理论教育 新型材料在传感器领域的应用与进步

新型材料在传感器领域的应用与进步

时间:2023-05-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:近年来,应用在传感器技术领域的新型材料主要有以下几方面。在多功能方面的进步最具代表性的是气体传感器。所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能结合在一起的传感器。当传感器技术产生较快的发展时,必将为智能配送技术带来新发展、新进步,带来新的动力与活力。

新型材料在传感器领域的应用与进步

(一)传感器技术的概念

国家标准《传感器通用术语》(GB 7665—2005)对传感器的定义是:“能感受到规定的被测量并依据一定的规律转换可用于输出信号的器件或装置。”

传感器的含义有广义和狭义之分,广义的传感器是指可以感知某一物理量、化学量、生物量……的信息,并能将它转变为有用的信息的装置。狭义的传感器是指能将各种非电量转化成电信号的部件。这是因为,在现代化技术中,电信号是最适合传输、转换、处理和定量运算的物理量,特别是在电子计算机作为处理信号的基本工具的时代,总是把各种被测量的物理量通过传感器最终转换成电信号进行处理。

传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械仿生学材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。传感器种类非常繁多,按用途大致可分为以下主要几类:磁敏传感器(电量传感器)、温度传感器(热敏传感器)、湿度传感器、气敏传感器、光敏传感器、压力传感器、深度传感器、力矩扭矩传感器、速度传感器、加速度传感器、位移传感器、流量传感器、物性量传感器。

(二)传感器技术的发展方向

随着科学技术的不断发展,特别是微加工技术(包括微电子和微机械加工技术)的快速发展,以及信息产业的飞速发展和环保生态产业的兴起,微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化、系统化、低功耗、无线、便携式已成为国内外新型传感器的特点。近年来,传感器技术发展的主要趋势表现在以下几个方面。

1.新材料、新功能的开发应用

传感器技术的重要基础是传感器材料,无论是哪一种传感器,都要选择恰当的材料来制作才能发挥出传感器的功能,而且要求所使用的材料具有优良的机械特性,不能存在材料上的缺陷。近年来,应用在传感器技术领域的新型材料主要有以下几方面。

(1)半导体硅材料,包括单晶硅多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等。由于硅材料的相互兼容性、优良的电学特性和机械特性,采用硅材料研制的硅微结构传感器还是非常多的。(www.daowen.com)

(2)石英晶体材料,包括压电石英晶体和熔凝石英晶体(又称石英玻璃),它具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性。同时,天然的石英晶体还具有良好的压电特性。因此,主要采用石英晶体材料来研制微小型化的高精密传感器。

2.传感器的多功能化发展

一般的传感器都是测量单个参数的传感器,但近年来也出现了利用一个传感器实现多参数测量的多功能传感器。如一种同时检测Na+、K+和H+离子的传感器,可用于检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度,这对诊断心血管疾患非常有意义,可以实现直接用导管送到心脏内的检测。

在多功能方面的进步最具代表性的是气体传感器。现在一种多功能气体传感器能够同时测量H2 S、C8 H18、C10 H20O、NH3四种气体,该传感器的敏感结构共有6个用不同敏感材料制成的部分,它们分别对这四种被测气体均有响应,但由于其相应的灵敏度差别很大,利用这种从不同敏感部分输出的差异,即可测出被测气体的浓度。

3.传感器的智能化发展

随着微处理器技术的进步,传感器技术正向智能化方向发展,这是信息技术发展的必然趋势。所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能结合在一起的传感器。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能,我们就可以方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等;同时也可以实现自诊断、自检测以及通信与控制等功能。图6-3展示的是任天堂著名的Wii游戏机传感器。

图6-3 Wii的传感器

智能配送系统中常用的传感器主要有:磁性传感器(检测车辆的偏移)、图像传感器、雷达检测器(车速、交通量等参数)、超声波传感器(存在和相对位置)和红外传感器。近年来传感器技术得到了较大的发展,同时也有力地推动着物流配送技术领域的发展与进步。当传感器技术产生较快的发展时,必将为智能配送技术带来新发展、新进步,带来新的动力与活力。

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