我国仪器仪表行业与国际先进水平的差距-传感器_了解

我国仪器仪表行业与国际先进水平的差距t可靠性、稳定性。 t功能、精度。 t更新周期。 t针对用户方案，软件水平。 *开发新型传感器，大致应包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等诸方面。它们之间是互相联系的。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。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般来说，它的结构复杂，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，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。其中利用量子力学诸效应研制的地灵敏阈传感器，用来检测微弱信号，是发展新动向之一。例如，利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将灵敏阈提高到地磁强度的10-7；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测10-6K的超低温；利用光子滞后效应，做出了响应速度极快的红外传感器等。此外，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，更是具有待开拓的新领域。大自然是生物传感器的优秀设计师和工艺师。它经过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身的人类，而且还构造了许多功能奇特、性能高超的生物感官。例如狗的嗅觉（灵敏阈为人的10-6）、鸟的视觉（视力为人的8~50倍），蝙蝠飞蛾海豚的听觉（主动性生物雷达----超声波传感器）等等。这些动物的感官功能，超过了当今传感器技术所能实现的范围。研究它们的机理，开发仿生传感器，也是引人注目的方向。开发新材料近年来对传感器材料的开发研究有较大进展，用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。 (1).半导体敏感材料在传感器技术中具有较大的技术优势，在今后相当长时间内仍占主导地位。半导体硅在力敏、热敏、光敏、磁敏、气敏、离子敏及其它敏感元件，具有广泛用途。硅材料可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅最简单，非晶硅最复杂。单晶硅内的院子处处规则排列，整个晶体内有一个固定晶向；多晶硅是由许多单晶颗粒构成，每一单晶颗粒内的原子处处规则排列，单晶颗粒之间以界面相分离，且各单晶颗粒晶向不同，故整个多晶硅并无固定的晶向。用这三种材料都可以制成压力传感器，这些传感器大致可以分为4种形式，即压阻式、电容式、MOS式和薄膜式。目前压力传感器仍以单晶硅为主，但有向多晶硅和非晶硅的薄膜方向发展的趋势。蓝宝石上外延生长单晶硅膜是单晶硅用于敏感元件的典型应用。由于绝缘衬底蓝宝石是良好的弹性材料，而在其上异质结外延生长的单晶硅是制作敏感元件的半导体材料，故用这种材料研制的传感器具有无需P-N结隔离、耐高温、高频响、寿命长、可靠性好等优点，可以制作磁敏、热敏、离子敏、力敏等敏感元件。多晶硅压力传感器的发展十分引人注目。这是由于这种传感器具有一系列优点，如温度特性好、制造容易、易小型化、成本低等。非晶硅应用于传感器，主要有应变传感器、压力传感器、热电传感器、光传感器（如摄像传感器和颜色传感器）等。非晶硅由于具有光吸收系数大，可用作薄膜光电器件，对整个可见光区域都敏感，薄膜形成温度低（200~300℃）等极为诱人的特性而获得迅速发展。新工艺的采用在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称为机械加工技术，是今年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体沉积（CVD）、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。以应变式传感器为例。应变片可分为体型应变片、金属箔式应变片、扩散性应变片和薄膜应变片，而薄膜应变片则是今后的发展趋势，这主要是由于近年来薄膜工艺发展迅速，除采用真空淀积、高频溅射外，还发展了磁控溅射、等离子体增强化学汽相淀积、金属有机化合物汽相淀积、分子束外延、光CVD技术，这些对传感器的发展起了很大推动作用。如目前常见的溅射型应变计，是采用溅射技术直接在应变体即产生应变的柱梁、振动片等弹性体上形成的。这种应变计厚度很薄，大约为传统的箔式应变计的1/10以下，故又称薄膜应变计。溅射型应变计的主要优点是：可靠性好，准确度高，容易做成高阻抗的小型应变计，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和抗冲击性等性能。用化学汽相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低（50~300℃）、可靠性好、系统简单等优点而发展很快，在制备多晶硅微晶硅传感器方面有许多报道。硅杯是力敏元件中非常重要的结构。目前已极少采用机械加工方法加工硅杯，而改为可控的化学腐蚀方法。化学腐蚀方法，可做到工艺稳定，硅杯尺寸很小，膜片均匀度很高，结构从C形、E形、双岛发展到梁膜式，性能和生产率都有很大提高。集成化、多功能化与智能化传感器集成化包括两种定义：一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图像传感器就属于这种情况；集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。目前，各类集成化传感器已有许多系列产品，有些已得到广泛应用。集成化已经成为传感器技术发展的一个重要方向。随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。集成化压力传感器有压阻式、电容式、MOSFET等类型。其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。自从压阻效应发现后，有人把四个力敏电阻构成的全桥做在硅膜上，就成为一个集成化压力传感器。国内在80年代就研制出了把压敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器，其性能与国外同类产品相当。由于采用了集成工艺，将压敏部分和集成电路分为几个芯片，然后混合集成为一体。提高了输出性能及可靠性，有较强的抗干扰能力，完全消除了二次仪表带来的误差。 70年代国外就出现了集成温度传感器，它基本上是利用晶体管作为温度敏感元件的集成电路。其性能稳定，使用方便，温度范围在-40~+150℃。国内在这方面也有不少进展，例如近年来研制集成热电堆红外传感器等。集成化温度传感器具有远距离测量和抗干扰能力强等优点，具有很大的实用价值。传感器的多功能化也是其发展方向之一。所谓多功能化的典型实例，美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度（角速度）和3个角加速度。主要元件是由4个正确安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。多功能化不仅可以降低成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。为同时测量几种不同的被测参数，可将不同的传感器元件复合在一起，做成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多参数的测量外。还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。由上还可以看出，集成化给固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。