气敏元件和传感器技术的发展现状
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气敏传感器及其工作原理指导老师:雷家珩汇报者:周华汇报时间:2011.11.2目录•气敏传感器定义•气敏传感器分类•气敏传感器工作原理•气敏传感器的应用•气敏传感器研究现状与发展趋势•参考文献1 气敏传感器定义气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
2 气敏传感器分类半导体式气敏传感器气敏传感器绝缘体气敏传感器电化学气敏传感器光干涉式气敏传感器热传导式气敏传感器红外线吸收散式气敏传感器电阻型非电阻型接触燃烧式型电容式恒电位电解式伽伐尼电池式3 气敏传感器工作原理3.1 半导体气敏传感器工作原理●半导体气敏传感器(见图1,2)由气敏部分、加热丝及防爆网等构成,它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。
●半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。
具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。
如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。
图1 半导体气敏传感器结构图图2 半导体气敏传感器的符号表示●当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。
2011-2015年中国传感器市场专项调研及未来发展趋势研究报告改革开放30年来,我国传感器技术及其产业取得了长足进步。
在“九五”国家重点科技攻关项目中,传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩,初步建立了敏感元件与传感器产业;2007年传感器业总产量达到20.93亿只,品种规格已有近6000种,并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。
中国产业信息网发布的《2011-2015年中国传感器市场专项调研及未来发展趋势研究报告》共十二章。
首先介绍了中国传感器行业的概念,接着分析了中国传感器行业发展环境,然后对中国传感器行业市场运行态势进行了重点分析,最后分析了中国传感器行业面临的机遇及发展前景。
您若想对中国传感器行业有个系统的了解或者想投资该行业,本报告将是您不可或缺的重要工具。
本研究报告数据主要采用国家统计数据,海关总署,问卷调查数据,商务部采集数据等数据库。
其中宏观经济数据主要来自国家统计局,部分行业统计数据主要来自国家统计局及市场调研数据,企业数据主要来自于国统计局规模企业统计数据库及证券交易所等,价格数据主要来自于各类市场监测数据库。
第一章2009-2010年全球传感器市场发展概述第一节2009-2010年全球传感器市场发展现状一、全球传感器总量规模二、全球传感器市场变化情况风险第二节2009-2010年全球传感器技术发展基本特点一、MEMS技术广泛应用二、纳米传感器市场前景广阔第三节2009-2010年全球各类传感器市场发展情况一、光传感器二、温度传感器三、半导体传感器和光纤传感器四、化学传感器五、MEMS传感器六、高精度传感器的市场分析第四节2011-2015年全球传感器市场走势预测分析第二章2009-2010年中国传感器行业发展情况分析第一节2009-2010年中国传感器行业发展现状一、总体规模逐渐扩大二、主要生产基地三、技术发展水平分析第二节2009-2010年中国传感器在汽车工业中的应用分析一、传感器在汽车工业中的应用现状二、汽车用传感器分类三、微型传感器在汽车中的应用第三节2009-2010年中国传感器在其他领域应用情况一、在工业控制领域中的应用二、在环境保护领域中的应用三、在设施农业中的应用四、在家用电器领域的应用五、其它有关传感器的应用第三章2009-2010年中国传感器行业影响因素与发展对策分析第一节2009-2010年中国传感器行业不利因素分析一、产品技术:产业基础薄弱二、科技与生产脱节第二节2009-2010年中国传感器行业有利因素分析一、政策变化:国家不断制定有利传感器产业发展的战略与政策二、市场需求:整机系统市场的快速发展三、产品技术:新兴技术的推动第三节2009-2010年中国传感器行业存在的问题分析二、产品技术水平偏低三、产品种类欠缺四、企业产品研发能力弱第四节2009-2010年中国传感器行业发展策略分析一、产品策略二、渠道策略三、应用市场策略第四章2009-2010年中国传感器细分市场分析第一节压敏传感器一、产业发展特征分析二、产品市场需求形势分析三、产品应用情况分析第二节热敏传感器第三节气敏传感器第四节光敏传感器第五节力敏传感器第六节湿敏传感器第七节磁敏传感器第五章2006-2009年中国传真机用接触式图象传感器进出口数据统计情况第一节2006-2009年中国传真机用接触式图象传感器进出口数量及金额统计第二节2006-2009年中国传真机用接触式图象传感器进出口国家及地区分析一、进口来源国家及地区分析二、出口国家及地区分析第六章2006-2009年中国互补金属氧化物半导传感器进出口数据统计情况第一节2006-2009年中国互补金属氧化物半导传感器进口统计一、互补金属氧化物半导传感器进口数量统计二、互补金属氧化物半导传感器进口金额分析第二节2006-2009年中国互补金属氧化物半导传感器出口统计一、互补金属氧化物半导传感器出口数量统计二、互补金属氧化物半导传感器出口金额统计第三节2006-2009年中国互补金属氧化物半导传感器进出口价格分析第四节2006-2009年中国互补金属氧化物半导传感器进出口国家及地区分析一、进口来源国家及地区分析二、出口国家及地区分析第七章2007-2011年中国电子器件制造行业数据监测分析第一节2007-2011年中国电子器件制造行业规模分析一、企业数量增长分析二、从业人数增长分析三、资产规模增长分析第二节2011年上半年中国电子器件制造行业结构分析一、企业数量结构分析二、销售收入结构分析第三节2007-2011年中国电子器件制造行业产值分析一、产成品增长分析二、工业销售产值分析三、出口交货值分析第四节2007-2011年中国电子器件制造行业成本费用分析一、销售成本统计二、费用统计第五节2007-2011年中国电子器件制造行业盈利能力分析一、主要盈利指标分析二、主要盈利能力指标分析第八章2009-2010年中国传感器产业竞争格局分析第一节2009-2010年中国传感器行业集中度分析一、市场集中度分析二、生产企业分布分析第二节2009-2010年中国传感器市场竞争格局分析一、传感器市场竞争激烈二、传感器技术竞争格局三、传感器细分产品竞争形势第三节2009-2010年中国传感器行业竞争策略分析第九章2009-2010年中国传感器产业优势企业关键性数据分析第一节欧姆龙(上海)有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第二节上海贺利氏电测骑士有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第三节升德升(连云港)电子有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第四节埃意(廊坊)电子工程有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第五节森萨塔科技(常州)有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第六节精量电子(深圳)有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第七节世美特电子(威海)有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第八节荣成泰斯宝电子有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第九节图尔克(天津)传感有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第十节太原理工天成科技股份有限公司一、企业基本情况二、企业主要经济指标三、企业盈利能力分析四、企业偿债能力分析五、企业运营能力分析六、企业成长能力分析第十章2011-2015年中国传感器产业技术发展趋势展望第一节2011-2015年中国传感器技术发展总体趋势一、高精度二、微型化三、集成化四、数字化五、声表面波传感器第二节2011-2015年中国传统传感器技术发展趋势一、加速开发新型材料二、向高可靠性、宽温度范围发展三、向微功耗及无源化发展第三节2011-2015年中国智能传感器技术趋势一、多传感器信息融合二、MEMS技术三、纳米机械装置和传感器四、敏感材料与智能材料系统五、化学传感器六、生物传感器七、分子传感器八、自动化装配和自动化测试技术第四节2011-2015年中国网络化传感器及传感器网络化第五节2011-2015年中国机器人传感器技术发展趋势一、多智能体机器人感知系统二、网络机器人感知系统三、虚拟现实临场感技术四、微机器人与微驱动系统第十一章2011-2015年中国传感器市场发展预测第一节2011-2015年中国传感器市场规模预测一、2011-2015年中国传感器市场规模预测二、2011-2015年中国传感器增长速度预测第二节2011-2015年中国传感器供需形势预测一、2011-2015年传感器产能预测二、2011-2015年市场需求前景三、2011-2015年市场价格预测四、2011-2015年行业集中度预测第三节2011-2015年中国传感器销售与应用趋势分析第四节2011-2015年中国传感器市场盈利能力预测分析第十二章2011-2015年中国传感器行业投资机会与投资风险分析第一节2011-2015年中国传感器行业投资机会分析一、传感器行业吸引力分析二、传感器行业区域投资潜力分析第二节2011-2015年中国传感器行业投资风险分析一、宏观调控风险二、行业竞争风险三、供需波动风险四、技术风险五、经营管理风险第三节2011-2015年中国传感器行业投资策略分析图表目录图表12006年我国传真机用接触式图象传感器进出口数量及金额统计图表22006年我国传真机用接触式图象传感器主要进口来源国家及地区进口金额对比图图表32006年我国传真机用接触式图象传感器主要出口国家及地区出口金额对比图图表42006-2009年我国互补金属氧化物半导传感器进口数量走势图图表52006-2009年我国互补金属氧化物半导传感器进口金额走势图图表62006-2009年我国互补金属氧化物半导传感器出口数量走势图图表72006-2009年我国互补金属氧化物半导传感器出口金额走势图图表82006-2009年我国互补金属氧化物半导传感器进出口平均单价走势图单位:美元/千克图表92009年我国互补金属氧化物半导传感器主要进口来源国家及地区进口金额对比图图表102009年我国互补金属氧化物半导传感器主要进口来源国家及地区进口金额比例图图表112009年我国互补金属氧化物半导传感器主要出口国家及地区出口金额对比图图表122009年我国互补金属氧化物半导传感器主要出口国家及地区出口金额比例图图表132007-2011年我国电子器件制造行业企业数量增长趋势图图表142007-2011年我国电子器件制造行业亏损企业数量增长趋势图图表152007-2011年我国电子器件制造行业从业人数增长趋势图图表162007-2011年我国电子器件制造行业资产规模增长趋势图图表172011年上半年我国电子器件制造行业不同类型企业数量分布图图表182011年上半年我国电子器件制造行业不同所有制企业数量分布图图表192011年上半年我国电子器件制造行业不同类型企业销售收入分布图图表202011年上半年我国电子器件制造行业不同所有制企业销售收入分布图图表212007-2011年我国电子器件制造行业产成品增长趋势图图表222007-2011年我国电子器件制造行业工业销售产值增长趋势图图表232007-2011年我国电子器件制造行业出口交货值增长趋势图图表242007-2011年我国电子器件制造行业销售成本增长趋势图图表252007-2011年我国电子器件制造行业费用使用统计图单位:亿元图表262007-2011年我国电子器件制造行业主要盈利指标统计图单位:亿元图表272007-2011年我国电子器件制造行业主要盈利指标增长趋势图图表28中国传感器行业生产企业分布图图表29欧姆龙(上海)有限公司主要经济指标走势图图表30欧姆龙(上海)有限公司经营收入走势图图表31欧姆龙(上海)有限公司盈利指标走势图图表32欧姆龙(上海)有限公司负债情况图图表33欧姆龙(上海)有限公司负债指标走势图图表34欧姆龙(上海)有限公司运营能力指标走势图单位:次图表35欧姆龙(上海)有限公司成长能力指标走势图图表36上海贺利氏电测骑士有限公司主要经济指标走势图图表37上海贺利氏电测骑士有限公司经营收入走势图图表38上海贺利氏电测骑士有限公司盈利指标走势图图表39上海贺利氏电测骑士有限公司负债情况图图表40上海贺利氏电测骑士有限公司负债指标走势图图表41上海贺利氏电测骑士有限公司运营能力指标走势图单位:次图表42上海贺利氏电测骑士有限公司成长能力指标走势图图表43升德升(连云港)电子有限公司主要经济指标走势图图表44升德升(连云港)电子有限公司经营收入走势图图表45升德升(连云港)电子有限公司盈利指标走势图图表46升德升(连云港)电子有限公司负债情况图图表47升德升(连云港)电子有限公司负债指标走势图图表48升德升(连云港)电子有限公司运营能力指标走势图单位:次图表49升德升(连云港)电子有限公司成长能力指标走势图图表50埃意(廊坊)电子工程有限公司主要经济指标走势图图表51埃意(廊坊)电子工程有限公司经营收入走势图图表52埃意(廊坊)电子工程有限公司盈利指标走势图图表53埃意(廊坊)电子工程有限公司负债情况图图表54埃意(廊坊)电子工程有限公司负债指标走势图图表55埃意(廊坊)电子工程有限公司运营能力指标走势图单位:次图表56埃意(廊坊)电子工程有限公司成长能力指标走势图图表57森萨塔科技(常州)有限公司主要经济指标走势图图表58森萨塔科技(常州)有限公司经营收入走势图图表59森萨塔科技(常州)有限公司盈利指标走势图图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传感器的发展及应用【摘要】传感器技术作为信息技术的三大基础之一,在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。
而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。
它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能,并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。
本文展望了现代传感器技术的发展和应用前景。
总结了传感器技术的发展方向。
【关键词】传感器技术;传感器发展方向;传感器网络一.传感器技术传感器是指能感受规定的被测量,通常被测量是非电物理量,输出信号一般为电量。
并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
我国国家标准(GB7665-2005)对传感器的定义是:“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。
(一)传感器的发展历史传感技术大体可分3代,第1代是结构型传感器。
它利用结构参量变化来感受和转化信号。
例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。
第2代传感器是70年代开始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。
如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。
7 0年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展,出现集成传感器。
集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。
例如:电荷耦合器件(CCD),集成温度传感器AD590,集成霍尔传感器UGN3501等。
这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。
集成传感器发展非常迅速,现已占传感器市场的2/3左右,它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。
第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。
关于半导体传感器摘要:如今,半导体传感器技术日趋成熟,被广泛应用于各个行业中。
它是利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。
本文首先介绍了传感器的分类,然后着重介绍了比较常用的半导体传感器,如湿敏传感器、气敏传感器、色敏传感器和磁敏传感器等的工作原理以及它们在各个领域的应用,最后还介绍了传感器的发展现状和未来发展趋势。
关键词:半导体传感器湿敏传感器气敏传感器色敏传感器一、概述随着电工电子技术的飞速发展,半导体元器件的用途越来越广泛,逐渐改善这人们的技术生活。
其中半导体传感器就是半导体最重要的应用之一。
半导体传感器具有容易集成化,灵敏度高等优点,一直引起世界各国研究人员的重视和兴趣,并且越来越多的应用于各个行业。
半导体传感器是利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。
半导体器种类繁多,由于它具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉器官的功能,所以起名为传感器。
半导体传感器的优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化。
半导体传感器主要应用于工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器等领域,并且具有良好的发展前景。
二、半导体传感器分类1.根据传感器的作用原理可分为以下三大类:物理敏感类:这种传感器的原理是将物理量转换成电信号,按敏感对象分为光敏、热敏、力敏、磁敏等不同类型,具有类似于人的视觉、听觉和触觉的功能。
这类器件基于电子作用过程,机理简单,而且应用比较普遍,它与微处理机相配合,能构成遥控、光控、声控、工业机器人和全自动化装置。
表一列出常用的物理效应。
表一物理敏感类传感器的物理效应化学敏感类:这种传感器的原理是将化学量转换成电信号。
按敏感对象可分为对气体、湿度、离子等敏感的类型,具有类似于人的嗅觉和味觉的功能。
这类器件主要基于离子作用过程,机理较复杂,研制很困难,但有十分广阔的应用前景。
通常利用氧化还原反应、光化学反应、离子交换反应、催化反应生物敏感类:这种传感器的原理是将生物量转换成电信号。
传感器技术的应用及其发展摘要:传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节,而测试技术与自动控制水平高低,是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。
本文列举了传感器技术在当前一些重要领域里的应用,并讲述了其发展趋势。
关键词:传感器技术应用现状发展趋势一、引言传感器技术是当今世界令人瞩目,迅速发展的高新技术之一,也是当代科学发展的一个重要标志,与通许技术、计算机技术共同构成21世纪信息产业的三大支柱.如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸.因此各发达国家都将传感器技术作为本世纪重点技术加以发展。
随着国内工业自动化、信息化和国防现代化的发展,传感器的年需求量持续增长。
传感器的应用也越来越广泛、已渗透到各个专业领域。
但是目前国内传感器技术的创新和新产品开发能力落后于国内外先进水平,制约了我国工业自动化和信息化技术的发展。
二、传感器介绍传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成,有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分.传感器通常可以按照一系列方法进行分类。
根据输入物理量的分类,传感器常以别测物理量命名,如位移传感器,速度传感器、温度传感器、压力传感器等;根据工作原理分类,传感器常可以依据工作原理进行命名,如应变式、电容式、电感式、热电式、光电传感器等;按输出信号分类,可分为模拟传感器和数字式传感器.输出量为模拟量则称为模拟式,输出量为数字式则称为数字式传感器等等。
三、主要传感器技术分类传感器技术是当前代表国家综合科研水平的重要技术,传感器技术的具体应用是传感器技术转化的重要途径和方法。
加强对传感器技术应用的研究也是了解传感器技术发展现状并对其未来发展进行预测的基础和前提。
3.1 光电传感器技术光电传感器技术又称为光传感器技术,是将光信号转化为电信号的一种传感器技术。
光电传感器技术可用于检测直接引起光量变化的非电量 ,如光强、光照度辐射测温、气体成分分析等,也可用来检测能转换成光电量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、以及物体形状、工作状态等,光电传感技术具有非接触、响应快、性能可靠等特点,目前主要应用于工业自动化装置和机器人技术中。
目录一.目前CO2检测方法分类 (2)1.1气相色谱法 (2)1.2滴定法 (2)1.3固体电解质式CO2传感器 (2)1.4电容式CO2传感器 (3)1.5光纤CO2气体传感器 (3)1.6.红外吸收型CO2传感器 (3)二、红外C02测量技术的国内外研究现状 (4)2.1国外研究现状………………………………………………. .42.2国内研究进展………………………………………………. .4三、红外吸收型CO2气体检测基本理论 (5)3.1 吸收原理分析 (5)3.2 C02气体的吸收原理 (6)四、测量装置的设计 (7)4.1 差分测量方法 (7)4.1.1 单波长双光路差分测量法 (7)4.1.2 双波长单光路差分测量法 (7)4.2 红外探测器 (8)4.3 双通道探测器的工作原理 (9)五. 各模块设计 (10)5.1 CO2测量装置结构框图 (10)5.2 光源及其调制技术 (10)5.3 气室的结构设计 (11)5.3.1材质的选择 (11)5.3.2光程的确定 (11)5.3.3 光源与滤光镜及探测器准直的保证 (11)5.4 探测器的工作原理 (12)六、结束语 (13)对于CO2传感器的现状浅分析及非分光红外吸收型CO2传感器的设计CO2是主要的大气成分,对农业、工业等领域都有很重要的影响,随着工业的发展,CO2含量逐年增加,CO2含量过高不仅对人体健康产生隐患,而且引发了不少环境问题,温室效应就是最典型的例子植物的光合作用和呼吸作用也和CO2浓度有很大关系。
为此,研究一种新型的CO2传感器势在必行。
一.目前CO2检测方法分类目前CO2的检测方法有很多种,主要有气相色谱法,滴定法,固体电解质式,电容式,光纤检测法,红外吸收法等多种方法。
下面对这些方法做简要介绍:1.1气相色谱法气相色谱法是将二氧化碳在色谱柱中与空气的其他成分完全分离后,进入热导检测器的工作臂,使该臂电阻值的变化与参考臂电阻值的变化不相等,惠斯通电桥失去平衡而产生的信号输出。
传感器技术发展动态与展望现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术, 它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理。
目前, 信息传输与处理技术已取得突破性进展, 然而传感器的发展相对滞后。
在今天信息时代, 各种控制系统自动化程度、复杂性以及环境适应性(如高温、高速、野外、地下、高空等)要求越来越高, 需要获取的信息量越来越多,它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求, 而且需求信号远距离传输。
显然,传统的传感器已很难满足要求,发展集成化、微型化、智能化、网络化传感器将成为传感器技术的主流和方向。
传感器的集成化传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器;或利用微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。
前一种集成具体可分为三种类型:(1)将多个功能相同的敏感元件集成在同一芯片上,检测被测量的线状、面状、甚至体状的分布信息,例如固态图像传感器(CCD阵列光敏器件,它不仅在自动化生产线上发挥“视觉”作用(例如纺织品质量检查及大规模集成电路图形检查等),而且在天文罗盘、星体跟踪、卫星遥感装置上也开始应用。
(2)将多个结构相似、功能相近的敏感元件集成在同一芯片上,在保证测量精度的扩大传感器的测量范围。
例如将不同气敏元件集成在一起组成,利用各种气敏元件对不同气体的敏感效应,采用神经网络及模式识别等先进的数据处理技术,对混合气体的各组分同时监测,得到混合气体的有关信息,同时提高气敏传感器的测量精度。
这种方式还可将不同量程的传感元件进行集成, 根据被测量的大小在各传感元件之间进行切换。
(3)将多个不同功能的敏感元件集成在同一芯片上,使传感器能测量不同性质的参数,实现综合检测。
例如集成压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等不同功能敏感元件的传感器,能同时检测外界环境的物理特性或化学特性,从而实现多环境的多参数综合监测。
浅谈传感器技术的发展趋势作者:丁怀珍来源:《消费电子·理论版》2013年第10期摘要:传感技术是以传感器敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理“效应”、化学“反应”以及生物“机理”作为理论基础,以研究传感器的材料、设计、制作、应用为主要内容,综合了物理学、微电子学、光学、化学、仿生学、材料学的各方面的知识和技术而形成的一门综合性学科,是现代信息产业(传感技术、通信技术和计算机技术)的三大支柱之一。
本文简述了传感技术的地位和作用,分析了传感技术的发展趋势。
关键词:传感器技术;特点;发展;趋势中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2013) 20-0000-01在基础科学和尖端技术的研究中,必须借助于配备有相应传感器的高精度测控仪器或大型测控系统才能奏效。
大到上千光年的茫茫宇宙,小到10-13cm的粒子世界;长到数十亿年的天体演变,短到10-24s的瞬间反应;国家的现代化水平很大一部分由自动化水平来衡量,自动化系统的功能愈全,系统对传感器的依赖程度也愈大。
为此,各种各样的新型传感器层出不穷。
一、传感技术的地位和作用从茫茫太空到浩瀚海洋,从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行,几乎每个领域都离不开各种各样的传感器。
在机器人技术领域,作为第三次产业革命的典型代表——智能机器人,将大量使用视觉、触觉、听觉、嗅觉以及各种内脏传感器。
一些机器人专家认为,“智能机器人系统应该是一个传感器系统的集成而不是机构的集成。
在航空、航天技术领域,传感器应用非常多,范围非常广,仅阿波罗10号飞船就使用了大量传感器,对3295个测量参数进行监测,可以说整个飞船就是高性能传感器的集合体。
在兵器领域,国外新设计的引言,除具有引爆炸药的功能外,同时采用几个传感器,以分别监测环境和目标信息,从而更好地解决了安全、可靠地通用性问题。
各国研制的重要新型精确打击武器——目标敏感弹都是以传感器为技术核心的。
气敏元件和传感器技术的发展现状 在应用方面,目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器,已普及应用于气体泄漏检测和监控,从工厂企业到居民家庭,应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例,日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规,1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法,规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多,有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统,有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等;工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合,实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司(ISC)一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测,采用了统一的软件,只需要换气体传感器,即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元,可检测100种以上毒性气体和可燃性气体,通过其“气体检索”功能扫描,能很快确定是哪一种气体。
一、气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展 国外气体传感器发展很快,一方面是由于人们安全意识增强,对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此,国外气体传感器技术得到了较快发展,据有关统计猜测,美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为(27~30)%。
目前,气体传感器的发展趋势集中表现为:一是提高灵敏度和工作性能,降低功耗和成本,缩小尺寸,简化电路,与应用整机相结合,这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测(0.1~10)×10-6硫化氢低功耗气体传感器,美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器,美国FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展MEMS技术,发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器,使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能,实现了智能化;还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。
二、国内现状与差距 气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下,国内已有一定的基础。其现状是: (1)烧结型气敏元件仍是生产的主流,占总量90%以上;接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力;电化学气体传感器有了试制产品; (2)在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺,使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏;在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构;在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件,新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料; (3)低功耗气敏元件(如一氧化碳,甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试; (4)国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家,黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资)、北京电子管厂(特种电器厂),其中前四家都超过100万支,据行业协会统计,1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。 总的看来,我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展,但与国外先进水平仍有较大的差距,主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距,与日本比较仍要落后10年。 三、市场需求分析 气敏元件、传感器及其应用产品具有十分广阔的现实市场和潜在的市场需求。 以4类气敏元件传感器为例,作简要市场需求分析。 (1)可燃性气体气敏元件传感器 这是需求量最大的一类气敏元件传感器,包含各种烷类和有机蒸气类(VOC)气体,目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机,已形成批量生产规模,每年约有500万支以上的市场。随着在油田、矿区、化工企业及家庭等生产生活领域广泛用作气体泄漏报警,非凡是用于家庭气体泄漏报警,如液化石油气、天燃气及其他可燃性气体的检测报警等,预计在2001年—2005年将会有成倍需求。 (2)一氧化碳和氢气气敏元件传感器 这两种也是最有需求量的气敏元件传感器。一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警;氢气气敏元件除工业等领域应用外也同一氧化碳气敏元件一样,广泛用于家庭管道煤气泄漏报警。由于我国管道煤气中氢气含量高,而氢敏元件较之一氧化碳元件价格低,灵敏度高,因此,用氢敏元件做城市管道煤气泄漏报警更为适宜。由于管道煤气泄漏、灶具不合格导致不完全燃烧而造成CO中毒等灾难事故是十分严重的,每年都给我们留下惨痛的后果,仅哈尔滨市1998年11月2日一次管道煤气泄漏事故就造成37人中毒,8人死亡。因此,安装煤气报警器已成为政府为保护人民生命财产安全而强制推动的一项措施。目前我国已有黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市等发布文件。随着城市燃气化的扩大、政府立法和人民安全保护意识的提高,城市家庭安装气体报警器必将很快推广普及,一氧化碳、氢气敏元件传感器的需求量将会急剧增加。美国已有7个州11个城市通过立法要求家庭安装CO报警器。据统计,按一间卧室安装一台CO报警器计算,美国CO报警器市场应该是9400万台,按目前价格计算是38亿美元,而且每年可新增40万台。早在1994年,我国城市燃气用户就达到2978万户,用气人口10421.8万人。我国660个城市,有液化石油气的城市513个,同时兼有人工煤气的城市170个,有天然气城市55个,国家计划到2000年城市人口平均气化率达到60%~70%。目前大约有1.2亿居民、约(3000~4000)万户使用燃气,按这些燃气用户的40%安装气体报警器计算,需求量就达1200万台以上。而随着城市燃气应用的扩大,用气人口增多,报警器需求量必将迅速增加。 另一个需要安装气体报警器的是使用燃气热水器非凡是直排式燃气热水器的场所。由于燃气热水器使用不当或质量变坏发生不完全燃烧,造成CO中毒现象时有发生,南京、上海、福洲、北京、衡阳等都有过报道。仅据来自中国消费者协会的投诉统计,1998年全国就有16人死于燃气热水器事故,伤4人,残2人,比1997年上升了200%。为防止灾难事故,安装CO报警器十分重要。目前我国颁发燃气热水器生产许可证企业153家,燃气热水器社会拥有量已在3000万台以上,其中50%以上是直排式。为了安全,国家技术监督局已发布强制性标准(GB6932-94),要求燃气热水器必须有防止不安全燃烧的保护装置。要求上述热水器5年内安装完CO报警(控制)器,仅此每年就需要600万台。显然,其需求量是相当大的。
(3)氧传感器 氧传感器应用很广泛,在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大。以汽车用氧传感器为例,为提高汽车性能,降低排气污染,国外已采用电子燃油喷射系统(EFI)代替化油器,如美国、德国和日本,EFI系统的装车率已分别达100%、98%和90%。我国八五期间将EFI列入国家科委攻关计划。经过攻关,现已在切诺基、小红旗、桑塔纳等轿车上成功安装了EFI,在一个发动机电子喷射系统中要使用温度、压力、气体、爆震、位置等传感器(6~8)个,其中氧气传感器是控制发动机点火和尾气排放的最主要的传感器。一套闭环控制系统要用(1~2)氧传感器。目前我国尚不能生产汽车用氧传感器,主要依靠进口。预计到2000年后,国内氧传感器配套将有大的需求,如上海汽车电子有限公司,EFI系统年产能力为120万套,全部配套传感器就要240万支。我国1998年汽车生产超过10万辆的有上海大众、一汽、天汽、东风、长安、柳州五菱等六家企业。按此估计,仅用于汽车的氧传感器,我国年需量也要在500万支以上。
(4)毒性气体传感器 毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器,主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体,应用最多的是定电位电解式电化学气体传感器。其特点是灵敏度高,选择性好,低浓度输出线性好,主要用于对CO、H2O、NH3、SOX、NOX、Cl2及其他化合物蒸气,如HClHCN等有毒性气体的检测。目前我国尚不能生产这类气体传感器,主要依靠进口,随着环境保护要求的提高,其需求量将迅速增加。
四、发展建议 (1)发展思路 以市场为导向,以国民经济现代化需求和人民生命财产安全服务为目标,以新型气敏元件传感器开发和大量需求的气敏元件传感器专业化大生产为重点,搞好推广普及和应用,发展和完善气敏元件传感器、变送器、报警器和应用装置系统等气敏综合应用技术,组建有竞争力的企业集团,开发有自己知识产权的产品,推动我国气敏技术跨上一个新台阶。
(2)重点 1)市场需求大的可燃气、氢气、天然气、液化石油气敏感元件传感器上规模、上档次、上水平; 2)解决有市场、又有难度的一氧化碳气敏元件低功耗工艺、厚膜工艺制造技术,形成批量化生产; 3)解决毒性气体H2O、SOX、NOX、HCl等电化学气体传感器先进生产工艺,提高质量水平,上档次,占份额; 4)以汽车氧传感器为重点,引进先进工艺,形成批量生产; 5)开发有机蒸气、CO2、O3等新型气体传感器,以适应发展需要。
(3)目标 1)产业目标 气敏元件传感器十五要作到品种基本齐全,国外批量生产的品种做到国内均能生产;产量达到(3500~4000)万支;产值达到(5~8)亿元;市场占有率达到80%,其余20%进口。
2)科学技术目标 在具备条件的企业或企业集团建立技术中心,配备先进开发手段;产品工艺方面,重点解决厚膜、电化学和集成工艺技术,发展MEMS技术;主要产品质量达到世界同期先进水平;开发具有知识产权的新产品,如常温低功耗(电池供电)气体传感器,新型环境气体传感器等。
五、2015年发展设想 到2015年要形成气敏元件传感器及其应用技术配套,并形成综合发展的产业格局,主要品种的气敏元件、