传感器技术和产品发展的重点

http://www.intl-sensor.com 时间:2008/5/6 10:32:14 点击2848次

引言

    传感器技术是现代科技的前沿技术，是制造业自动化和信息化的基础。随着国内工业自动化、信息化和国防现代化的发展，传感器的年需求量持续增长。由于国内传感器技术的创新和新产品开发能力落后于国外先进水平，制约了工业自动化和信息化技术的发展。



    传感器的基本原理不难，但制造工艺技术严格保密。国内传感器技术落后的根本原因是制造工艺技术和专用工艺设备的落后，使传感器的稳定性和可靠性问题长期得不到根本解决，限制了国产传感器的使用范围和可信程度。与国外传感器特别是高技术含量的传感器相比，国产传感器存在较大的差距。主要性能指标与国外差1～2个数量级，可靠性差2～3级。经过多年开发，虽然一批工艺和产品取得了科技成果，由于批产工艺的稳定性和实用性得不到很好解决，成为产业化的瓶颈。



    为此，必须加快发展传感器制造工艺技术和产品。当前，应当重点发展以下几个方面。



    1、MEMS工艺和微传感器



    MEMS工艺是在硅平面工艺基础上发展起来的一种通用的精密三维加工技术，是研究传感器、微执行器、微机械系统的核心技术。国外MEMS技术的发展已经有30年的历史。应用MEMS工艺，不仅可以制造简单的三维微结构，而且可以做成三维运动结构和复杂的力平衡结构，使现代传感器技术从单一的物性型进入以微电子和微机械集成技术为主导的发展阶段。微机电传感器的优良性能和优越的性价比，将取代传统的传感器而占有很大的市场份额。在MEMS器件的生产方面，国外已经形成3种类型的生产规模。大型企业年产100万只以上；中等规模年产在1万～100万只；一些研究所年产1万只以下。最近，美国SMI公司开发一系列低价位，线性度为0.11%～0.165%的硅微压力传感器，具有独特的三维结构，敏感元件的体积为Lm量级，是传统传感器的几百分之一。美国在2cm×2cm×0.15cm的体积内，制造了由3个陀螺和3个加速度计组成的微型惯性导航系统。该系统的质量为5g，体积只有小型惯性导航系统的01012%。



    近年来，国内MEMS工艺和新型传感器的研究不断深入和扩展，开发成功并形成产品的是压力传感器、加速度传感器、微型陀螺以及各种微执行器、微电极、微流量计、军用微传感器。但只有压力传感器等少数产品，采用自主开发的工艺技术，实现了从芯片制造到装配测试全过程的批量生产。



    目前，应当特别重视MEMS基本工艺的应用技术研究，开发专用工艺装备，使这些工艺在产业化生产中应用。现在应用的工艺设备大部分依靠进口，投资和运行成本比较高。为此，必须重视国产工艺设备的开发。沈阳仪表科学研究院开发的静电封接设备、硅油充灌设备、硅膜片腐蚀设备、性能测试设备和硅片划片设备为MEMS部分工艺的稳定运行提供了设备基础，部分设备已经在行业推广。

    2、集成工艺和集成传感器

    采用混合集成工艺，将微传感器、微驱动器、微执行器以及信号处理器和控制电路、接口、通讯和电源等组成一体化系统。集成工艺的进一步发展，可以使硅微传感器和微电子系统以及微执行器制造在一个芯片上形成单片集成，构成一个闭环工作系统，这不仅是传感技术概念的扩展和引申，还会在工业过程控制、航空航天、生物医学等方面发挥巨大作用。



    采用MEMS技术和集成技术研制的微传感器和微系统，具有体积小、成本低、可靠性高等独特的优点。例如，国外研制的压力成像器的微系统，整个膜片的尺寸为10mm×10mm，集成1024个微型压力传感器，传感器之间的距离为250Lm，每个压力膜片的尺寸为50Lm×50Lm。Tronic公司在直径100mm的SOI基片上集成了5500多个电容式压力敏感元件。



    物性的功能性和集成化是把多个具有不同固有特性的传感器集成在同一芯片上，例如，多功能集成FET生物传感器将多个不同固有成分选择性的ISFET集成在同一芯片上，实现了高准确度的多成分分析。日本电气公司已经研制成检测葡萄糖、尿素、维生素K和白4种成分的集成FET传感器。已经获得广泛应用的多功能硅压力/差压传感器是小型集成化的典型。沈阳仪表科学研究院在4mm×4mm的硅片上，采用微电子平面工艺和微机械加工工艺，开发了三坯双岛的复合敏感结构，实现了差压、静压和温度三参数的同时测量。

    3、智能化技术与智能传感器



    单片机的出现进一步促进了检测转换技术与信号处理的结合。传统的对检测变换单一信号处理，可扩展到同时对被测对象内部状态信号和环境状态信号进行多信号处理。新一代的传感器都将由一个结构敏感元件和一个表面功能器件复合构成。在传感器设计中所应用的信号处理新方法，如信号相关、多路输入信号比较、数字滤波、采样处理等，现已普遍采用微机数字化技术来实现，这样不仅使测量功能多样化，还使具有不同测量功能的电路成为紧凑的整体，从而提高检测性能。采用单片机通过软件开发使之成为智能传感器，能适应被测参数的变化来自动补偿、自动校正、自选量程、自寻故障，配有数字输出，实现双向通信，并具有较强的环境适应性。



    传感器智能化是当前传感器技术的主要发展方向之一。传感器技术和智能化技术的结合，使传感器由单一功能、单一检测对象向多功能和多变量检测发展，也使传感器由被动进行信号转换向主动控制传感器特性和主动进行信息处理发展，使传感器由孤立的元器件向系统化、网络化方向发展。



    智能传感器的典型代表是高性能的智能工业变送器。代表产品有日本横河电机的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。最近日本横河电机公司成功开发采用多变量传感器的EJX系列变送器，精度可达0.1025%。



    在今后一段时间内，智能传感器应当向下面两个方向发展：



    （1）通过MEMS工艺和IC平面工艺的融合技术，将微处理器和微传感器集成在一个硅芯片上。依靠软件技术，大大提高传感器的准确性、稳定性和可靠性，设计制造出新一代全数字式智能传感器。



    （2）采用硬件软化、软件集成、虚拟现实、软测量等人工智能的方法和技术，在传感器技术和计算机技术的基础上，研究开发具有拟人智能特性或功能的智能化传感器。

    4、网络化技术和网络传感器



    网络传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感器、信号处理器和网络接口的新一代传感器。在网络传感器中，采用嵌入式技术和集成技术，使传感器的体积减小，抗干扰性能和可靠性提高；微处理器的引入，使网络化传感器成为硬件和软件的结合体，根据输入信号进行判断、决策、自动修正和补偿，提高了控制系统的实时性和可靠性；网络接口技术的应用，为系统的扩充提供了极大的方便，减少了现场布线的复杂性和电缆的数量。



    目前，网络传感器具有两种基本方案：基于IEEE145112标准的有线网络传感器和基于IEEE145112及蓝牙协议的无线网络传感器。IEEE1451网络传感器代表了下一代传感器的发展方向。现在设计基于IEEE145112标准的网络化传感器具有专用接口模块和集成芯片如ED1520、PLCC-44，软件模块采用IEEE145112标准的STIM模块。在无线网络化传感器方面，国外已经推出了基于蓝牙技术的硬件和软件开发平台，如爱立信公司的蓝牙开发系统EBDK，AD公司的快速开发系统QSDK.利用开发系统可以方便、快速地开发出基于蓝牙协议的无线电