传感器与通信技术、芯片、操作系统被誉为现代信息技术和物联网的四大核心技术,其应用涉及社会生活的各个领域。随着华为在5G技术上的突破和北斗星链的形成,中国掌握了通信技术领域的核心技术。但传感器技术与引起国内广泛关注的芯片和操作系统仍有差距。
1. 定义传感器
技术是人体的延伸。如果说机械扩展了人类的体力,计算机扩展了人类的智力,那么传感器技术则极大地扩展了人类的感知。
传感器,英文称为Sensor或Transducer。 “传感器”在新魏词典中的定义是:“从一个系统接收电力,通常以另一种形式向第二个系统发送电力的设备”。根据这个定义,传感器的作用就是将一种形式的能量转换成另一种形式的能量,因此很多学者也用“Transducer”来指称“Sensor”。
简单来说,传感器是一种检测装置,通常由敏感元件和转换元件组成,可以测量信息并让用户感知信息。通过变换方法,将传感器中的数据或数值信息转换成电信号或其他所需形式的输出,以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。
2、传感器的分类
目前,国际上缺乏制定国际标准的指南和规范,尚未制定权威的传感器标准类型。它们只能分为简单物理传感器、化学传感器和生物传感器等大类。
例如,
物理传感器包括:声、力、光、磁、温度、湿度、电、辐射等;化学传感器包括:各种气体灵敏度、酸碱pH值、电离、极化、化学吸附、电化学反应等现象等;生物传感器包括:酶电极、介体生物电等,产品使用和形成过程中的因果关系环环相扣,无法划分为物理或化学类别,难以严格分类。
采用传感器分类和命名方法,主要有以下几种:
(1)根据转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
(2)根据传感器检测信息可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子- 敏感和辐射敏感传感器。
(3)根据供电方式可分为有源传感器和无源传感器。
(4)根据其输出信号可分为模拟输出、数字输出和开关传感器。
(5)根据传感器所用材料可分为:半导体材料;晶体材料;陶瓷材料;有机复合材料;金属材料;高分子材料;超导材料;光纤材料;纳米材料和其他传感器。
(6)按能量转换方式可分为能量转换传感器和能量控制传感器。
(7)按其制造技术可分为机械加工技术;复合与集成技术;薄膜和厚膜技术;陶瓷烧结技术;微机电系统技术;电化学技术和其他传感器。
全球商业化传感器约有26,000种。我国已有14000多个品种,其中大部分为常规品种和品种。可商品化的品种有7000余种,在医疗、科研、微生物、化学分析等特殊品种方面,还存在短缺和差距,技术创新空间较大。
3、传感器技术的三个历史发展阶段
第一代是结构传感器,利用结构参数的变化来感知和转换信号。例如:电阻应变传感器,它利用金属材料发生弹性变形时电阻的变化来转换电信号。
第二代传感器是20世纪70年代开发的固态传感器。这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体成分组成,利用材料的某些特性制成。例如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。
20世纪70年代末,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术和计算机技术的发展,出现了集成传感器。集成传感器包括传感器本身集成和传感器与后续电路集成两种类型。例如:电荷耦合器件(CCD)、集成温度传感器AD 590、集成霍尔传感器UG 3501等。该类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速,目前约占传感器市场的2/3。它们正在向低价格、多功能、系列化方向发展。
第三代传感器是20世纪80年代刚刚开发出来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外部信息具有一定的检测、自诊断、数据处理和自适应能力。它是微机技术与检测技术相结合的产物。 20世纪80年代,智能测量主要以微处理器为核心,将传感器信号调理电路、微机、存储器和接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定程度的人工智能。 20世纪90年代,智能测量技术进一步完善,在传感器层面实现了智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能、多参数测量功能、网络化通讯功能等。
四、国内外发展历史及现状
20世纪70年代初,西方发达国家大力发展计算机和通信技术,忽视了传感器技术的发展。传感器行业相对黯淡。
20世纪80年代初,美国、日本、德国、法国、英国等国家相继制定了加速传感器技术发展的政策。他们把它作为关系科技进步、经济发展和国家安全的关键技术,列入国家长期发展规划和重点规划。并采取严格的保密规定来封锁和控制技术,并禁止技术出口,特别是向中国出口。
1979年,日本在“未来十年值得注意的技术”中将传感器排名第一;
1985年美国国防部公布的二十项关键军事技术中,被列为第十四项; “星球大战”计划、欧洲“尤里卡”计划、前苏联“军事航天”计划、英国、法国、德国传感器被列为国家高技术发展计划重点发展技术,其科学性研究成果和制造工艺及装备被列为国家核心技术。
美国认为计算机技术是核心,敏感技术和光电技术是关键和重点,新材料和微电子技术是支撑和基础。通信与计算机的结合,以及多元化、新技术的融合,代表了美国信息技术的发展方向。
美国国家科学技术基金会认为,本世纪的重大变化是通过互联网连接物质世界,赋予其电子神经系统,使其能够感知信息。能够担负起这一重任的核心就是“传感器”。每年财政预算约69亿美元,用于传感器基础技术和应用研究,这被称为“传感器革命”(即:传感器革命)。
美国科技发展模式遵循先军工后民用、先改进后普及的发展道路。其特点显着:
(1)重视传感器功能材料的研究;
(2)关注传感器技术的发展;
(3)注重工艺研究:传感器的原理并不难,也不是保密的。最保密的是工艺(制造)。