傳感器的發(fā)展歷程（最新的傳感器技術(shù)）
傳感器的發(fā)展歷程
1、從第一代到第二代
第一代傳感器結(jié)構(gòu)傳感器誕生于20世紀(jì)50年代，典型代表是電阻式傳感器，90%用于稱重，如體重計(jì)。其原理是中間的金屬材料在人站上去時(shí)發(fā)生形狀變化，引起電阻和電流變化，使指針或數(shù)字顯示體重。這個(gè)時(shí)期的傳感器比較粗糙，作用有限。
到了20世紀(jì)70年代，物理傳感器誕生。人們將金屬材料換成對(duì)光敏感的材料，如圖像傳感器的核心元件光敏傳感器。隨后，傳感器材料從金屬發(fā)展到半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等各種固體材料，結(jié)構(gòu)主要是敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。敏感元件感應(yīng)外界信息，轉(zhuǎn)換元件將感應(yīng)到的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。
第二代傳感器比第一代豐富得多，種類(lèi)多且功能越來(lái)越多。生活中常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)，從手動(dòng)發(fā)展到聲音感應(yīng)、感光、觸屏等不同類(lèi)型，軍事領(lǐng)域的雷達(dá)也有紅外線傳感器、毫米波雷達(dá)等不同種類(lèi)。這些傳感器做成了各種各樣的檢測(cè)設(shè)備，進(jìn)入人類(lèi)各個(gè)領(lǐng)域。此時(shí)產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為沒(méi)有傳感器檢測(cè)各種信息，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)就不能得到發(fā)展。
2、集成傳感器與智能傳感器
隨著各種設(shè)備的功能不斷增加，對(duì)傳感器的需求也越來(lái)越多，一個(gè)設(shè)備里面可能要求有多種功能，這就遇到了體積太小的設(shè)備安裝不了很多傳感器的問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，集成傳感器應(yīng)運(yùn)而生。
集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成的傳感器，亦稱硅傳感器或單片集成傳感器。模擬集成傳感器是在20世紀(jì)80年代問(wèn)世的，它將傳感器集成在一個(gè)芯片上，可完成測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能。其主要特點(diǎn)是功能單一、測(cè)量誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)量、控制，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。
智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器，帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有高精度、編程自動(dòng)化、功能多樣化等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)良好的智能傳感器是由微處理器驅(qū)動(dòng)的傳感器與儀表套裝，并且具有通信與板載診斷等功能。智能傳感器能將檢測(cè)到的各種物理量?jī)?chǔ)存起來(lái)，并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)，還能進(jìn)行信息交流，自我決定應(yīng)該傳送的數(shù)據(jù)，舍棄異常數(shù)據(jù)，完成分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。
最新的傳感器技術(shù)
1、NEMS技術(shù)
NEMS（納米機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)作為在MEMS技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展，正逐漸展現(xiàn)出其巨大的潛力。NEMS技術(shù)將傳感器的維度從微米推進(jìn)到了納米級(jí)別，雖然目前面臨著諸多挑戰(zhàn)，但在未來(lái)有望提高傳感器的性能，減少測(cè)量和能源消耗，同時(shí)提高靈敏度和拓展更廣泛的應(yīng)用范圍。
2019年，瑞典斯德哥爾摩KTH皇家理工學(xué)院的研究人員利用高導(dǎo)電性納米材料石墨烯，研制出了迄今最小的NEMS加速度傳感器，比傳統(tǒng)的最先進(jìn)的MEMS硅加速度計(jì)至少小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這一突破為人體傳感器和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇，有望用于研制心血管疾病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、超靈敏的可穿戴設(shè)備和便攜式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)等。
與傳統(tǒng)傳感器相比，納米材料具有更高的表面積或體積比，通過(guò)NEMS技術(shù)制造的諧振結(jié)構(gòu)，可以高靈敏度地捕獲最多樣化的電量，從而改進(jìn)了光學(xué)、機(jī)械、電氣、結(jié)構(gòu)和磁性能信號(hào)。大量應(yīng)用將從這些技術(shù)中受益，例如檢測(cè)氣體中的化學(xué)成分，有助于提高化學(xué)過(guò)程中使用的產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)；改進(jìn)基本物理參數(shù)的檢測(cè)，如溫度、流量和壓力；用于植物生物學(xué)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)和其他領(lǐng)域的環(huán)境。此外，NEMS傳感器可能極大提高人的平均壽命，因?yàn)镹EMS納米傳感器可以集成到細(xì)胞中，提供細(xì)胞內(nèi)測(cè)量，局部檢測(cè)活細(xì)胞的狀態(tài)以及與腫瘤或腫瘤相關(guān)的其他細(xì)胞，為癌癥等疾病的治愈帶來(lái)希望。
2、柔性傳感器技術(shù)
柔性傳感器具有良好的柔韌性、延展性，可自由彎曲甚至折疊，結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測(cè)量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對(duì)復(fù)雜被測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)。
隨著元宇宙和具身智能的發(fā)展，柔性傳感器熱度被引爆。在元宇宙中，F(xiàn)acebook改名Meta后宣布全力進(jìn)軍，并基于柔性傳感器研制“電子皮膚”，以重現(xiàn)人的觸覺(jué)感受。在具身智能中，機(jī)器人的五官感知來(lái)自于各種傳感器，其中最重要的互動(dòng)——擁抱、握手、觸覺(jué)等反饋，就需要用到柔性傳感器。
目前應(yīng)用較多的柔性傳感器主要有柔性圖像感應(yīng)陣列、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性壓力傳感器、柔性溫度傳感器等。作為新一代電子技術(shù)，柔性傳感器技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?，受到了美日韓等多個(gè)國(guó)家的高度關(guān)注，全球柔性電子研發(fā)熱情較高，其中美國(guó)、中國(guó)大陸、日本關(guān)于柔性電子的專(zhuān)利數(shù)量位居全球前列。
3、其他關(guān)鍵傳感器技術(shù)
光電傳感器技術(shù)：光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，將被測(cè)量的物理量變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后由光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)高集成化、低功耗、微型化、智能化和高靈敏性的特征。目前我國(guó)光電傳感器市場(chǎng)規(guī)模約為94.7億元，預(yù)計(jì)未來(lái)5年，我國(guó)光電傳感器市場(chǎng)將保持28.0%左右的增速增長(zhǎng)，到2024年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到325億元左右。
MEMS技術(shù)：MEMS（Micro-ElectroMechanicalSystem）技術(shù)是指可批量制作的，將微型機(jī)構(gòu)、微型傳感單元、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、數(shù)據(jù)接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS技術(shù)在傳感器的大規(guī)模應(yīng)用，讓傳感器的小型化、低功耗、智能化成為可能，從而推動(dòng)了傳感器在物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
感知算法技術(shù)：感知算法技術(shù)在傳感器技術(shù)中也起著重要作用。通過(guò)先進(jìn)的感知算法，可以提高傳感器的數(shù)據(jù)處理能力和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)更智能的傳感器應(yīng)用。例如，在智能傳感器中，感知算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和處理，提高傳感器的自適應(yīng)性和可靠性。
這些關(guān)鍵傳感器技術(shù)相互融合、相互促進(jìn)，共同推動(dòng)著傳感器技術(shù)不斷向前發(fā)展，為各個(gè)領(lǐng)域的智能化和自動(dòng)化提供了強(qiáng)有力的支持。
