目前我國處于工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構升級的重要發(fā)展階段,未來(lái)工業(yè)制造業(yè)將逐漸向高端發(fā)展,這使得傳感器等自動(dòng)化相關(guān)產(chǎn)品迎來(lái)良好的發(fā)展機會(huì )。傳感技術(shù)早已走進(jìn)人類(lèi)社會(huì )的方方面面,不僅是工業(yè)生產(chǎn),連日常生活也離不開(kāi)傳感技術(shù)。
工業(yè)電子領(lǐng)域,在生產(chǎn)、搬運、檢測、維護等方面均涉及智能傳感器,如機械臂、AGV導航車(chē)、AOI檢測等裝備。在消費電子和醫療電子產(chǎn)品領(lǐng)域,智能傳感器的應用更具多樣化。如智能手機中比較常見(jiàn)的智能傳感器有距離傳感器、光線(xiàn)傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤(pán)等??纱┐髟O備最基本的功能就是通過(guò)傳感器實(shí)現運動(dòng)傳感器,通常內置MEMS加速度計、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)等多種傳感器。智能家居(如掃地機器人、洗衣機等)涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環(huán)境監測、安防感應等傳感器等技術(shù)。
傳感材料、MEMS 芯片、驅動(dòng)程序和應用軟件是智能傳感器實(shí)現這些功能的核心技術(shù),特別是 MEMS 芯片,由于其具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高并能與微處理器集成等特點(diǎn),已成為智能傳感器的重要載體。
MEMS全稱(chēng)Micro Electromechanical System,即微機電系統,是將微電子與精密機械結合發(fā)展的工程技術(shù),尺寸在1微米到100微米量級,核心功能是將物理信號轉換為電子設備能夠識別的電信號,主要用于傳感器。這需要MEMS器件具有通道、孔、懸臂、膜、腔等一系列結構以測量環(huán)境變量,涵蓋機械(移動(dòng)和旋轉)、光學(xué)、電子(開(kāi)關(guān)和計算)、熱學(xué)、生物等功能結構,涉及眾多交叉學(xué)科。
一個(gè)真正意義上的智能傳感器應該具有如下功能:
1)自校準、自動(dòng)標定和自動(dòng)補償功能;
2)自動(dòng)采集數據、邏輯判斷和數據處理功能;
3)自動(dòng)調整、自適應功能;
4)一定程度的存儲、識別和信息處理功能;
5)雙向通信、標準數字化輸出或者符號輸出功能;
6)算法判斷、決策處理的功能。
下面以光學(xué)傳感器為例,介紹基于MEMS的智能傳感器技術(shù)進(jìn)展。
光學(xué)傳感器具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測參數多、傳感器的結構簡(jiǎn)單,因此光學(xué)傳感器的應用領(lǐng)域非常廣泛,如LED照明、安防、智能家居、智能交通、智能農業(yè)、玩具、可穿戴設備等數碼電子產(chǎn)品等。非接觸和非破壞性測量是光學(xué)傳感器的一大優(yōu)勢,在電子產(chǎn)品檢測領(lǐng)域應用較多。
從技術(shù)和產(chǎn)品趨勢看,MEMS傳感器正在向四化——智能化、集成化、低功耗化、微型化演進(jìn)。
加入信號處理功能,實(shí)現智能化?,F代傳感器作為電子產(chǎn)品的感知中樞,通過(guò)加入微控制單元和相應信號處理算法,還可以承擔自動(dòng)調零、校準和標定等功能,實(shí)現終端設備的智能化。
傳感器呈現多項功能高度集成化和組合化。由于設計空間、成本和功耗預算日益緊縮,在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個(gè)參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
傳感器低功耗化需求日趨增加。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)等應用對傳感需求的快速增長(cháng),傳感器使用數量急劇增加,能耗也將隨之翻倍。降低MEMS功耗,增強續航能力的需求將會(huì )伴隨傳感器發(fā)展的始終,且日趨強烈。
微型化不可逆,MEMS向NEMS演進(jìn)。與MEMS類(lèi)似,NEMS(納機電系統)是專(zhuān)注納米尺度領(lǐng)域的微納系統技術(shù),只不過(guò)尺寸更小。而隨著(zhù)終端設備小型化、種類(lèi)多樣化,MEMS向更小尺寸演進(jìn)是大勢所趨。
隨著(zhù)新材料,新技術(shù)的廣泛應用,基于各種功能材料的新型傳感器件得到快速發(fā)展,其對制造的影響愈加顯著(zhù)。未來(lái),智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高靈敏度、高可靠性將是新型傳感器件的發(fā)展趨勢,新型傳感材料與器件將是未來(lái)智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要方向。




