從1974年誕生的中國(guó)第一個(gè)實(shí)用壓阻式傳感器開始，到目前應(yīng)用火熱的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）傳感器，微電子技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)傳感器技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)，全球基礎(chǔ)元器件市場(chǎng)的增長(zhǎng)推動(dòng)了整機(jī)制造技術(shù)水平的全面提升，傳感器市場(chǎng)正在以持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng)之勢(shì)向前發(fā)展。據(jù)預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上，其中中國(guó)傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)率超過(guò)15%。
技術(shù)進(jìn)步和成本下降為傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來(lái)更靈活空間，節(jié)省空間和降低成本，傳感器智能化和微型化的發(fā)展趨勢(shì)為整機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異化功能提供可能；另一方面，隨著低碳經(jīng)濟(jì)對(duì)新型能源和節(jié)能減排的要求，更高效率和更精準(zhǔn)控制的傳感技術(shù)獲得新應(yīng)用，傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，出現(xiàn)在更多之前未曾涉及的領(lǐng)域，如新能源中的風(fēng)力發(fā)電/光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
同時(shí)，各種多樣化應(yīng)用對(duì)傳感器設(shè)計(jì)的不同需求，給工程師設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)，需要考慮不同環(huán)境下的整體設(shè)計(jì)，包括可靠性/抗干擾等技術(shù)問(wèn)題，并且不能影響日益嚴(yán)格的質(zhì)量與成本目標(biāo)。
本期半月談為工程師帶來(lái)傳感技術(shù)的最新進(jìn)展和應(yīng)用新理念，從下面七點(diǎn)闡述了低碳經(jīng)濟(jì)需求下傳感器向智能化/微型化的發(fā)展趨勢(shì)，以及多樣化應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)；幫助工程師了解在風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)中傳感器的最新應(yīng)用等。
- 電容傳感器在汽車/太陽(yáng)能熱水器中的應(yīng)用
- MEMS在智能家電中的特性化應(yīng)用
- 氣體傳感器在石油化學(xué)工業(yè)氣體中的應(yīng)用
- 傳感器接口電路的抗干擾設(shè)計(jì)
- 高度集成電流傳感器應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
- 風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的光纖傳感器
- 自動(dòng)跟蹤聚焦式太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)
技術(shù)進(jìn)步/成本下降拓展廣闊應(yīng)用
引進(jìn)新技術(shù)發(fā)展新功能是傳感器的最大特點(diǎn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化和封裝制程更新?lián)Q代等因素推動(dòng)傳感器技術(shù)的進(jìn)步。各類傳感器技術(shù)向著微型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)發(fā)展。其中，汽車傳感器無(wú)疑是受技術(shù)進(jìn)步影響最大的領(lǐng)域，技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了各種傳感器在汽車上的廣泛應(yīng)用，不在僅僅單純用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，巳擴(kuò)展到底盤、車身和燈光電氣系統(tǒng)上，擔(dān)負(fù)著測(cè)量溫度、壓力、流量、位置、氣體濃度、速度、光亮度、干濕度、距離等功能。
以電容式傳感器為例。過(guò)去，由于電容傳感器被認(rèn)為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，很少用于汽車電子之中，隨著微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，電容式傳感器技術(shù)正在向智能化方向發(fā)展，加上它們具有生產(chǎn)成本較低、外形適應(yīng)簡(jiǎn)單、功耗低等特性，推動(dòng)了它們?cè)谄噳毫?、液位、濕度測(cè)量方面的應(yīng)用，由此電容傳感器在汽車中的應(yīng)用數(shù)量大幅增長(zhǎng)。同時(shí)，電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等突出的優(yōu)點(diǎn)，使得它在其他領(lǐng)域也大顯身手，在太陽(yáng)能熱水器中電容傳感器也有取代傳統(tǒng)電極式傳感器的趨勢(shì)。
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成本的不斷下降也是傳感器贏得廣闊應(yīng)用市場(chǎng)的另外一個(gè)重要因素，以MEMS傳感器為例，它的主要優(yōu)勢(shì)在于體積小、大規(guī)模量產(chǎn)后成本下降快，目前主要應(yīng)用在汽車和消費(fèi)電子兩大領(lǐng)域。
隨著MEMS傳感器加工成本降低，目前用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的MEMS IC的批量單價(jià)在1至1.50美元的水平，其應(yīng)用范圍已從各種便攜式設(shè)備向種類繁多的家用電器延伸，MEMS豐富的算法和功能可使整機(jī)產(chǎn)品具備差異化功能而在市場(chǎng)上脫穎而出。如洗衣機(jī)的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)常常造成機(jī)身抖動(dòng)，導(dǎo)致噪聲提高壽命降低，而MEMS可有效感知出機(jī)身震動(dòng)情況，將信號(hào)反饋給控制器以調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而使設(shè)備保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)使用壽命。
據(jù)IC Insight最新報(bào)告預(yù)計(jì)，在2007年至2012年間，全球基于MEMS的半導(dǎo)體傳感器和制動(dòng)器的銷售額將達(dá)到19%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率，2012年后將實(shí)現(xiàn)97億美元的年銷售額。
延伸閱讀：微機(jī)電運(yùn)動(dòng)傳感器淺談
此外，各工業(yè)部門為節(jié)約原材料、降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，將大量采用工業(yè)過(guò)程控制傳感器；環(huán)保工程中所需各類傳感器的需求會(huì)愈加旺盛，尤其是我國(guó)投入4萬(wàn)億元用于基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目以及應(yīng)對(duì)國(guó)際金融危機(jī)采取的防范措施等重點(diǎn)工程，無(wú)疑會(huì)大幅度促進(jìn)傳感器產(chǎn)業(yè)的需求增長(zhǎng)，其中農(nóng)業(yè)、環(huán)保、醫(yī)療衛(wèi)生以及儀器|儀表檢測(cè)用傳感器將是廣闊的新市場(chǎng)。
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多樣化應(yīng)用帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
由于元器件變得越來(lái)越復(fù)雜，工程師們需要更加專業(yè)的知識(shí)才能使元器件應(yīng)用最優(yōu)化。在傳感器的設(shè)計(jì)中，更大的壓力來(lái)自于各種應(yīng)用的不同需求，設(shè)計(jì)人員必須考慮應(yīng)對(duì)不同環(huán)境下整體設(shè)計(jì)，并且不能影響日益嚴(yán)格的質(zhì)量與成本目標(biāo)。
過(guò)去單一功能的傳感器件也越來(lái)越多被具有信號(hào)處理和控制算法的傳感器所取代，使得設(shè)計(jì)中需要考慮更多干擾和可靠性方面的要求。如傳感器接口電路中抗干擾設(shè)計(jì)，凡是傳感器接口電路都存在小信號(hào)處理問(wèn)題，因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鲆话愣际切⌒盘?hào)，將其精確的放大到所需要的信號(hào)(如0～5V)，并能達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)，就必須注意到電路圖上未表示出來(lái)的某些問(wèn)題，即抗干擾問(wèn)題，再進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應(yīng)用之前，有必要進(jìn)行討論。
干擾可粗略的分為3個(gè)方面：
- 局部產(chǎn)生(即不需要的熱電偶)
- 子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合(即地線的路徑問(wèn)題)
- 外部產(chǎn)生(即電源頻率的干擾)
接口電路的防干擾問(wèn)題是得到高質(zhì)量信號(hào)的重要措施之一，傳感器的輸出信號(hào)越低，接口電路的放大元件的選擇，以及防干擾措施要求越嚴(yán)格，但要求傳感器的信號(hào)大，又會(huì)影響傳感器輸出的非線性等特性，這是矛盾的。如何解決這些矛盾，工程師在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)考慮在線性度允許的條件下，盡可能地提高傳感器的輸出靈敏度。
更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)點(diǎn)擊：傳感器接口電路的抗干擾設(shè)計(jì)
另一個(gè)挑戰(zhàn)是節(jié)約能源的需求，該要求意味著越來(lái)越多的過(guò)去曾經(jīng)采用機(jī)械控制的應(yīng)用場(chǎng)合將改變成全電子控制，由此提供更高的可靠性、改進(jìn)的調(diào)節(jié)功能以及更高的能源效率。尤其是能源效率或“綠色”設(shè)計(jì)的需要。
一個(gè)典型的案例就是家用電器，比如洗衣機(jī)，用戶要求高效率并便于操作，這促使制造商采用新型電機(jī)控制技術(shù)，由此帶來(lái)的是新型傳感器的開發(fā)和應(yīng)用需求。在空調(diào)設(shè)備中，更多變頻控制可以更準(zhǔn)確地控制溫度以及大幅度地降低噪音，更精細(xì)調(diào)節(jié)和舒適度的需求需要更多的傳感器來(lái)完成。
延伸閱讀：高度集成電流傳感器應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
低碳經(jīng)濟(jì)催生傳感器應(yīng)用新理念
21世紀(jì)，低碳經(jīng)濟(jì)的浪潮不可抵擋，節(jié)能減排與新能源成為各國(guó)政府重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域，細(xì)分到我們所熟悉的與傳感器相關(guān)的行業(yè)，則包括了核電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)、清潔煤發(fā)電等產(chǎn)業(yè)。如最近一段時(shí)間，傳感技術(shù)開始用于檢測(cè)和優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪系統(tǒng)，通常在風(fēng)輪組裝的時(shí)候安裝在風(fēng)輪上。
作為發(fā)展最快的能源技術(shù)，風(fēng)輪的尺寸越來(lái)越大。又安裝在比較遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)。監(jiān)視工程師需要實(shí)時(shí)了解這些風(fēng)輪的狀態(tài)，因此傳感技術(shù)的應(yīng)用將幫助工程師及時(shí)了解信息和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
延伸閱讀：風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的光纖傳感器
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中方位和仰角太陽(yáng)傳感器，風(fēng)力傳感器，日光開關(guān)三種傳感器構(gòu)成了日光跟蹤器。
延伸閱讀：自動(dòng)跟蹤聚焦式太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)
低碳經(jīng)濟(jì)的概念正在滲入到各個(gè)行業(yè)，以環(huán)保、節(jié)能、高效為特征的需求，將會(huì)為新型元器件和傳感器行業(yè)迎來(lái)一個(gè)發(fā)展新機(jī)遇!
