傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

陸　遙

摘 要:傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一,是當(dāng)前各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的高技術(shù),是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一。傳感器技術(shù)所涉及的知識(shí)領(lǐng)域非常廣泛,其研究和發(fā)展也越來(lái)越多地和其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系。文章回顧了傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史,綜述了近幾年高端前沿的光電傳感器技術(shù)和生物傳感器技術(shù)的主要研究狀況,并通過(guò)簡(jiǎn)述當(dāng)前的應(yīng)用實(shí)例,展望了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:傳感器技術(shù) 光電傳感器 紫外告警系統(tǒng) 生物傳感器 傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào):F626.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-4914(2009)09-273-02

一、引言

當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展,是信息化的發(fā)展。在信息時(shí)代,人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)及獲取、傳輸與處理。傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段,是現(xiàn)代科學(xué)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。它是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng))與檢出功能,并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置,一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程所要獲取的信息都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號(hào)。如果把計(jì)算機(jī)比喻為處理和識(shí)別信息的“大腦”,把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”,那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺(jué)器官”。

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù),發(fā)展迅猛,同計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱,許多國(guó)家已將傳感器技術(shù)列為與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)同等重要的位置。

現(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力,擁有廣泛的開(kāi)發(fā)空間,發(fā)展前景十分廣闊。

二、傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史與回顧

傳感器技術(shù)是在20世紀(jì)中期才問(wèn)世的。在那時(shí),與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相比,傳感技術(shù)的發(fā)展落后于它們,不少先進(jìn)的成果仍停留在實(shí)驗(yàn)研究階段,并沒(méi)有投入到實(shí)際生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用中,轉(zhuǎn)化率比較低。

在國(guó)外,傳感器技術(shù)主要是在各國(guó)不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的,并在早期多用于國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的科研研發(fā)以及各國(guó)軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗(yàn)研究。然而,隨著各國(guó)機(jī)械工業(yè)、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,以日本和歐美等西方國(guó)家為代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國(guó)際市場(chǎng)中逐步占有了重要的份額。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始傳感技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā),經(jīng)過(guò)從“六五”到“九五”的國(guó)家攻關(guān),在傳感器研究開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步,初步形成了傳感器研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系,并在數(shù)控機(jī)床攻關(guān)中取得了一批可喜的、為世界矚目的發(fā)明專利與工礦監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。但從總體上講,它還不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展,我國(guó)不少傳感器、信號(hào)處理和識(shí)別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。同時(shí),我國(guó)傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)尚未形成,產(chǎn)品的改進(jìn)與革新速度慢,生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)少。

三、光電、生物傳感器技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)是邁向信息化社會(huì)的嶄新階段。其中,光電信息學(xué)與生物學(xué)的迅猛發(fā)展已成為這一時(shí)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志,并最有機(jī)會(huì)尋求更大的突破與飛躍。傳感器技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的新興學(xué)科,在人類邁向新世紀(jì),步入信息化社會(huì)的關(guān)鍵階段想要尋求空前迅速的發(fā)展,很大程度上取決于傳感器在這兩個(gè)前沿領(lǐng)域中的深入研究與廣泛應(yīng)用。

1.當(dāng)代光電傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀。器件結(jié)構(gòu)與原理:光電式傳感器(Photoelectric Sensor)是以光為測(cè)量媒介、以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器,它具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等卓越特性。近年來(lái),隨著各種新型光電器件的不斷涌現(xiàn),特別是激光技術(shù)和圖像技術(shù)的迅猛發(fā)展,光電傳感器已成為各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件,在傳感器領(lǐng)域扮演著重要角色,在非接觸測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)統(tǒng)治地位。目前,光電式傳感器已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,并發(fā)揮著越來(lái)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(cè)量電路四個(gè)部分組成。

其中,光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件,并負(fù)責(zé)把光信號(hào)(紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,而且有較高的可靠性,因此在自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中,應(yīng)用廣泛。

光電式傳感器既可以測(cè)量光信號(hào),也可以測(cè)量其他非光信號(hào);可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直接引起光源變化的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量,也可以對(duì)使光路產(chǎn)生變化的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量;測(cè)量電路對(duì)光電器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與應(yīng)用實(shí)例。光電傳感器在當(dāng)前科研領(lǐng)域的運(yùn)用范圍很廣,影響力巨大。尤其是基于光電傳感器技術(shù)原理研發(fā)和制造出的新型光電傳感器已成為當(dāng)今傳感器市場(chǎng)的主流。

在國(guó)外,光電傳感器技術(shù)已廣泛地運(yùn)用到各國(guó)軍事技術(shù)、航空航天、檢測(cè)技術(shù)以及車輛工程等諸多領(lǐng)域。例如,軍事上,國(guó)外激光制導(dǎo)技術(shù)迅猛發(fā)展,使導(dǎo)彈發(fā)射的精度和射中目標(biāo)的準(zhǔn)確性大幅度提高;美國(guó)在航空航天領(lǐng)域,研制出了新型高精度高耐性紅外測(cè)溫傳感器,使其在惡劣的環(huán)境中仍能高精度測(cè)量出運(yùn)行中的飛行器各部分溫度;國(guó)外的城市交通管理也大多運(yùn)用電子紅外光電傳感器進(jìn)行路段事故檢測(cè)和故障排解的指揮;同時(shí),國(guó)外現(xiàn)有汽車中常裝載有新型光電傳感器,如激光防撞雷達(dá)、紅外夜視裝置、測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃料特性、壓力變化并用于導(dǎo)航的光纖陀螺等。

目前我國(guó)的光電式傳感器在現(xiàn)代研究實(shí)力和影響范圍上雖不及日本和歐美一些國(guó)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(shù)字轉(zhuǎn)速表、光電式物位傳感器、視覺(jué)傳感器以及細(xì)絲類物件的在線檢測(cè)。

同時(shí),基于光電傳感器技術(shù)的科技設(shè)備已在我國(guó)被廣泛地應(yīng)用于多種軍事領(lǐng)域。其中較為廣泛的應(yīng)屬紫外告警系統(tǒng),它為探測(cè)來(lái)襲導(dǎo)彈提供了一個(gè)極其有效的手段。

紫外告警系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵是紫外探測(cè)器。紫外探測(cè)器的主要特性是絕對(duì)光譜靈敏度,其光譜靈敏度決定于光學(xué)窗材料的透射率、探測(cè)器陰極靈敏度和探測(cè)器的管子結(jié)構(gòu)。用于紫外告警系統(tǒng)的探測(cè)器目前主要有兩類:紫外光電倍增管探測(cè)器,以多元或面陣器件為核心的紫外探測(cè)器。紫外光電倍增管有分離打拿極紫外光電倍增管,單陽(yáng)極和多陽(yáng)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(tǒng)由于性能獨(dú)特,現(xiàn)在已成為電子戰(zhàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn),開(kāi)創(chuàng)了新型傳感技術(shù)的又一個(gè)頗具影響力與競(jìng)爭(zhēng)力的領(lǐng)域。目前諸如紫外告警系統(tǒng)的新型光電傳感技術(shù)已成為裝備量最大的來(lái)襲導(dǎo)彈告警系統(tǒng)之一。

2.當(dāng)代生物傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀。器件結(jié)構(gòu)與原理:生物傳感器(Biosensor)技術(shù)是指用生物活性材料作為感受器,通過(guò)其生化效應(yīng)來(lái)檢測(cè)被測(cè)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(zhì)的分子識(shí)別部分和轉(zhuǎn)換部分。前者的作用是識(shí)別被測(cè)物質(zhì),當(dāng)生物傳感器的敏感膜與被測(cè)物接觸時(shí),敏感膜上的某種生化活性物質(zhì)就會(huì)從眾多化合物中挑選適合于自己的分子并與之產(chǎn)生作用,使其具有選擇識(shí)別的能力;轉(zhuǎn)換部分,是由于細(xì)胞膜受體與外界發(fā)生了共價(jià)結(jié)合,通過(guò)細(xì)胞膜的通透性改變,誘發(fā)了一系列的電化學(xué)過(guò)程,而這種變換得以把生物功能物質(zhì)的分子識(shí)別轉(zhuǎn)換為電信號(hào),形成了生物傳感器。

國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。生物傳感器的研制和開(kāi)發(fā)在全球?qū)W術(shù)界都具有巨大的影響力。在國(guó)外,現(xiàn)代生物傳感器已被詳細(xì)劃分為酶?jìng)鞲衅鳌⒓?xì)胞傳感器、免疫傳感器、基因傳感器等。

酶?jìng)鞲衅?由于酶的純化困難,加之固化技術(shù)影響酶的活性,現(xiàn)代生物傳感技術(shù)中采用:(1)多酶體系利用,即對(duì)不同化合物采用不同類型的酶進(jìn)行最大活性的催化反應(yīng),并運(yùn)用多酶的反饋調(diào)節(jié)可大大節(jié)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(nèi)呈線性關(guān)系;(3)酶的電化學(xué)固定化,即制作厚度小、酶含量可控的酶層。

細(xì)胞傳感器以活細(xì)胞作為探測(cè)單元,能定性定量地測(cè)量和分析未知物質(zhì)的信息;并可連續(xù)檢測(cè)和分析細(xì)胞在外界刺激下的生理功能。

免疫傳感器是利用抗體對(duì)抗原的識(shí)別并能與抗原結(jié)合的功能構(gòu)成的生物傳感器,根據(jù)生物敏感膜產(chǎn)生電位的不同,可分為標(biāo)記和非標(biāo)記免疫傳感器。

現(xiàn)代基因傳感器技術(shù)主要應(yīng)用于基因固定的載體表面修飾和基因探針固定化技術(shù)、界面雜交技術(shù)、雜交信號(hào)轉(zhuǎn)換和檢測(cè)技術(shù)等。

在我國(guó),生物傳感器技術(shù)還處在大規(guī)模的研究階段。然而,結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研制的生物傳感器在當(dāng)前的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域還是有著廣泛和重要的用途的。

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

在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,生物傳感器在測(cè)定環(huán)境污染指標(biāo)BOD(即水質(zhì)受有機(jī)物污染的程度)方面起到了重要的作用,為保證地區(qū)的淡水、飲用水質(zhì)量,有效治理被污染水源等做出了貢獻(xiàn);微生物傳感器用于測(cè)定空氣和水中的NH3含量和濃度,在發(fā)酵工業(yè)、整治大氣污染等方面發(fā)揮功效;生物傳感器還可探測(cè)除草劑含量,應(yīng)用于植物學(xué)研究和整治農(nóng)藥污染。

在食品工業(yè)中,生物傳感器用于食品鮮度、滋味和熟度的測(cè)定,在食品生產(chǎn)和加工過(guò)程中起到重要作用;同時(shí),還可測(cè)定食品中的細(xì)菌和毒素含量,及時(shí)避免人們誤食此類食品而危害健康。

四、現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景

從傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀可以看出,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及相關(guān)條件的日趨成熟,傳感器技術(shù)逐漸受到了各學(xué)科領(lǐng)域的高度重視。當(dāng)今傳感器技術(shù)的研究與發(fā)展,特別是基于光電通信和生物學(xué)原理的新型傳感器技術(shù)的發(fā)展,已成為推動(dòng)國(guó)家乃至世界信息化產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要標(biāo)志與動(dòng)力。

由于傳感器具有頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)等動(dòng)態(tài)特性以及諸如漂移、重復(fù)性、精確度、靈敏度、分辨率、線性度等靜態(tài)特性,所以外界因素的改變與動(dòng)蕩必然會(huì)造成傳感器自身特性的不穩(wěn)定,從而給其實(shí)際應(yīng)用造成較大影響。這就要求針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),在不同場(chǎng)合對(duì)傳感器規(guī)定相應(yīng)的基本要求,以最大程度優(yōu)化其性能參數(shù)與指標(biāo),如高靈敏度、抗干擾的穩(wěn)定性、線性、容易調(diào)節(jié)、高精度、無(wú)遲滯性、工作壽命長(zhǎng)、可重復(fù)性、抗老化、高響應(yīng)速率、抗環(huán)境影響、互換性、低成本、寬測(cè)量范圍、小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度等。

同時(shí),根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析以及對(duì)傳感器各性能參數(shù)的理想化要求,現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以從四個(gè)方面概括:一是開(kāi)發(fā)新材料、新工藝和開(kāi)發(fā)新型傳感器;二是實(shí)現(xiàn)傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化;四是通過(guò)傳感器與其它學(xué)科的交叉整合,實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化。

首先,利用新材料開(kāi)發(fā)新型傳感器。隨著光導(dǎo)纖維、納米材料超導(dǎo)材料等相繼問(wèn)世,人工智能材料具有能夠感知環(huán)境條件的變化(傳統(tǒng)傳感器)的功能,識(shí)別、判斷(處理器)功能,發(fā)出指令和自采取行動(dòng)(執(zhí)引器)功能。利用這樣具有新效應(yīng)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(kāi)發(fā)。集成化是指?jìng)鞲衅魍还δ艿亩嘣⒘幸约肮δ苌系囊惑w化。前一種集成化使傳感器的檢測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)、線、面、體”多維圖像化,甚至能加上時(shí)序控制等軟件,變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè);后一種集成化使傳感器由單一的信號(hào)轉(zhuǎn)換功能,擴(kuò)展為兼有放大、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)榷喙δ艿膫鞲衅?。在?shí)際運(yùn)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(shù)的復(fù)合傳感器;傳感系統(tǒng)硬件的集成;硬件與軟件的集成;數(shù)據(jù)集成與融合等。多功能是指“一器多能”,即一個(gè)傳感器可以檢測(cè)兩個(gè)或兩個(gè)以上的參數(shù)。這樣可大大節(jié)省檢測(cè)成本,并使項(xiàng)目復(fù)雜度降低,提高了工作效率。

運(yùn)用集成化多功能理論研制出的傳感器可以應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域,并發(fā)揮出更加強(qiáng)大的功能效用。利用集成化多功能原理,現(xiàn)代傳感技術(shù)已制成帶溫度補(bǔ)償?shù)募蓧毫鞲衅?頻率輸出型集成壓力傳感器、霍爾集成傳感器、半導(dǎo)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(shù)方面,以微處理器為核心單元,具有檢測(cè)、判斷和信息處理等功能;硬件上由微處理器系統(tǒng)對(duì)整個(gè)傳感器電路、接口、信號(hào)轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理調(diào)整;軟件上進(jìn)行非線性特性校正,誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)和數(shù)字濾波處理,從而形成傳感技術(shù)的智能化系統(tǒng)。

第三,實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化。利用集成電路微小型化的經(jīng)驗(yàn),從傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)的微小型化中提高其可靠性、質(zhì)量、處理速度和生產(chǎn)率,降低成本,節(jié)約資源與能源,減少對(duì)環(huán)境的污染。這種充分利用已有微細(xì)加工技術(shù)與裝置的做法已經(jīng)取得巨大的效益、極大地增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

第四,傳感器與多學(xué)科交叉融合,推動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。利用微傳感器與微機(jī)械、通信、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科的綜合技術(shù),實(shí)現(xiàn)傳感器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化,使其能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)。

由此可見(jiàn),現(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力,擁有廣泛的開(kāi)發(fā)空間。可以預(yù)見(jiàn),在不久的將來(lái),傳感器技術(shù)會(huì)得到更快速的發(fā)展,并應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域,成為人類生產(chǎn)生活中不可或缺的科技產(chǎn)品。

五、結(jié)論

傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一,是當(dāng)前各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的高技術(shù),是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力,擁有廣泛的開(kāi)發(fā)空間。

目前,我國(guó)在傳感器技術(shù)方面的研究和應(yīng)用實(shí)力,與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距。因此,國(guó)內(nèi)傳感器的研究開(kāi)發(fā)工作應(yīng)重視基礎(chǔ)性研究;針對(duì)中試規(guī)模的新產(chǎn)品,在攻克制造工藝技術(shù)的前提下,進(jìn)行工藝穩(wěn)定性研究及市場(chǎng)應(yīng)用研究;在確定產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠、工藝易于批量化生產(chǎn)、市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊的基礎(chǔ)上,開(kāi)展產(chǎn)業(yè)化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化配套技術(shù)研究、可靠性技術(shù)等方面研究;以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向,積極調(diào)動(dòng)各方面力量,以促進(jìn)我國(guó)傳感器行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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(作者單位:南京大學(xué)工程管理學(xué)院自動(dòng)化系 江蘇南京 210000)

(責(zé)編:鄭釗)