最新傳感器的常見類型有哪些

文章來源:http://www.jgylsb.com 發布時間:2020-11-23 瀏覽次數:129

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/// 專 業 的 工 業 傳 感 與 測 量 官 網 號 ///


 /  前言  /


2020年最新的傳感器,包括用于物聯網和可穿戴設備的傳感器,它們將很快改變電子行業。不論是檢測病人蛋白質水平的無聲心臟病檢測器,還是警告糾正乘員坐姿錯誤的椅子,這兩種創新方案都是近期發明的。而傳感器在電子設備中起著至關重要的作用。事實上,隨著科學技術的進步,傳感器的應用也在不斷擴展。

 

 /  傳感器正走向智能化  /



基本上,傳感器是一種接收信號或刺激并對其作出響應的輸入設備。如今,某些傳感器在單個硅芯片中集成了許多傳感元件和讀出電路,從而提供了高精度和多種功能。與此同時,制造商使用先進的技術和方法進行信號處理和轉換。

最新的傳感器具有更多功能,包括用戶友好性,可訪問性和靈活性等。因此,通過集成新技術使傳感器更加智能化,傳感器行業發生了巨大的轉變。

普通傳感器仍在許多應用中使用。但是微電子學(MEMS)的創新和進步正在將傳感器技術提升到一個全新的水平。普通傳感器的功能已通過多種方式擴展,現在提供了許多其他屬性。最新的傳感器變得越來越智能,提供更高的精度,靈活性和易于集成到分布式系統中的能力。

智能傳感器使用標準總線或無線網絡接口相互通信,或與微控制器(MCU)通信。網絡接口使數據傳輸更加容易,同時也擴展了系統。制造商可以診斷傳感器故障,并指導用戶通過計算機網絡進行遠程故障排除。

智能傳感器可能由一系列模擬和數字模塊組成,每個模塊都提供特定的功能。數據處理和模數轉換(ADC)功能有助于提高傳感器的可靠性和測量精度。智能傳感器的典型結構如圖1所示。

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圖1:智能傳感器結構


 /  最新傳感器的常見類型  /


由于使用的技術(模擬/數字)和應用的不同,如今傳感器種類繁多。下面將會介紹一些2020年最新的傳感器,包括物聯網傳感器,污染傳感器,RFID傳感器,圖像傳感器,生物識別傳感器,印刷傳感器以及MEMS和NEMS傳感器。

①、物聯網傳感器

物聯網傳感器包括溫度傳感器,接近傳感器,壓力傳感器,RF傳感器,熱釋電IR傳感器,水質傳感器,化學傳感器,煙霧傳感器,氣體傳感器,液位傳感器,汽車傳感器和醫療傳感器等。

這些最新的傳感器連接到計算機網絡以進行監視和控制。物聯網系統使用傳感器和互聯網,以其獨特的靈活性提供增強的數據收集,自動化和操作,從而在整個行業中得到了廣泛的應用。

物聯網傳感器的全球市場在2015年達到73億美元。預計到2021年將從2016年的近106億美元增長到478億美元,在2016-21年期間每年以35%的速度增長。物聯網傳感器的亞太市場預計將從2016年的30億美元增長到2021年的140億美元,從2016年到2021年的復合年增長率為36.1%。

②、污染傳感器

空氣污染傳感器用于檢測和監視周圍區域的空氣污染,包括室內和室外環境。盡管存在各種類型的空氣污染傳感器,但這些傳感器中的大多數都集中在五個參數上:顆粒物,臭氧,一氧化碳,二氧化硫和一氧化二氮。空氣污染傳感器一般比較昂貴,但普通用途的不算太貴。

市場上有能夠檢測直徑在2.5至10μm(PM10)之間且直徑小于2.5μm(PM2.5)的顆粒物的傳感器。圖2顯示了一個典型的PM傳感器,它在愛好者和實驗人員中很流行。

③、RFID傳感器

可以將稻米大小的RFID芯片(圖4)直接插入皮膚下,用作ID卡。在包括非接觸式銀行卡和Oyster卡在內的許多產品中,都有使用RFID芯片的趨勢。在某些情況下,將芯片植入寵物和牛中進行監視。

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圖4:顆粒大小的RFID芯片

④、穿戴式傳感器

最新的穿戴式傳感器包括醫療傳感器,GPS,慣性測量單元(IMU)和光學傳感器。利用現代技術和微型電路,可穿戴式傳感器現在可以部署在數字健康監控系統中。

傳感器還集成到各種配件中,例如衣服,腕帶,眼鏡,耳機和智能手機。IDTechEx的一份報告預測,到2022年,光學,IMU和GPS傳感器將在傳感器市場上占據主導地位(圖5)。

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圖5:可穿戴圖表

穿戴式應用和物聯網有望推動全球傳感器市場實現兩位數的增長。由于制造成本的降低和傳感器的低功耗,大多數傳統的有線連接將被無線傳感器取代,并在將來集成到無線網絡中。

⑤、光學圖像傳感器

智能手機相機是圖像傳感器的最佳示例——圖像傳感器檢測并傳送構成圖像的信息。數字成像正在迅速取代模擬成像,如今大多數數碼相機使用CMOS傳感器,以實現更快的速度和更低的功耗。

⑥、生物識別傳感器

最常見的生物識別傳感器是指紋模塊。R30x指紋模塊在愛好者和實驗者中非常流行。高通公司的指紋傳感器包括用于顯示屏,玻璃和金屬的傳感器,方向手勢的檢測以及屏下指紋匹配和設備喚醒的傳感器。

⑦、印刷傳感器

印刷在柔性基板上的傳感器正變得越來越流行。下一代打印傳感器將支持從人機界面到環境傳感的各種應用。IDTechEx報告預測,到2027年,全印制傳感器市場將達到76億美元。

印刷傳感器的結構非常簡單,只有幾個電極,而其他傳感器則更為復雜,需要多層沉積。它們的共同點是能夠在塑料基板上制造,這在機械柔韌性,厚度和重量減輕方面均具有優勢。

⑧、超聲波傳感器

超聲波傳感器通過發出超聲波來測量目標物體的距離,并將反射的聲音轉換為電信號。超聲波的傳播速度快于聲音的傳播速度,并產生了結果。

⑨、無源紅外傳感器

無源紅外傳感器測量從其視場中的物體發出的紅外(IR)光。

⑩、濕度傳感器

濕度傳感器(或濕度計)可感測,測量并報告濕度和空氣溫度。空氣中的水分與特定空氣溫度下的最高水分之比稱為相對濕度。相對濕度成為尋找舒適性時的重要因素。

?、微機電系統

微機電系統(MEMS)由1至100微米之間的組件大小組成。最值得注意的元素是微傳感器和微致動器。

在集成微電子的控制下,MEMS設備的范圍從簡單的結構到具有多個移動元件的極其復雜的機電系統,一應俱全。換句話說,MEMS傳感器是一種精密設備,其中機械零件和微型傳感器以及信號調節電路都制造在一小片硅芯片上。

通常,MEMS在一個封裝中由機械微結構,微致動器,微傳感器和微電子組成。圖7示出了MEMS裝置的框圖。

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圖7:MEMS設備的框圖

微型傳感器通過測量熱,化學,電氣或機械信息來檢測系統環境的變化。這些變量由微電子器件處理,然后微致動器根據環境的變化起作用。

市場上可用的一些常見類型的MEMS傳感器是:

1. MEMS加速度計。這些用于測量加速度的靜態或動態力。主要類別是硅電容式,壓阻式和熱加速度計。

MEMS加速度計用于智能手機中的各種控制,包括橫向和縱向模式之間的切換,防模糊捕獲和袖珍模式操作。

2. MEMS陀螺儀。這些檢測物體的角速度。MEMS陀螺儀用于帶有方向盤傳感器和側翻檢測的車輛穩定性控制。

3. MEMS壓力傳感器。這些傳感器測量三種類型的壓力:表壓,絕對壓力和壓差。該傳感器在集成芯片上集成了隔膜和一組電阻器,因此可以將壓力檢測為電阻變化。這些傳感器用于汽車,航空航天,醫療,國防和工業應用。

在汽車系統中,它們被廣泛用于油壓傳感器,碰撞檢測,燃料箱蒸氣壓力監測,廢氣再循環,發動機管理系統等。

4. MEMS磁場傳感器。這些傳感器檢測和測量磁場,并在位置感應,電流檢測,速度檢測,車輛檢測,太空探索等方面得到應用。

5. 磁通門傳感器。磁通門傳感器用于測量直流或低頻交流磁場。這些發現有許多應用,例如空間研究,地球物理,礦物勘探,自動化和工業過程控制。基于MEMS的磁通門傳感器在功耗,體積和性能方面均優于其他磁通門傳感器。

?、NEMS

納米機電系統(NEMS)是一類類似于MEMS的設備,但屬于納米級。這些是MEMS器件之后的下一個小型化步驟。納米諧振器和納米加速度計是NEMS的示例。

通常,NEMS依賴于碳基材料,包括金剛石,碳納米管和石墨烯。他們最有前途的應用之一是生物學和納米技術的結合。納米諧振器將在無線通信技術中找到應用,而納米電機則可用于生物芯片或傳感器的納米流體泵中。


 /  傳感器的材料  /


確切的傳感器材料取決于其類型和應用。例如,數字,模擬,接近和圖像傳感器都具有自己的材料,結構,制造技術和包裝。大多數制造商通常采用最新的傳感器(如MEMS)的材料和制造技術。電子產品中使用的材料主要起著兩個作用——發揮主動或被動的作用。

被動材料:

被動材料用于提供機械結構或電氣連接。這些材料中的某些材料(如硅和砷化鎵)也可以用作有源和無源材料。

活性物質:

活性物質對于微電子,光敏,壓電,磁阻和化學電阻膜的傳感過程至關重要。薄膜或厚膜形式的微傳感器材料在傳感系統中起著積極的作用。這些設備使用化學氣相沉積(CVD)或低壓化學氣相沉積(LPCVD)以及特殊技術(例如電化學沉積)制造。

硅:

元素硅在自然界中不存在,但存在于氧化物和硅酸鹽等化合物中。硅是豐富的,相對便宜的,并且具有許多可用于傳感器應用的物理特性。可以在硅襯底上沉積具有所需特性的材料層。單晶硅是使用最廣泛的半導體材料。

多晶硅:

可以通過用氧化物真空沉積到氧化的硅晶片上來形成多晶層。多晶硅結構可以通過離子注入或其他技術摻雜硼或其他元素,以達到所需的導電性。電阻的溫度系數可以通過選擇性摻雜在正負范圍內變化。多晶硅電阻具有長期穩定性。

其他半導體:

有各種各樣的化合物半導體可用于制備具有獨特性能的異質結構。砷化鎵(GaAs)和銻化銦(InSb)廣泛用于電子組件中。

砷化鎵用于諸如紅外發光二極管,激光二極管,微波單片集成電路(IC)和太陽能電池之類的設備中。它也用于測量特定物體溫度的光纖溫度傳感器。

研究表明,砷化鎵的某些電子性能優于硅。砷化鎵晶體管的工作頻率高于250GHz.由于砷化鎵的優越性能,它們被廣泛用于移動電話,衛星通信和雷達系統中。高靈敏度的GaAs壓電傳感器也用于生物檢測。

InSb.它對諸如霍爾效應傳感器和磁阻之類的磁傳感設備很有用。InSb磁阻器在汽車應用中用作位置傳感器。InSb材料也用于紅外成像。

塑料制品:

塑料廣泛用于電子和電氣組件。由于塑料是絕緣體,因此它們可用于需要絕緣性能的各種應用中。聚合物還用作輻射探測器和化學傳感器。

金屬:

設計傳感器時要考慮金屬的物理特性和機械加工。

銅具有出色的熱和電性能,但是很難加工。在某些情況下,可以使用鋁作為替代。金屬用于磁傳感器。金,銀,鉑,銠和鈀等貴金屬廣泛用于汽車,RFID標簽,手機和PC的傳感器設備中。

陶瓷:

陶瓷廣泛用于傳感器制造。這些具有共同的特性,包括結構強度,重量輕,熱穩定性,電絕緣性以及與其他材料結合的能力。它們不與氧氣反應,因此不會產生氧化物。許多制造商將陶瓷用作傳感器基板。


 /  傳感器制造  /


微傳感器技術使用了常規硅平面IC技術中遵循的基本制造步驟以及一些其他步驟。目前,互補金屬氧化物半導體(CMOS)是微傳感器中最常用的技術。微傳感器是使用商業CMOS IC工藝和隨后的批量微加工技術設計和制造的,確切具體的步驟因傳感器而異。

封裝形式:

必須保護芯片不受大氣影響。光刻膠或氮化硅材料通常用于覆蓋傳感區域。LPCVD或CVD工藝用于沉積氮化硅層,該氮化硅層可作為防水層。

下一步是IC封裝。這包括將IC密封在塑料樹脂或金屬外殼中。此過程可保護硅器件免受周圍環境的影響,在某些使用大氣傳輸測量量的MEMS器件中,可能并不總是需要此過程。

沉積:

一些傳感器,特別是MEMS器件,需要沉積薄膜和厚膜材料,以為傳感表面提供所需的特性。例如,對熱輻射的敏感性是通過用鎳鉻合金涂層來實現的。可以使用光刻和濕法化學蝕刻工藝對膜進行局部蝕刻。也可以使用干法物理蝕刻和激光加工。


 /  傳感器的未來展望  /


借助微米和納米技術,可以將傳感器制造成幾乎可以安裝在消費設備中的任何位置,以檢測機器人,汽車甚至人體中的任何運動或應用。在其他應用中,在反恐,貨物追蹤,生物識別等方面,智能傳感器的使用也在增加。最新的傳感器用于汽車中,以防止即將發生的碰撞,并確定要發射的安全氣囊的類型以及其展開的力量和速度。

MEMS在醫療應用中的使用正在增加,包括用于診斷和監視系統的可植入設備和手持設備。展望未來,隨著技術的進步,包括物聯網和可穿戴設備在內的新型傳感器浪潮將在未來幾年內徹底改變電子行業。




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