式靈活多樣,可根據測量條件的要求任意布置,能夠非常方便地對復雜被測量進行檢測。
隨著元宇宙和具身智能的發(fā)展,柔性傳感器熱度被引爆。在元宇宙中,Facebook改名Meta后宣布全力進軍,并基于柔性傳感器研制“電子皮膚”,以重現人的觸覺感受。在具身智能中,機器人的五官感知來自于各種傳感器,其中最重要的互動——擁抱、握手、觸覺等反饋,就需要用到柔性傳感器。
目前應用較多的柔性傳感器主要有柔性圖像感應陣列、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性壓力傳感器、柔性溫度傳感器等。作為新一代電子技術,柔性傳感器技術發(fā)展?jié)摿薮?,受到了美日韓等多個國家的高度關注,全球柔性電子研發(fā)熱情較高,其中美國、中國大陸、日本關于柔性電子的專利數量位居全球前列。
3、其他關鍵傳感器技術
光電傳感器技術:光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成,將被測量的物理量變化轉換成光信號的變化,然后由光電元件將光信號轉換成電信號。其未來發(fā)展趨勢呈現高集成化、低功耗、微型化、智能化和高靈敏性的特征。目前我國光電傳感器市場規(guī)模約為94.7億元,預計未來5年,我國光電傳感器市場將保持28.0%左右的增速增長,到2024年市場規(guī)模將達到325億元左右。
MEMS技術:MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystem)技術是指可批量制作的,將微型機構、微型傳感單元、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、數據接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS技術在傳感器的大規(guī)模應用,讓傳感器的小型化、低功耗、智能化成為可能,從而推動了傳感器在物聯網、消費電子、汽車電子等領域的廣泛應用。
感知算法技術:感知算法技術在傳感器技術中也起著重要作用。通過先進的感知算法,可以提高傳感器的數據處理能力和準確性,實現更智能的傳感器應用。例如,在智能傳感器中,感知算法可以實現對數據的自動分析和處理,提高傳感器的自適應性和可靠性。
這些關鍵傳感器技術相互融合、相互促進,共同推動著傳感器技術不斷向前發(fā)展,為各個領域的智能化和自動化提供了強有力的支持。