10、传感器的发展动向是什么？答：传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有较大的发展。有专家认为，我国今后传感器方面的研究和开发方向应是：微电子机械系统、汽车传感器、环保传感器、工业过程控制传感器、医疗卫生和食品业检测传感器、新型敏感材料等。近年来，由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段，各种制造工艺和材料性能的研究已达到相当高的水平，这为传感器的发展创造了极为有利的条件。如何采用新技术、新工艺、新材料及探索新理论，以达到高质量、高效能是传感器技术总的发展途径。下面将传感器的发展概括为以下几个方面：1）继续发展结构型传感器结构型传感器主要向高稳定性、高可靠性和高精度方向发展。目前，在国防工业和工业控制领域还大量使用结构型传感器，但是结构型传感器在原理、材料和结构形式等方面都不断发生变化，并且向有源化方向发展，即将敏感元件和电路组装在一起，减小装置体积，提高信噪比和精度。结构传感器由于采用新结构、新材料和新工艺，可大幅度提高传感器的性能。2）大力开发物性型传感器。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器的检测原理明确，受环境影响小，一般来说它的构造复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点。近年来发展最快的物性型传感器是半导体、电介质和强磁性体三类。其中半导体传感器响应速度快，形小量轻，发展最引人注目，它不仅灵敏度高，而且便手实现传感器的集成化和多功能化。世界各国都在物性型传感器方面投入了大量人力物力，加强研究，从而使它成为值得注意的发展动向之一。3）开发新传感功能材料传感器材料是传感器技术的重要基础，因此，对新材料的开发，是传感器技术的重要研究课题。自前以半导体材料为主的传感器如气敏、热敏、光敏等传感器是很成成熟的，用有机材料制造的力敏、气敏、湿敏、光敏等传感器也较为成热：因此，今后开发传感器最有希望的材料还是陶瓷材料、有机材料等。如陶瓷材料中的压电陶瓷、半导体陶瓷，高分子材料中的导电性高分子、半导体高分子、感光性树脂等。4）采用新原理鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能低成本和小型化传感器的重要途径。新原理的采用往往给传感器的发展带来质的飞跃，约瑟夫逊效应传感器可以作为采用新原理的代表，一种基于约瑟夫逊效应的红外探测器，响应速度极快，对光通信的贡献很大。利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10-°K的超低温：利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微弱信号，是传感器技术发展的新趋势之一，例如：利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10-7：此外，目前刚刚起步，利用化学效应和生物效应开发的，可供实用的化学传感器和生物传感器，更是有待开拓的新领域，老原理的新应用，对促进传感器的发展也有极大的作用，如光导纤维，其原理可以说是老早就有的，但用于传感器是一种创新，产生的效果是很大的
10、传感器的发展动向是什么？ 答：传感器技术是 21 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传 感器技术视为现代高新技术发展的关键。从 20 世纪 80 年代起，日本就将传感器技术列为优 先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内 容。我国从 20 世纪 80 年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。2l 世纪是 人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有较 大的发展。有专家认为，我国今后传感器方面的研究和开发方向应是；微电子机械系统、汽 车传感器、环保传感器、工业过程控制传感器、医疗卫生和食品业检测传感器、新型敏感材 料等。近年来，由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段，各种制造工艺和材料性能的 研究已达到相当高的水平，这为传感器的发展创造了极为有利的条件。如何采用新技术、新 工艺、新材料及探索新理论，以达到高质量、高效能是传感器技术总的发展途径。 下面将传感器的发展概括为以下几个方面： 1）继续发展结构型传感器 结构型传感器主要向高稳定性、高可靠性和高精度方向发展。目前，在国防工业和工业 控制领域还大量使用结构型传感器，但是结构型传感器在原理、材料和结构形式等方面都不 断发生变化，并且向有源化方向发展，即将敏感元件和电路组装在一起，减小装置体积，提 高信噪比和精度。结构传感器由于采用新结构、新材料和新工艺，可大幅度提高传感器的性 能。 2）大力开发物性型传感器。 结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器的检测原理明确，受环境影晌 小，一般来说它的构造复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少 诱人的优点。近年来发展最快的物性型传感器是半导体、电介质和强磁性体三类。其中半导 体传感器响应速度快，形小量轻，发展最引人注目，它不仅灵敏度高，而且便于实现传感器 的集成化和多功能化。 世界各国都在物性型传感器方面投入了大量人力物力，加强研究，从而使它成为值得注 意的发展动向之一。 3）开发新传感功能材料 传感器材料是传感器技术的重要基础．因此，对新材料的开发，是传感器技术的重要研 究课题。目前以半导体材料为主的传感器如气敏、热敏、光敏等传感器是很成成熟的，用有 机材料制造的力敏、气敏、湿敏、光敏等传感器也较为成热．因此，今后开发传感器最有希 望的材料还是陶瓷材料、有机材料等。如陶瓷材料中的压电陶瓷、半导体陶瓷，高分子材料 中的导电性高分子、半导体高分子、感光性树脂等。 4）采用新原理 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的 敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能， 低成本和小型化传感器的重要途径。新原理的采用往往给传感器的发展带来质的飞跃，约瑟 夫逊效应传感器可以作为采用新原理的代表，一种基于约瑟夫逊效应的红外探测器，响应速 度极快，对光通信的贡献很大。利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量 10-6K 的超 低温；利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微弱信号，是传感器技术发 展的新趋势之一，例如：利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度 的 10-7； 此外，目前刚刚起步，利用化学效应和生物效应开发的，可供实用的化学传感器 和生物传感器，更是有待开拓的新领域。 老原理的新应用，对促进传感器的发展也有极大的作用，如光导纤维，其原理可以说 是老早就有的，但用于传感器是一种创新，产生的效果是很大的
5）追求拓展检测上下限提高物理量的测量精度，延伸它的测量极限，一直是科学界的共同奋斗目标。我们清楚地看到，测量极限和精度的每次数量级的进步，常带来新学科的诞生和社会生产力的大的飞跃。迈克尔逊干涉仪的出现，使光速测量精度有大的飞跃，这导致了以太理论的死亡，为相对论的出现建立了最重要的实验根据。而电子隧道显微镜的发明使人类能直接观察到原子世界的结构，使固体物理学、原子学、生物学、化学、医学等学科获得了连锁性的巨大进步。6）光、机、电、算多种技术的结合光、机、电、算等多种技术的结合，使传感器更新换代的步伐越来越快，传感器的发展也因此获得强劲发展的基础。传感器与计算机结合构成了智能化产品，使传感器能自已作出判断、反应甚至学习、理解、思考和创造，这是传感器与计算机发展的共同需要，目前已成为人所共知的趋向。7）填补传感器的空白有些被测量，到现在为止还没有合适的传感器予以检测，，或者功能还差得很远。例如相当于人的味觉传感器，完全没有解决，甚基至连头绪也没有找到。相当于入的膜觉的气体传感器，是利用固体电路可随吸附在该固体表面及包围在固体周围的物质种类和数量变化这一原理工作的，但其制作尚处于探索阶段．不少仿生传感器都有待于研究。8）研究生物感官，开发仿生传感器，大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身的人类本身，而且还设计了许许多多功能奇特，性能高超的生物传感器。例如狗的嗅觉（灵敏阈为人的10°倍），鸟的视觉（视力为人的8S50倍），蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主动型生物雷达一一超声波传感器），蛇的接近觉（分辨力达0.001℃的红外测温传感器）等等。这些动物的感官性能，是当今传感器技术所望尘莫及的。研究它们的机理，开发仿生传感器，也是引入注目的方向。9）向化学和生物型传感器方向发展自前的所有传感器都有体积大，缺之专一性的缺点。例如市售的煤气传感器，除了对煤气敏感外，还对酒精、乙醚等多种气体敏感，这常常引起误报。生物传感器可以做到只对某种特定的量敏感。例如某种酶传感器就只对葡萄糖敏感。它响应快，分辨率高，对医疗化验特别有用。从传感器的尺寸来看，这种发展也是自然的：普通传感器的几何尺寸量级是cm级，集成传感器是10～100um，化学传感器是分子集团（→千埃），生物传感器是分子大小(几十一几百埃)。10）小型化在一般的测量中，对传感器的外型、尺寸、重量没有特殊的要求，但在航空，宇航，生物医学工程中就要求使用的传感器尺寸要尽量小、重量要尽量轻，如：生物医学工程中颅压的测量、监测血管内血液的流速、血液的含氧量，风洞中压力场分布的测量等，传感器必须向小型化方向发展，以便减小体积和重量。压阻传感器的出现使压力传感器小型化得到重大进展，当前应用最普遍的是扩散硅压力传感器，它可以在一个厚15μm，直径为1mm的硅薄膜中扩散全桥电阻并有温度补偿功能提高了测量精度。11）集成化就是把传感器的敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制作在同一芯片上，成为完成一定功能的整体。集成化它分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。现已有集成磁敏、集成力敏、集成温敏、集成光敏和集成场效应离子敏传感器等。集成化传感器由低级发展到高
5）追求拓展检测上下限 提高物理量的测量精度，延伸它的测量极限，一直是科学界的共同奋斗目标。我们清楚 地看到，测量极限和精度的每次数量级的进步，常带来新学科的诞生和社会生产力的大的飞 跃。迈克尔逊干涉仪的出现，使光速测量精度有大的飞跃，这导致了以太理论的死亡，为相 对论的出现建立了最重要的实验根据。而电子隧道显微镜的发明使人类能直接观察到原子世 界的结构，使固体物理学、原子学、生物学、化学、医学等学科获得了连锁性的巨大进步。 6）光、机、电、算多种技术的结合 光、机、电、算等多种技术的结合，使传感器更新换代的步伐越来越快，传感器的发展 也因此获得强劲发展的基础。传感器与计算机结合构成了智能化产品，使传感器能自己作出 判断、反应甚至学习、理解、思考和创造，这是传感器与计算机发展的共同需要，目前已成 为人所共知的趋向。 7）填补传感器的空白 有些被测量，到现在为止还没有合适的传感器予以检测，或者功能还差得很远。例如 相当于人的味觉传感器，完全没有解决，甚至连头绪也没有找到。相当于入的嗅觉的气体传 感器，是利用固体电路可随吸附在该固体表面及包围在固体周围的物质种类和数量变化这一 原理工作的，但其制作尚处于探索阶段．不少仿生传感器都有待于研究。 8）研究生物感官，开发仿生传感器， 大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身 的人类本身，而且还设计了许许多多功能奇特，性能高超的生物传感器。例如狗的嗅觉(灵 敏阈为人的 106 倍)，鸟的视觉(视力为人的 8∽50 倍)，蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉(主动型生 物雷达——超声波传感器)，蛇的接近觉(分辨力达 0.001℃的红外测温传感器)等等。 这些动物的感官性能，是当今传感器技术所望尘莫及的。研究它们的机理，开发仿生传 感器，也是引入注目的方向。 9）向化学和生物型传感器方向发展 目前的所有传感器都有体积大，缺乏专一性的缺点。例如市售的煤气传感器，除了对煤 气敏感外，还对酒精、乙醚等多种气体敏感，这常常引起误报。生物传感器可以做到只对某 种特定的量敏感。例如某种酶传感器就只对葡萄糖敏感。它响应快，分辨率高，对医疗化验 特别有用。 从传感器的尺寸来看，这种发展也是自然的：普通传感器的几何尺寸量级是 cm 级，集 成传感器是 10～100μm，化学传感器是分子集团(一千埃)，生物传感器是分子大小(几十一 几百埃)。 10）小型化 在一般的测量中，对传感器的外型、尺寸、重量没有特殊的要求，但在航空，宇航，生 物医学工程中就要求使用的传感器尺寸要尽量小、重量要尽量轻，如：生物医学工程中颅压 的测量、监测血管内血液的流速、血液的含氧量，风洞中压力场分布的测量等，传感器必须 向小型化方向发展，以便减小体积和重量。 压阻传感器的出现使压力传感器小型化得到重大进展，当前应用最普遍的是扩散硅压力 传感器，它可以在一个厚 15μm，直径为 1mm 的硅薄膜中扩散全桥电阻并有温度补偿功能， 提高了测量精度。 11）集成化 就是把传感器的敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制 作在同一芯片上，成为完成一定功能的整体。 集成化它分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。现已有集成磁敏、集 成力敏、集成温敏、集成光敏和集成场效应离子敏传感器等。集成化传感器由低级发展到高
级，把各种调节和补偿电路与传感器集成在一起，降低了对环境的要求，提高了信噪比和精度。目前集成化传感器主要使用硅材料，它既可以制作电路，又可制作磁敏、力敏、湿敏、光敏和离子敏器件。由很多个光电二极管组成的电荷耦合器件(CCD)是传感器集成化的一个代表。目前，为高清晰度电视用的新一代面型CCD就集成了大约上百万个光电器件。集成化的另一个特点是传感器和信号的处理系统安装在同一块芯片上，实现就地响应，就地修正，这一趋向，目前非常强劲。随着传感器阵列的集成度越来越高，同时，为了增大空间分辨率、减少体积，反过来对传感器的微型化提出了更高的要求。12）图像化目前，传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量，而开始研究从一维、二维间到三维空间的测量问题。将同一类传感器集成在同一芯片上构成线阵一维、二维和三维传感器。如：现在已研制成功的电荷耦合摄像器件（CCD）就是一种用大规模集成电路工艺制作的新型半导体光电元件，它可用来检测工件的直径、钢板的宽度（一维），检查钢材的表面质量，识别图形和文字（二维），测得对象在空间的几何图形（三维等）。13）固态化用半导体材料作敏感元件与集成电路做在同一基片上，使敏感元件变成电路钓一个组成部分。还可以将电子补偿电路、计算电路、温度补偿电路做在一个基片上，这种原理适用于压阻、压电；压磁、光敏、热敏等元件，但不适合于所有传感器。固态化可以使传感器具有结构紧凑，灵敏度高、性能稳定、反应快、体积小和工作可靠等优点。14）多功能化。指一器多能，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。如：半导体温、湿敏传感器，多功能气体传感器等。义如利用CCD器件的把一维或二维光学图像转换成时序电信号的传感器，因为阵列化的光电探测器的光电转换功能与扫描功能综合在一起，也可算成多功能化传感器。15）数字化。随着数字技术和计算机技术的发展，数字信号的许多优点也更为明显：测量准确度不受模拟信号分辨率的限制，可以提高信号在传输过程中的抗于扰能力，提高测量精确度和分辨率，信号易于存储和重现，有高的稳定性，便于与计算机接口相连接以扩大测量系统的功能和提高数据处理的能力等。因此，传感器输出量的直接数字化越来越引起人们的重视。目前数字化传感器仅有感应同步器，光栅，码盘、谐振型传感器等少量几种.16）智能化。将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构就是智能传感器。它是一种兼有信息采集、转换、信息的记忆、辨别，存储，处理功能的传感器，它通常将信号检测、驱动回路和信息处理回路等外围电路全部集成在一块芯片上，使它具有自诊断、自校准、自适应、自动调零、信息处理、量程变换、误差修正、反馈控制、远距离通讯等有关“智能”功能。智能传感器可以分为三种类型，即具有判断能力的传感器、具有学习能力的传感器和具有创造能力的传感器。至于传感器的加工技术微精细化、指标高精度化、性能高稳定及高可靠化、低成本化、非接触化等也是传感器技术发展的关注方向
级，把各种调节和补偿电路与传感器集成在一起，降低了对环境的要求，提高了信噪比和精 度。目前集成化传感器主要使用硅材料，它既可以制作电路，又可制作磁敏、力敏、湿敏、 光敏和离子敏器件。由很多个光电二极管组成的电荷耦合器件(CCD)是传感器集成化的一个 代表。目前，为高清晰度电视用的新一代面型 CCD 就集成了大约上百万个光电器件。 集成化的另一个特点是传感器和信号的处理系统安装在同一块芯片上，实现就地响应， 就地修正，这一趋向，目前非常强劲。 随着传感器阵列的集成度越来越高，同时，为了增大空间分辨率、减少体积，反过来对 传感器的微型化提出了更高的要求。 12）图像化 目前，传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量，而开始研究从一维、二维间到三 维空间的测量问题。 将同一类传感器集成在同一芯片上构成线阵一维、二维和三维传感器。如：现在已研制 成功的电荷耦合摄像器件（CCD）就是一种用大规模集成电路工艺制作的新型半导体光电 元件，它可用来检测工件的直径、钢板的宽度（一维），检查钢材的表面质量，识别图形和 文字（二维），测得对象在空间的几何图形（三维等）。 13）固态化 用半导体材料作敏感元件与集成电路做在同一基片上，使敏感元件变成电路钓一个组成 部分。还可以将电子补偿电路、计算电路、温度补偿电路做在一个基片上，这种原理适用于 压阻、压电；压磁、光敏、热敏等元件，但不适合于所有传感器。固态化可以使传感器具有 结构紧凑，灵敏度高、性能稳定、反应快、体积小和工作可靠等优点。 14）多功能化。 指一器多能，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。如：半导体温、湿敏传感 器，多功能气体传感器等。又如利用 CCD 器件的把一维或二维光学图像转换成时序电信号 的传感器，因为阵列化的光电探测器的光电转换功能与扫描功能综合在一起，也可算成多功 能化传感器。 15）数字化。 随着数字技术和计算机技术的发展，数字信号的许多优点也更为明显：测量准确度不受 模拟信号分辨率的限制，可以提高信号在传输过程中的抗干扰能力，提高测量精确度和分辨 率，信号易于存储和重现，有高的稳定性，便于与计算机接口相连接以扩大测量系统的功能 和提高数据处理的能力等。 因此，传感器输出量的直接数字化越来越引起人们的重视。目前数字化传感器仅有感应 同步器，光栅，码盘、谐振型传感器等少量几种． 16）智能化。 将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构就是智能传感器。它是一种兼 有信息采集、转换、信息的记忆、辨别，存储，处理功能的传感器，它通常将信号检测、驱 动回路和信息处理回路等外围电路全部集成在一块芯片上，使它具有自诊断、自校准、自适 应、自动调零、信息处理、量程变换、误差修正、反馈控制、远距离通讯等有关“智能”功 能。 智能传感器可以分为三种类型，即具有判断能力的传感器、具有学习能力的传感器和具 有创造能力的传感器。 至于传感器的加工技术微精细化、指标高精度化、性能高稳定及高可靠化、低成本化、 非接触化等也是传感器技术发展的关注方向