摘 要： 在當前信息時代，對于傳感器的需求量日益增多，同時，其性能要求也越來越高。隨著計算機輔助設計技術（CAD）、微機電系統（MEMS）技術、光纖技術、信息理論以及數據分析算法不斷邁上新的臺階，傳感器系統正朝著微型化、智能化和多功能化的方向發展。本文重點論述這三類傳感器的技術現狀、功能及發展前景，并穿插介紹了它們在信號探測中的某些成功的應用實例。 關鍵詞：微型傳感器、智能化傳感器、多功能傳感器、信號探測、綜述 一、引言 在當今社會，幾乎沒有任何一種科學技術的發展和應用能夠離得開傳感器和信號探測技術的支持。生活在信息時代的人們，絕大部分的日常生活與信息資源的開發、采集、傳送和處理息息相關。作用原理不同，功能各異的形形色色探測器作為信息感知、捕獲和探測的窗口，在信號探測與信息處理系統中起著極為重要的作用。與此同時，在當前信息量激增和新的信息類型不斷涌現的情況下，用于信號探測的傳感器正面臨許多新的問題和新的需求。在這種形勢下，象光纖傳感器、CCD傳感器、紅外傳感器、生物傳感器、遙控傳感器、微波傳感器、超導體傳感器以及液晶傳感器等許多新型傳感器便應運而生，而這些新型傳感器的出現反過來又極大地推動著信息技術的更快速發展。 分析當前信息與技術發展狀態作者認為，21世紀的先進傳感器必須具備小型化、智能化和多功能化等優良特征。本文以這一指導思想為主線，系統論述了微型傳感器、智能化傳感器以及多功能傳感器的技術現狀、功能及發展前景，并穿插介紹了這三類傳感器在信號探測中的一些成功的應用實例。 二、微型傳感器（Micro Sensor） 為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發展趨勢保持一致，對于傳感器性能指標（包括精確性、可靠性、靈敏性等）的要求越來越嚴格；與此同時，傳感器系統的操作友好性亦被提上了議事日程，因此還要求傳感器必須配有標準的輸出模式；而傳統的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代；后者主要由硅材料構成，具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優點。 1、由計算機輔助設計（CAD）技術和微機電系統（MEMS）技術引發的傳感器微型化 目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統的結構化生產設計向基于計算機輔助設計（CAD）的模擬式工程化設計轉變，從而使設計者們能夠在較短的時間內設計出低成本、高性能的新型系統，這種設計手段的巨大轉變在很大程度上推動著傳感器系統以更快的速度向著能夠滿足科技發展需求的微型化的方向發展。 對于微機電系統（MEMS）的研究工作始于20世紀60年代，其研究范疇涉及材料科學、機械控制、加工與封裝工藝、電子技術以及傳感器和執行器等多種學科，是一個極具前景的新興研究領域。MEMS的核心技術是研究微電子與微機械加工與封裝技術的巧妙結合，期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強大的新型系統。經過幾十年的發展，尤其最近十多年的研究與發展，MEMS技術已經顯示出了巨大的生命力，此項技術的有效采用將信息系統的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一個新的高度。在當前技術水平下，微切削加工技術已經可以生產出來具有不同層次的3D微型結構，從而可以生產出體積非常微小的微型傳感器敏感元件，象毒氣傳感器、離子傳感器、光電探測器這樣的以硅為主要構成材料的傳感/探測器都裝有極好的敏感元件[1]，[2]。目前，這一類元器件已作為微型傳感器的主要敏感元件被廣泛應用于不同的研究領域中。 2、由敏感光纖技術引發的傳感器微型化 當前，敏感光纖技術日益成為微型傳感器技術的另一新的發展方向。預計，隨著插入技術的日趨成熟，敏感光纖技術的發展還會進一步加快。光纖傳感器的工作原理是將光作為信號載體，并通過光纖來傳送信號。由于光纖具有良好的傳光性能，對光的損耗極低，加之光纖傳輸光信號的頻帶非常寬，且光纖本身就是一種敏感元件，所以光纖傳感器所具有的許多優良特征為其它所有傳統的傳感器所不及。 概括來講，光纖傳感器的優良特征主要包括重量輕、體積小、敏感性高、動態測量范圍大、傳輸頻帶寬、易于轉向作業以及它的波形特征能夠與客觀情況相適應等諸多優點，因此能夠較好地實現實時操作、聯機檢測和自動控制。譬如，一個初級位移光纖傳感系統包括光放射體（光源、光纖頭及光接收器）和光電轉換元件。其工作原理為：光放射體發出的光經由輸入光纖被傳送到反射鏡上—輸出光纖接收到光信號—光電轉換元件將光信號轉換成電子信號；鑒于這樣的工作原理，我們完全可以根據所接收到的光的密度推斷出來可測得的位移量。如果能夠將這樣的初級探測系統的結構做一些改進并消除其死區的話，其分辨率往往可以高達0.01mm以上。在柔性機械制造系統中，光纖位移探測器聯機探測系統的光纖孔徑中共包括有4組光纖維，其中的兩組用于地址分配，另外兩組執行測量任務。 光纖還可以應用于3D表面的無觸點測量。近年來，隨著半導體激光LD、CCD、CMOS圖形傳感器、方位探測裝置PSD等新一代探測設備的問世，光纖無觸點測量技術得到了空前迅速的發展。 在無觸點測量技術中，主要有光纖法和聚焦點偏移（out-focus）法。其中，光纖法的主要特征是它可以借助于所測變量來調節波導管的光波，并用擬定光波參數的辦法來為測量信號增值。在聚焦點偏移法中，偏移量被轉換成物鏡平面相對于測量平面的偏差；然后，此偏差再被轉換成物鏡反射光斑的亮度變差或光敏探測值；最后再轉換成電子量輸出值。這種方法的分辨率極高，且其相關探測器的體積可以被制造得相當小。在采用全息光學元件的情況下，聚焦點偏移法的慣用結構一般可以從T結構到Y結構不等，這樣就有可能在一個半導體芯片上設計出極輕型的發射體和接收器[3]。 3、微型傳感器應用現狀 就當前技術發展現狀來看，微型傳感器已經對大量不同應用領域，如航空、遠距離探測、醫療及工業自動化等領域的信號探測系統產生了深遠影響；目前開發并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量，如位移、速度/加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。 三、智能化傳感器（Smart Sensor） 智能化傳感器（Smart Sensor）是20世紀80年代末出現的另外一種涉及多種學科的新型傳感器系統。此類傳感器系統一經問世即刻受到科研界的普遍重視，尤其在探測器應用領域，如分布式實時探測、網絡探測和多信號探測方面一直頗受歡迎，產生的影響較大。 1、智能化傳感器的特點 智能化傳感器是指那些裝有微處理器的，不但能夠執行信息處理和信息存儲，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷的傳感器系統。這一類傳感器就相當于是微型機與傳感器的綜合體一樣，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機的硬件設備。如智能化壓力傳感器，主傳感器為壓力傳感器，用來探測壓力參數，輔助傳感器通常為溫度傳感器和環境壓力傳感器。采用這種技術時可以方便地調節和校正由于溫度的變化而導致的測量誤差，而環境壓力傳感器測量工作環境的壓力變化并對測定結果進行校正；而硬件系統除了能夠對傳感器的弱輸出信號進行放大、處理和存儲外，還執行與計算機之間的通信聯絡[3]。 通常情況下，一個通用的檢測儀器只能用來探測一種物理量，其信號調節是由那些與主探測部件相連接著的模擬電路來完成的；但智能化傳感器卻能夠實現所有的功能，而且其精度更高、價格更便宜、處理質量也更好。與傳統的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優點： （1）智能化傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調節，能夠對所測的數值及其誤差進行補償，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷，能夠借助于一覽表對非線性信號進行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數字信號。此外，還能夠利用軟件實現非線性補償或其它更復雜的環境補償，以改進測量精度。 （2）智能化傳感器具有自診斷和自校準功能，可以用來檢測工作環境。當工作環境臨近其極限條件時，它將發出告警信號，并根據其分析器的輸入信號給出相關的診斷信息。當智能化傳感器由于某些內部故障而不能正常工作時，它能夠借助其內部檢測鏈路找出異?，F象或出了故障的部件。 （3）智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數混合測量，從而進一步拓寬了其探測與應用領域，而微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對多種信號進行實時處理。此外，其靈活的配置功能既能夠使相同類型的傳感器實現最佳的工作性能，也能夠使它們適合于各不相同的工作環境。 （4）智能化傳感器既能夠很方便地實時處理所探測到的大量數據，也可以根據需要將它們存儲起來。存儲大量信息的目的主要是以備事后查詢，這一類信息包括設備的歷史信息以及有關探測分析結果的索引等； （5）智能化傳感器備有一個數字式通信接口，通過此接口可以直接與其所屬計算機進行通信聯絡和交換信息。此外，智能化傳感器的信息管理程序也非常簡單方便，譬如，可以對探測系統進行遠距離控制或者在鎖定方式下工作，也可以將所測的數據發送給遠程用戶等。 2、智能化傳感器的發展與應用現狀 目前，智能化傳感器技術正處于蓬勃發展時期，具有代表意義的典型產品是美國霍尼韋爾公司的ST-3000系列智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器，以及另外一些含有微處理器（MCU）的單片集成壓力傳感器、具有多維檢測能力的智能傳感器和固體圖像傳感器（SSIS）等。與此同時，基于模糊理論的新型智能傳感器和神經網絡技術在智能化傳感器系統的研究和發展中的重要作用也日益受到了相關研究人員的極大重視。 需要特別指出的一點是：目前的智能化傳感器系統本身盡管全都是數字式的，但其通信協議卻仍需借助于4～20 mA的標準模擬信號來實現。一些國際性標準化研究機構目前正在積極研究推出相關的通用現場總線數字信號傳輸標準；不過，在眼下過渡階段仍大多采用遠距離總線尋址傳感器（HART）協議，即Highway Addressable Remote Transducer。這是一種適用于智能化傳感器的通信協議，與目前使用4～20mA模擬信號的系統完全兼容，模擬信號和數字信號可以同時進行通信，從而使不同生產廠家的產品具有通用性。 目前，智能化傳感器多用于壓力、力、振動沖擊加速度、流量、溫濕度的測量，如美國霍尼韋爾公司的ST3000系列全智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器就屬于這一類傳感器。另外，智能化傳感器在空間技術研究領域亦有比較成功的應用實例。 在今后的發展中，智能化傳感器無疑將會進一步擴展到化學、電磁、光學和核物理等研究領域?？梢灶A見，新興的智能化傳感器將會在關系到全人類國民生的各個領域發揮越來越大作用。 四、多功能傳感器（Multifunction Sensor） 如前所述，通常情況下一個傳感器只能用來探測一種物理量，但在許多應用領域中，為了能夠完美而準確地反映客觀事物和環境，往往需要同時測量大量的物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼備的新一代探測系統，它可以借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式，用單獨一個傳感器系統來同時實現多種傳感器的功能。隨著傳感器技術和微機技術的飛速發展，目前已經可以生產出來將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器。 1、多功能傳感器的執行規則和結構模式 概括來講，多功能傳感器系統主要的執行規則和結構模式包括： （1）多功能傳感器系統由若干種各不相同的敏感元件組成，可以用來同時測量多種參數。譬如，可以將一個溫度探測器和一個濕度探測器配置在一起（即將熱敏元件和濕敏元件分別配置在同一個傳感器承載體上）制造成一種新的傳感器，這樣，這種新的傳感器就能夠同時測量溫度和濕度。 （2）將若干種不同的敏感元件精巧地制作在單獨的一塊硅片中，從而構成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。由于這些敏感元件是被綜裝在同一塊硅片中的，它們無論何時都工作在同一種條件下，所以很容易對系統誤差進行補償和校正。 （3）借助于同一個傳感器的不同效應可以獲得不同的信息。以線圈為例，它所表現出來的電容和電感是各不相同的。 （4）在不同的激勵條件下，同一個敏感元件將表現出來不同的特征。而在電壓、電流或溫度等激勵條件均不相同的情況下，由若干種敏感元件組成的一個多功能傳感器的特征可想而知將會是多么的千差萬別！有時候簡直就相當于是若干個不同的傳感器一樣，其多功能特征可謂名副其實。 2、多功能傳感器的研制與應用現狀 多功能傳感器無疑是當前傳感器技術發展中一個全新的研究方向，日前有許多學者正在積極從事于該領域的研究工作。如將某些類型的傳感器進行適當組合而使之成為新的傳感器，如用來測量流體壓力和互異壓力的組合傳感器。又如，為了能夠以較高的靈敏度和較小的粒度同時探測多種信號，微型數字式三端口傳感器可以同時采用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件；這種組配方式的傳感器不但能夠輸出模擬信號，而且還能夠輸出頻率信號和數字信號[7]。 從目前的發展現狀來看，最熱門的研究領域也許是各種類型的仿生傳感器了，而且在感觸、刺激以及視聽辨別等方面已有最新研究成果問世。從實用的角度考慮，多功能傳感器中應用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器，譬如人造皮膚觸覺傳感器就是其中之一，這種傳感器系統由PVDF材料、無觸點皮膚敏感系統以及具有壓力敏感傳導功能的橡膠觸覺傳感器等組成。據悉，美國MERRITT公司研制開發的無觸點皮膚敏感系統獲得了較大的成功，其無觸點超聲波傳感器、紅外輻射引導傳感器、薄膜式電容傳感器、以及溫度、氣體傳感器等在美國本土應用甚廣。 與其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅覺方面的研究還似乎遠遠不盡人意。由于嗅覺元件接收到的判別信號是非常復雜的，其中總是混合著成千上萬種化學物質，這就使得嗅覺系統處理起這些信號來異常錯綜復雜。 人工嗅覺傳感系統的典型產品是功能各異的Electronic nose（電子鼻），近10多年來，該技術的發展很快，目前已有數種商品化的產品在國際市場流通，美、法、德、英等國家均有比較先進的電子鼻產品問世[8]。 “電子鼻”系統通常由一個交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關的數據處理技術組成，并配以恰當的模式識別系統，具有識別簡單和復雜氣味的能力，主要用來解決一般情況下的氣味探測問題。根據應用對象的不同，“電子鼻”系統傳感器陣列中傳感器的構成材料及配置數量亦有所不同，其中，構成材料包括金屬氧化物半導體、導電聚合物、石英晶振等，配置數量則從幾個到數十個不等?？傊半娮颖恰毕到y是氣體傳感器技術和信息處理技術進行有效結合的高科技產物，其氣體傳感器的體積很小，功耗也很低，能夠方便地捕獲并處理氣味信號。氣流經過氣體傳感器陣列進入到“電子鼻”系統的信號預處理元件中，最后由陣列響應模式來確定其所測氣體的特征。陣列響應模式采用關聯法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法對所測氣體進行定性和定量鑒別。美國Cyranosciences公司生產的Cyranose 320電子鼻是目前技術較為先進、適用范圍也比較廣的嗅覺傳感系統之一，該系統主要由傳感器陣列和數據分析算法兩部分組成，其基本技術是將若干個獨特的薄膜式碳-黑聚合物復合材料化學電阻器配置成一個傳感器陣列，然后采用標準的數據分析技術，通過分析由此傳感器陣列所收集到的輸出值的辦法來識別未知分析物。據稱，Cyranose 320電子鼻的適用范圍包括食品與飲料的生產與保鮮、環境保護、化學品分析與鑒定、疾病診斷與醫藥分析以及工業生產過程控制與消費品的監控與管理等[9]。 五、結論 綜上所述，當前技術水平下的傳感器系統正向著微小型化、智能化和多功能化的方向發展。今后，隨著CAD技術、MEMS技術、信息理論及數據分析算法的繼續向前發展，未來的傳感器系統必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統化。在各種新興科學技術呈輻射狀廣泛滲透的當今社會，作為現代科學“耳目”的傳感器系統，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎，必將進一步得到社會各界的普遍關注。 參考文獻： [1]LIU Quan，Huang Xiaochun．The new type sensors and their application in signal detection[A]．ICSC 2000[C]．USA: Proceedings of SPIE．2000，4077：69-72. 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