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传感器的发展趋势
发布时间:2017-01-06   点击次数:1969次

早在20年前,逻辑元件、记忆元件与感测元件就已经并列是电子系统的三大元件。只不过,在20年后的今天,当逻辑、记忆元件已经 随著云端概念普及,逐渐不被重视的同时,传感器元件却以黑马之姿,打出一片属于自己的天下。
传感器元件直接与人们的生活密切结合,想了解未来世界将是何种风貌,从
传感器下手是个不错的开始。传感器元件怎么变,未来世界就会怎么变。根据现有市场的变化与需求,可以归纳出传感器发展的三大方向。

 

人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。
新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或*状态,并使产品达到的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到fm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到 s的瞬间反应。此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、*磁场、超弱磁场等等。显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。

由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。


1.系统多轴化
传感器系统朝向多轴化发展,是征服传感器应用市场的**。事实上,传感器系统的多轴化脚步,一直没有停止过。从早一代的单轴传感器,演进到目前常见的3轴、6轴、9轴、10轴、11轴,甚至的12轴感测系统,多轴化已经是不可逆的道路。

而传感器所谓的多轴,到底有哪里几轴?哪里些轴又是必要的,哪里些只是次要的?一般来说,从三轴加速度传感器、三轴陀螺仪到三轴电子罗盘,此9轴已经几乎成为智能手机的标准配备,透过这三种传感器已经几乎可以完成绝大多数的应用,可堪称是传感器系统中的三大主轴。

除了这三种传感器之外,包括高度传感器、压力传感器、温度传感器与光感传感器等,都陆续被加入传感器系统,成为多轴化的成员之一。目前市场上的多轴系统,便是Freescale所主推的12轴传感器平台。既然多轴化已是既定趋势,未来肯定会有更多厂商持续研发更多轴的传感器平台,来符合市场应用需求。

只不过,传感器的多轴化,会不会一直不断延伸下去,*、也没完没了?传感器的扩增,当然有其数量的限制,毕竟主要的传感器如加速度传感器、陀螺仪、电子罗盘等三者就几乎可以满足多数的应用环境,目前厂商持续增加的,都是诸如压力传感器、温度传感器等这类单轴传感器元件,这些元件可以越加越多,未来消费者随身携带的手机,就会是一个完整的传感器系统。


2.高度整合化
随著行动装置内建的传感器数目日益增加,成功整合传感器也更加重要。既然传感器系统多轴化已经是个重要趋势,随之而来的整合工作,就是另一件重要的大事。毕竟没有设计工程师希望看到,所采用的多颗传感器散落在电路版上的每个角落,不仅增加设计的困难度,对于系统的轻薄化也毫无任何帮助。

目前传感器大厂所主推的方案,除了单颗传感器之外,zui常见的就是模块化的传感器系统。透过模块化的方式,将多轴传感器整合在一起,多半还会加上自家的处理器或MCU等,整套感测系统一起出货给手机、平板计算机的OEM或ODM,毕其功于一役。

当然,一体化的模块固然可为设计省下不少麻烦事,然而以目前行动装置轻薄化的趋势来看,以模块方式来出货仍然稍嫌笨重了些。看起来进一步透过系统级封装,来打造单一颗完整的传感器系统芯片,将是满足传感器系统高度整合的必要手段。


3.技术自有化
传感器系统多轴化之后,这代表在同一系统中必须拥有多种不同的传感器元件。然而传感器元件范围包山包海,从常见的加速度传感器、陀螺仪和地磁罗盘,到压力传感器、温度传感器、光感传感器,甚至能感测声音、味觉、嗅觉等传感器,以目前来看,多数厂商至多拥有部分技术,但要广泛全面包办所有传感器品,这样的厂商目前仍少之又少。

 

称重
称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置,是电子衡器的一个关键部件。
能够实现力→电转换的传感器有多种,常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平,电容式用于部分电子吊秤,而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单,准确度高,适用面广,且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

电阻应变式
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类,金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十倍)、横向效应小等优点。

压阻式
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件,扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片,硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视,尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用zui为普遍。

热电阻
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用zui多的是铂和铜,此外,已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合,这种传感器比较适用。较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等,它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。

 

不是所有厂商都能一手包办所有传感器元件,目前多以自有技术与向外采购来拼凑。也因此,在多轴传感器系统上,zui常看见的情况就是『拼装车』,也就是有几个传感器元件是自家的,有几个传感器元件是跟A公司买的,几个是跟B公司买的,然后『拼装』在同一个感测模块上,打造成一个系统。
在半导体产业,芯片厂喜欢强调其产品从上中下游一手包办,就是因为质量能够自行掌握,不会有外来因素影响。也因此,当自家出品的传感器系统中,加入了他厂的传感器,多少总是会令人心理毛毛的,担心会不会哪里天产品出了问题。

传感器技术自有化,将是所有传感器大厂致力追求的目标。不论是自行开发或者透过并购获得技术,在传感器技术自有化之后,传感器大厂将更容易打造质量一致的多轴传感器平台。重点是,技术自有,对于系统的整合,更将如顺水推舟般地容易。

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