MEMS传感器发展前景分析
2011-07-20
从微处理器带来的数字化革命到虚拟仪器(VXI)的飞速发展，对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高，传统传感器已不能适应多种测试要求，随着微处理智能技术和微机械加工技术在传感器上的应用，智能传感器(SmartSensor)诞生了。
目前，国际传感器领域已对“SmartSensor”定义形成了基本共识，但中文译法尚未形成定论，本文所用的'智能传感器'一词属个人引用。智能传感器从其功能来说是具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，内部可实现自检、自校、自补偿、自诊断" title="自诊断">自诊断、具备以上部分功能或全部功能的器件。
从使用的角度，传感器的准确度、稳定性和可靠性是至关重要的。长期以来研究工作大都集中在硬件方面，虽然人们不断利用新材料研制敏感器件，改进传感器芯片的制造工艺方法来提高芯片的质量以及通过外电路补偿方法来改善传感器的线性度、稳定性和输出漂移，但都没有根本性的突破。
七十年代，微处理器举世瞩目的成就带来了数字化的革命，对仪器仪表的发展起了巨大的推动作用。如九十年代的虚拟仪器(VXI)飞速发展，使以微型计算机为基础的测控系统都需要传感器来提供赖以作出实时决策的数据。随着系统自动化程度的提高和复杂性的增加，对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高。传统的传感器因其功能单一、性能不适应、不能满足多种测试要求，为此人们利用微处理器智能技术用于传感器。八十年代末期，人们又将微机械加工技术应用到传感器，从而产生新概念传感器“SmartSensor”--智能传感器。
可实现的功能
智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。
1.复合敏感功能----我们观察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移，等等。
2.自补偿和计算功能----多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样，放宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的测量结果。
3.自检、自校、自诊断功能----普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。
对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观，首先自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。
4.信息存储和传输----随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。
智能传感器的集成化
由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上，而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点：较高信噪比：传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送，就可大大改进信噪比。改善性能：由于传感器与电路集成于同一芯片上，对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准，又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。信号规一化：传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化，又通过模数转换成数字信号，微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化，如串行、并行、频率、相位和脉冲等。
微机械加工技术与软件
智能传感器的制造基础是微机械加工技术，将硅进行机械、化学、焊接加工，再采用不同的封装技术来封装，近几年又发展了一种LIGA工艺(深层X射线光刻电镀成敏膜)用于制造传感器。
智能传感器一般具有实时性很强的功能，尤其动态测量时常要求在几微秒内完成数据采集、计算、处理和输出。智能传感器的一系列功能都是在程序支持下进行。如功能多少、基本性能、方便使用、工作可靠，大都在一定程度上依赖于软件设计和其质量，这些软件主要有五大类。包括标度换算、数字调零、非线性补偿、温度补偿、数字滤波技术。国内外的应用状况
十几年前，美国Honeywell公司研制第一只智能传感器。它是将硅敏感元件技术与微处理器的计算、控制能力结合在一起，建立了新的传感器概念。目前智能传感器多使用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量。如美国Honeywell公司的ST3000系列全智能变送器，德国Strohrmann公司的二维加速度传感器等。
目前智能传感器系统本身都是数字式的，但其通信规定仍采用4～20mA的标准模拟信号。国际上有关标准化研究机构正在积极推出国际规格的数字标准(现场总线)。在现在的过渡阶段采用了HART协议(HighwayAddressableRemoteTransducer，寻址远程传感器数据线)。这是一种智能传感器的通信协议，与现有的4～20mA的系统兼容，模拟与数字可以同时进行通信。这样使不同生产厂家的产品具有通用性。
我国智能传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于八十年代中期，八十年代末中国国防科技大学、北京航空航天大学、浙江大学等大专院校相继报道了研究成果。
九十年代初，国内几家研究机构采用混合集成技术成功的研制出实用的智能传感器，标志着我国智能传感器的研究进入了国际行列，但是与国外的先进技术相比，我们还有较大差距。主要在：1、先进的计算、模拟和设计方法，2、先进的微机械加工技术与设备，3、先进的封装技术于设备，4、可靠性技术研究等方面。所以加强技术的研究和引进先进设备，提高整体水平是我们今后努力的方向。
今后几年中，智能传感器将扩展到化学、电磁、光学和核物理等领域，可以预见，越来越多的智能传感器将会在我国国民经济的各个领域发挥作用。