傳感器技術的研究現狀與發展前景

陸　遙

摘 要:傳感器技術作為信息技術的三大基礎之一,是當前各發達國家競相發展的高技術,是進入21世紀以來優先發展的十大頂尖技術之一。傳感器技術所涉及的知識領域非常廣泛,其研究和發展也越來越多地和其他學科技術的發展緊密聯系。文章回顧了傳感器技術的發展歷史,綜述了近幾年高端前沿的光電傳感器技術和生物傳感器技術的主要研究狀況,并通過簡述當前的應用實例,展望了現代傳感器技術的發展和應用前景。

關鍵詞:傳感器技術 光電傳感器 紫外告警系統 生物傳感器 傳感器網絡

中圖分類號:F626.3 文獻標識碼:A

文章編號:1004-4914(2009)09-273-02

一、引言

當今社會的發展,是信息化的發展。在信息時代,人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發及獲取、傳輸與處理。傳感器是獲取自然領域中信息的主要途徑與手段,是現代科學的中樞神經系統。它是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受(或響應)與檢出功能,并使之按照一定規律轉換成與之對應的可輸出信號的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對象與測控系統的接口位置,一切科學研究和生產過程所要獲取的信息都要通過它轉換為容易傳輸和處理的電信號。如果把計算機比喻為處理和識別信息的“大腦”,把通信系統比喻為傳遞信息的“神經系統”,那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。

傳感器技術是現代科技的前沿技術,發展迅猛,同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱,許多國家已將傳感器技術列為與通信技術和計算機技術同等重要的位置。

現代傳感器技術具有巨大的應用潛力,擁有廣泛的開發空間,發展前景十分廣闊。

二、傳感器技術的發展歷史與回顧

傳感器技術是在20世紀中期才問世的。在那時,與計算機技術和數字控制技術相比,傳感技術的發展落后于它們,不少先進的成果仍停留在實驗研究階段,并沒有投入到實際生產與廣泛應用中,轉化率比較低。

在國外,傳感器技術主要是在各國不斷發展與提高的工業化浪潮下誕生的,并在早期多用于國家級項目的科研研發以及各國軍事技術、航空航天領域的試驗研究。然而,隨著各國機械工業、電子、計算機、自動化等相關信息化產業的迅猛發展,以日本和歐美等西方國家為代表的傳感器研發及其相關技術產業的發展已在國際市場中逐步占有了重要的份額。

我國從20世紀60年代開始傳感技術的研究與開發,經過從“六五”到“九五”的國家攻關,在傳感器研究開發、設計、制造、可靠性改進等方面獲得長足的進步,初步形成了傳感器研究、開發、生產和應用的體系,并在數控機床攻關中取得了一批可喜的、為世界矚目的發明專利與工礦監控系統或儀器的成果。但從總體上講,它還不能適應我國經濟與科技的迅速發展,我國不少傳感器、信號處理和識別系統仍然依賴進口。同時,我國傳感技術產品的市場競爭力優勢尚未形成,產品的改進與革新速度慢,生產與應用系統的創新與改進少。

三、光電、生物傳感器技術的國內外研究現狀

21世紀是邁向信息化社會的嶄新階段。其中,光電信息學與生物學的迅猛發展已成為這一時期科學技術發展的重要標志,并最有機會尋求更大的突破與飛躍。傳感器技術作為一種與現代科學密切相關的新興學科,在人類邁向新世紀,步入信息化社會的關鍵階段想要尋求空前迅速的發展,很大程度上取決于傳感器在這兩個前沿領域中的深入研究與廣泛應用。

1.當代光電傳感器技術的研究現狀。器件結構與原理:光電式傳感器(Photoelectric Sensor)是以光為測量媒介、以光電器件為轉換元件的傳感器,它具有非接觸、響應快、性能可靠等卓越特性。近年來,隨著各種新型光電器件的不斷涌現,特別是激光技術和圖像技術的迅猛發展,光電傳感器已成為各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件,在傳感器領域扮演著重要角色,在非接觸測量領域占據絕對統治地位。目前,光電式傳感器已在國民經濟和科學技術各個領域得到廣泛的應用,并發揮著越來越重要的作用。

光電傳感器的一般組成形式如圖1,主要包括光源、光通路、光電元件和測量電路四個部分組成。

其中,光電器件是將光能轉換為電能的一種傳感器件,并負責把光信號(紅外、可見及紫外光輻射)轉變成為電信號。光電器件響應快、結構簡單、使用方便,而且有較高的可靠性,因此在自動檢測、計算機和控制系統中,應用廣泛。

光電式傳感器既可以測量光信號,也可以測量其他非光信號;可以實現對直接引起光源變化的被測量進行測量,也可以對使光路產生變化的被測量進行測量;測量電路對光電器件輸出的電信號進行放大或轉換。

國內外研究現狀與應用實例。光電傳感器在當前科研領域的運用范圍很廣,影響力巨大。尤其是基于光電傳感器技術原理研發和制造出的新型光電傳感器已成為當今傳感器市場的主流。

在國外,光電傳感器技術已廣泛地運用到各國軍事技術、航空航天、檢測技術以及車輛工程等諸多領域。例如,軍事上,國外激光制導技術迅猛發展,使導彈發射的精度和射中目標的準確性大幅度提高;美國在航空航天領域,研制出了新型高精度高耐性紅外測溫傳感器,使其在惡劣的環境中仍能高精度測量出運行中的飛行器各部分溫度;國外的城市交通管理也大多運用電子紅外光電傳感器進行路段事故檢測和故障排解的指揮;同時,國外現有汽車中常裝載有新型光電傳感器,如激光防撞雷達、紅外夜視裝置、測量發動機燃料特性、壓力變化并用于導航的光纖陀螺等。

目前我國的光電式傳感器在現代研究實力和影響范圍上雖不及日本和歐美一些國家,但卻在研究的種類和樣式上取得重大的突破,總體上可分為光電式數字轉速表、光電式物位傳感器、視覺傳感器以及細絲類物件的在線檢測。

同時,基于光電傳感器技術的科技設備已在我國被廣泛地應用于多種軍事領域。其中較為廣泛的應屬紫外告警系統,它為探測來襲導彈提供了一個極其有效的手段。

紫外告警系統技術關鍵是紫外探測器。紫外探測器的主要特性是絕對光譜靈敏度,其光譜靈敏度決定于光學窗材料的透射率、探測器陰極靈敏度和探測器的管子結構。用于紫外告警系統的探測器目前主要有兩類:紫外光電倍增管探測器,以多元或面陣器件為核心的紫外探測器。紫外光電倍增管有分離打拿極紫外光電倍增管,單陽極和多陽極微通道板紫外光電倍增管以及日盲型紫外光電倍增管等多種形式。

紫外告警系統由于性能獨特,現在已成為電子戰技術開發的新熱點,開創了新型傳感技術的又一個頗具影響力與競爭力的領域。目前諸如紫外告警系統的新型光電傳感技術已成為裝備量最大的來襲導彈告警系統之一。

2.當代生物傳感器技術的研究現狀。器件結構與原理:生物傳感器(Biosensor)技術是指用生物活性材料作為感受器,通過其生化效應來檢測被測量的傳感器。生物傳感器的原理主要由兩大部分組成:生物功能物質的分子識別部分和轉換部分。前者的作用是識別被測物質,當生物傳感器的敏感膜與被測物接觸時,敏感膜上的某種生化活性物質就會從眾多化合物中挑選適合于自己的分子并與之產生作用,使其具有選擇識別的能力;轉換部分,是由于細胞膜受體與外界發生了共價結合,通過細胞膜的通透性改變,誘發了一系列的電化學過程,而這種變換得以把生物功能物質的分子識別轉換為電信號,形成了生物傳感器。

國內外研究與應用現狀。生物傳感器的研制和開發在全球學術界都具有巨大的影響力。在國外,現代生物傳感器已被詳細劃分為酶傳感器、細胞傳感器、免疫傳感器、基因傳感器等。

酶傳感器,由于酶的純化困難,加之固化技術影響酶的活性,現代生物傳感技術中采用:(1)多酶體系利用,即對不同化合物采用不同類型的酶進行最大活性的催化反應,并運用多酶的反饋調節可大大節省原材料并提高工作效率;(2)固定化底物電極,即使玻璃電極附近的PH變化與酶的活性在一定范圍內呈線性關系;(3)酶的電化學固定化,即制作厚度小、酶含量可控的酶層。

細胞傳感器以活細胞作為探測單元,能定性定量地測量和分析未知物質的信息;并可連續檢測和分析細胞在外界刺激下的生理功能。

免疫傳感器是利用抗體對抗原的識別并能與抗原結合的功能構成的生物傳感器,根據生物敏感膜產生電位的不同,可分為標記和非標記免疫傳感器。

現代基因傳感器技術主要應用于基因固定的載體表面修飾和基因探針固定化技術、界面雜交技術、雜交信號轉換和檢測技術等。

在我國,生物傳感器技術還處在大規模的研究階段。然而,結合國內外相關技術研制的生物傳感器在當前的工業、農業、環境監測及生物醫學等眾多領域還是有著廣泛和重要的用途的。

在生物醫學方面,一些有臨床診斷意義的基質(如血糖、乳酸、谷氨酰胺等)可借助于生物傳感器來檢測。

在環境監測領域,生物傳感器在測定環境污染指標BOD(即水質受有機物污染的程度)方面起到了重要的作用,為保證地區的淡水、飲用水質量,有效治理被污染水源等做出了貢獻;微生物傳感器用于測定空氣和水中的NH3含量和濃度,在發酵工業、整治大氣污染等方面發揮功效;生物傳感器還可探測除草劑含量,應用于植物學研究和整治農藥污染。

在食品工業中,生物傳感器用于食品鮮度、滋味和熟度的測定,在食品生產和加工過程中起到重要作用;同時,還可測定食品中的細菌和毒素含量,及時避免人們誤食此類食品而危害健康。

四、現代傳感器技術的發展趨勢和應用前景

從傳感器技術的發展歷史與研究現狀可以看出,隨著科學技術的迅猛發展以及相關條件的日趨成熟,傳感器技術逐漸受到了各學科領域的高度重視。當今傳感器技術的研究與發展,特別是基于光電通信和生物學原理的新型傳感器技術的發展,已成為推動國家乃至世界信息化產業進步的重要標志與動力。

由于傳感器具有頻率響應、階躍響應等動態特性以及諸如漂移、重復性、精確度、靈敏度、分辨率、線性度等靜態特性,所以外界因素的改變與動蕩必然會造成傳感器自身特性的不穩定,從而給其實際應用造成較大影響。這就要求針對傳感器的工作原理和結構,在不同場合對傳感器規定相應的基本要求,以最大程度優化其性能參數與指標,如高靈敏度、抗干擾的穩定性、線性、容易調節、高精度、無遲滯性、工作壽命長、可重復性、抗老化、高響應速率、抗環境影響、互換性、低成本、寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度等。

同時,根據對國內外傳感器技術的研究現狀分析以及對傳感器各性能參數的理想化要求,現代傳感器技術的發展趨勢可以從四個方面概括:一是開發新材料、新工藝和開發新型傳感器;二是實現傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是實現傳感技術硬件系統與元器件的微小型化;四是通過傳感器與其它學科的交叉整合,實現無線網絡化。

首先,利用新材料開發新型傳感器。隨著光導纖維、納米材料超導材料等相繼問世,人工智能材料具有能夠感知環境條件的變化(傳統傳感器)的功能,識別、判斷(處理器)功能,發出指令和自采取行動(執引器)功能。利用這樣具有新效應的敏感功能材料使研制具有新原理的新型傳感器成為可能。

第二,集成化多功能傳感器的開發。集成化是指傳感器同一功能的多元件并列以及功能上的一體化。前一種集成化使傳感器的檢測參數實現“點、線、面、體”多維圖像化,甚至能加上時序控制等軟件,變單參數檢測為多參數檢測;后一種集成化使傳感器由單一的信號轉換功能,擴展為兼有放大、運算、補償等多功能的傳感器。在實際運用中,常做到硬件與軟件兩方面的集成,它包括:傳感器陣列的集成、多功能和多傳感參數的復合傳感器;傳感系統硬件的集成;硬件與軟件的集成;數據集成與融合等。多功能是指“一器多能”,即一個傳感器可以檢測兩個或兩個以上的參數。這樣可大大節省檢測成本,并使項目復雜度降低,提高了工作效率。

運用集成化多功能理論研制出的傳感器可以應用到更廣泛的領域,并發揮出更加強大的功能效用。利用集成化多功能原理,現代傳感技術已制成帶溫度補償的集成壓力傳感器,頻率輸出型集成壓力傳感器、霍爾集成傳感器、半導體集成色敏傳感器、多維化集成氣敏傳感器等。

在智能化傳感技術方面,以微處理器為核心單元,具有檢測、判斷和信息處理等功能;硬件上由微處理器系統對整個傳感器電路、接口、信號轉換進行處理調整;軟件上進行非線性特性校正,誤差的自動校準和數字濾波處理,從而形成傳感技術的智能化系統。

第三,實現傳感技術硬件系統與元器件的微小型化。利用集成電路微小型化的經驗,從傳感技術硬件系統的微小型化中提高其可靠性、質量、處理速度和生產率,降低成本,節約資源與能源,減少對環境的污染。這種充分利用已有微細加工技術與裝置的做法已經取得巨大的效益、極大地增強了市場競爭力。

第四,傳感器與多學科交叉融合,推動無線傳感器網絡的發展。無線傳感器網絡是由大量具有無線通信與計算能力的微小傳感器節點構成的自組織分布式網絡系統。利用微傳感器與微機械、通信、自動控制、人工智能等多學科的綜合技術,實現傳感器的無線網絡化,使其能根據環境自主完成指定任務。

由此可見,現代傳感器技術具有巨大的應用潛力,擁有廣泛的開發空間。可以預見,在不久的將來,傳感器技術會得到更快速的發展,并應用到更廣泛的領域,成為人類生產生活中不可或缺的科技產品。

五、結論

傳感器技術作為信息技術的三大基礎之一,是當前各發達國家競相發展的高技術,是進入21世紀以來優先發展的十大頂尖技術之一。現代傳感器技術具有巨大的應用潛力,擁有廣泛的開發空間。

目前,我國在傳感器技術方面的研究和應用實力,與一些發達國家相比還有一定的差距。因此,國內傳感器的研究開發工作應重視基礎性研究;針對中試規模的新產品,在攻克制造工藝技術的前提下,進行工藝穩定性研究及市場應用研究;在確定產品性能穩定可靠、工藝易于批量化生產、市場應用前景廣闊的基礎上,開展產業化技術及產業化配套技術研究、可靠性技術等方面研究;以市場需求為導向,積極調動各方面力量,以促進我國傳感器行業的產業化進程。

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(作者單位:南京大學工程管理學院自動化系 江蘇南京 210000)

(責編:鄭釗)