從1974年誕生的中國第一個實(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)展不斷推動傳感器技術(shù)的進(jìn)步。同時，全球基礎(chǔ)元器件市場的增長推動了整機(jī)制造技術(shù)水平的全面提升，傳感器市場正在以持續(xù)穩(wěn)定的增長之勢向前發(fā)展。據(jù)預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上，其中中國傳感器市場的增長率超過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，各種多樣化應(yīng)用對傳感器設(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，以及多樣化應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來的挑戰(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
- 自動跟蹤聚焦式太陽能光伏發(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)化趨勢發(fā)展。其中，汽車傳感器無疑是受技術(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)簡單、功耗低等特性，推動了它們在汽車壓力、液位、濕度測量方面的應(yīng)用，由此電容傳感器在汽車中的應(yīng)用數(shù)量大幅增長。同時，電容傳感器結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等突出的優(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。
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成本的不斷下降也是傳感器贏得廣闊應(yīng)用市場的另外一個重要因素，以MEMS傳感器為例，它的主要優(yōu)勢在于體積小、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上脫穎而出。如洗衣機(jī)的馬達(dá)轉(zhuǎn)動常常造成機(jī)身抖動，導(dǎo)致噪聲提高壽命降低，而MEMS可有效感知出機(jī)身震動情況，將信號反饋給控制器以調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而使設(shè)備保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)，延長使用壽命。
據(jù)IC Insight最新報告預(yù)計(jì)，在2007年至2012年間，全球基于MEMS的半導(dǎo)體傳感器和制動器的銷售額將達(dá)到19%的年均復(fù)合增長率，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)過程控制傳感器；環(huán)保工程中所需各類傳感器的需求會愈加旺盛，尤其是我國投入4萬億元用于基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目以及應(yīng)對國際金融危機(jī)采取的防范措施等重點(diǎn)工程，無疑會大幅度促進(jìn)傳感器產(chǎn)業(yè)的需求增長，其中農(nóng)業(yè)、環(huán)保、醫(yī)療衛(wèi)生以及儀器|儀表檢測用傳感器將是廣闊的新市場。
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多樣化應(yīng)用帶來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
由于元器件變得越來越復(fù)雜，工程師們需要更加專業(yè)的知識才能使元器件應(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)。
過去單一功能的傳感器件也越來越多被具有信號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處理問題，因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鲆话愣际切⌒盘枺瑢⑵渚_的放大到所需要的信號(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的某些問題，即抗干擾問題，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(即地線的路徑問題)
- 外部產(chǎn)生(即電源頻率的干擾)
接口電路的防干擾問題是得到高質(zhì)量信號的重要措施之一，傳感器的輸出信號越低，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大，又會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)容請點(diǎn)擊：傳感器接口電路的抗干擾設(shè)計(jì)
另一個挑戰(zhàn)是節(jié)約能源的需求，該要求意味著越來越多的過去曾經(jīng)采用機(jī)械控制的應(yīng)用場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完成。
延伸閱讀：高度集成電流傳感器應(yīng)對電力系統(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)。如最近一段時間，傳感技術(shù)開始用于檢測和優(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：自動跟蹤聚焦式太陽能光伏發(fā)電技術(shù)
低碳經(jīng)濟(jì)的概念正在滲入到各個行業(yè)，以環(huán)保、節(jié)能、高效為特征的需求，將會為新型元器件和傳感器行業(yè)迎來一個發(fā)展新機(jī)遇!
