近几年来,我们看到传感器技术在新的原理、创新材料以及尖端科技的深度探索与拓展上,有了更进一步的突破。针对这一趋势,有一种独特的描述方式——“五化”,它成为了传感器技术发展的重要导向。
首先,我们来看“智能化”。在这个领域中,有两个发展方向并驾齐驱。一个方向是将多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等功能进行整合,从而实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯,甚至包括内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能。这种传感器具备低成本、高精度的信息采集、数据存储和通信、编程自动化和功能多样化等优势。例如,美国凌力尔特(Linear Technology)公司所推出的智能传感器就搭载了ARM架构的32位处理器。而另一个方向则是软传感技术,即将智能传感器与人工智能相结合,目前已经出现了各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器,并且已经在智能家居等领域得到了广泛的应用。比如,NEC公司就成功地开发出了一种名为“不变量分析技术”的新方法,可以有效地简化对大量传感器监控的实施过程,并已于今年开始在基础设施系统中投入使用。
其次,我们来看“可移动化”。随着无线传感网技术的快速发展,其应用范围也在逐渐扩大。无线传感网技术的核心在于如何解决节点资源限制问题(如能源供应、计算及通信能力、存储空间等),同时还要满足传感器网络的扩展性、容错性等需求。这项技术曾被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》杂志评选为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。目前,研发工作的重点主要集中在路由协议的设计、定位技术、时间同步技术、数据融合技术、嵌入式操作系统技术、网络安全技术、能量采集技术等多个方面。值得注意的是,一些发达国家和城市已经在智能家居、精准农业、林业监测、军事、智能建筑、智能交通等领域对这项技术进行了实际应用。例如,由MIT独立出来的Voltree Power LLC公司就受美国农业部的委托,在加利福尼亚州的山林等地设置了温度传感器,建立了传感器网络,以期能够及时发现并预防森林火灾,从而最大程度地减少火灾带来的损失。
最后,我们来看“微型化”。随着集成微电子机械加工技术的日益成熟,MEMS传感器将半导体加工工艺(如氧化、光刻、扩散、沉积和蚀刻等)引入到传感器的生产制造过程中,实现了大规模的生产,并为传感器微型化的发展提供了强有力的技术支持。近年来,日本、美国、欧盟等国家和地区在半导体器件、微系统及微观结构、速度测量、微系统加工方法/设备、麦克风/扬声器、水平/测距/陀螺仪、光刻制版工艺和材料性质的测定/分析等技术领域都取得了显著的成果。当前,MEMS传感器技术的研发主要集中在以下几个方向:(1)在保持微型化的前提下降低功耗;(2)提升精度;(3)实现MEMS传感器的集成化及智能化;(4)开发与光学、生物学等技术领域交叉融合的新型传感器,如MOMES传感器(与微光学结合)、生物化学传感器(与生物技术、电化学结合)以及纳米传感器(与纳米技术结合)。
第四个趋势便是传感器的集成性与多功能融合。此种集成方式分为两种类型:其一,同类多个传感器的整合,即将具备相同功能的多个感应元件通过集成工艺在同一平面上进行排列,从而构成线性传感器(例如CCD图像传感器)。而另一种则是多功能一体化,例如将多种不同的敏感元器件制作于同一硅片之上,形成高度集成化且功能多元的传感器。这类传感器虽体积较小,易于实施补偿以及校正操作,但却是当前传感器集成化发展的主要方向。例如,意法半导体便提出将多个传感器组合成模块以提升产品功能;东芝公司也已经成功开发出晶圆级别的组合传感器,并于今年三月份推出了一款名为“Silmee”的传感器模块,该模块能够同时检测脉搏、心电图、体温以及身体活动等四项生命体征信息,并将这些数据以无线方式传送至智能手机或者平板电脑等设备。
第五个趋势是传感器的多样性,这得益于新材料技术的突破所带来的多种新型传感器的涌现。新型敏感材料是传感器的核心技术基础,而材料技术的研发则是提升性能、降低成本以及推动技术升级的关键途径。除了传统的半导体材料、光导纤维等之外,有机敏感材料、陶瓷材料、超导材料、纳米材料以及生物材料等都逐渐成为研究的焦点。在此背景下,生物传感器、光纤传感器、气敏传感器、数字传感器等新型传感器也随之快速崛起。例如,光纤传感器就是利用光纤自身的敏感特性或者借助光纤传输光波的特性来实现感知,它具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘性良好、体积小巧、能耗低等诸多优点,目前已被广泛应用于70余种物理量的测量中,未来发展潜力巨大。再比如,气敏传感器能够将被测气体的浓度转化为与其存在一定关联性的电量输出,它具有稳定性佳、重复性优良、动态特性优越、响应速度快、使用维护便捷等特点,因此在众多领域得到了广泛应用。根据BCC Research公司的预测,生物传感器和化学传感器有望成为增长最为迅猛的传感器细分市场,预计从2014年到2019年间的年均复合增长率可达到惊人的9.7%。