陸　遙

摘 要:傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一,是當(dāng)前各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展的高技術(shù),是進(jìn)入21世紀(jì)以來優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一。傳感器技術(shù)所涉及的知識領(lǐng)域非常廣泛,其研究和發(fā)展也越來越多地和其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系。文章回顧了傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史,綜述了近幾年高端前沿的光電傳感器技術(shù)和生物傳感器技術(shù)的主要研究狀況,并通過簡述當(dāng)前的應(yīng)用實例,展望了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:傳感器技術(shù) 光電傳感器 紫外告警系統(tǒng) 生物傳感器 傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號:F626.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-4914(2009)09-273-02

一、引言

當(dāng)今社會的發(fā)展,是信息化的發(fā)展。在信息時代,人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)及獲取、傳輸與處理。傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段,是現(xiàn)代科學(xué)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。它是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng))與檢出功能,并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的可輸出信號的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置,一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程所要獲取的信息都要通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號。如果把計算機(jī)比喻為處理和識別信息的“大腦”,把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”,那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù),發(fā)展迅猛,同計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱,許多國家已將傳感器技術(shù)列為與通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)同等重要的位置。

現(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力,擁有廣泛的開發(fā)空間,發(fā)展前景十分廣闊。

二、傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史與回顧

傳感器技術(shù)是在20世紀(jì)中期才問世的。在那時,與計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相比,傳感技術(shù)的發(fā)展落后于它們,不少先進(jìn)的成果仍停留在實驗研究階段,并沒有投入到實際生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用中,轉(zhuǎn)化率比較低。

在國外,傳感器技術(shù)主要是在各國不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的,并在早期多用于國家級項目的科研研發(fā)以及各國軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗研究。然而,隨著各國機(jī)械工業(yè)、電子、計算機(jī)、自動化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,以日本和歐美等西方國家為代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國際市場中逐步占有了重要的份額。

我國從20世紀(jì)60年代開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā),經(jīng)過從“六五”到“九五”的國家攻關(guān),在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長足的進(jìn)步,初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系,并在數(shù)控機(jī)床攻關(guān)中取得了一批可喜的、為世界矚目的發(fā)明專利與工礦監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。但從總體上講,它還不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展,我國不少傳感器、信號處理和識別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。同時,我國傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場競爭力優(yōu)勢尚未形成,產(chǎn)品的改進(jìn)與革新速度慢,生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)少。

三、光電、生物傳感器技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)是邁向信息化社會的嶄新階段。其中,光電信息學(xué)與生物學(xué)的迅猛發(fā)展已成為這一時期科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志,并最有機(jī)會尋求更大的突破與飛躍。傳感器技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的新興學(xué)科,在人類邁向新世紀(jì),步入信息化社會的關(guān)鍵階段想要尋求空前迅速的發(fā)展,很大程度上取決于傳感器在這兩個前沿領(lǐng)域中的深入研究與廣泛應(yīng)用。

1.當(dāng)代光電傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀。器件結(jié)構(gòu)與原理:光電式傳感器(Photoelectric Sensor)是以光為測量媒介、以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器,它具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等卓越特性。近年來,隨著各種新型光電器件的不斷涌現(xiàn),特別是激光技術(shù)和圖像技術(shù)的迅猛發(fā)展,光電傳感器已成為各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件,在傳感器領(lǐng)域扮演著重要角色,在非接觸測量領(lǐng)域占據(jù)絕對統(tǒng)治地位。目前,光電式傳感器已在國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,并發(fā)揮著越來越重要的作用。

光電傳感器的一般組成形式如圖1,主要包括光源、光通路、光電元件和測量電路四個部分組成。

其中,光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件,并負(fù)責(zé)把光信號(紅外、可見及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號。光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,而且有較高的可靠性,因此在自動檢測、計算機(jī)和控制系統(tǒng)中,應(yīng)用廣泛。

光電式傳感器既可以測量光信號,也可以測量其他非光信號;可以實現(xiàn)對直接引起光源變化的被測量進(jìn)行測量,也可以對使光路產(chǎn)生變化的被測量進(jìn)行測量;測量電路對光電器件輸出的電信號進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與應(yīng)用實例。光電傳感器在當(dāng)前科研領(lǐng)域的運用范圍很廣,影響力巨大。尤其是基于光電傳感器技術(shù)原理研發(fā)和制造出的新型光電傳感器已成為當(dāng)今傳感器市場的主流。

在國外,光電傳感器技術(shù)已廣泛地運用到各國軍事技術(shù)、航空航天、檢測技術(shù)以及車輛工程等諸多領(lǐng)域。例如,軍事上,國外激光制導(dǎo)技術(shù)迅猛發(fā)展,使導(dǎo)彈發(fā)射的精度和射中目標(biāo)的準(zhǔn)確性大幅度提高;美國在航空航天領(lǐng)域,研制出了新型高精度高耐性紅外測溫傳感器,使其在惡劣的環(huán)境中仍能高精度測量出運行中的飛行器各部分溫度;國外的城市交通管理也大多運用電子紅外光電傳感器進(jìn)行路段事故檢測和故障排解的指揮;同時,國外現(xiàn)有汽車中常裝載有新型光電傳感器,如激光防撞雷達(dá)、紅外夜視裝置、測量發(fā)動機(jī)燃料特性、壓力變化并用于導(dǎo)航的光纖陀螺等。

目前我國的光電式傳感器在現(xiàn)代研究實力和影響范圍上雖不及日本和歐美一些國家,但卻在研究的種類和樣式上取得重大的突破,總體上可分為光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表、光電式物位傳感器、視覺傳感器以及細(xì)絲類物件的在線檢測。

同時,基于光電傳感器技術(shù)的科技設(shè)備已在我國被廣泛地應(yīng)用于多種軍事領(lǐng)域。其中較為廣泛的應(yīng)屬紫外告警系統(tǒng),它為探測來襲導(dǎo)彈提供了一個極其有效的手段。

紫外告警系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵是紫外探測器。紫外探測器的主要特性是絕對光譜靈敏度,其光譜靈敏度決定于光學(xué)窗材料的透射率、探測器陰極靈敏度和探測器的管子結(jié)構(gòu)。用于紫外告警系統(tǒng)的探測器目前主要有兩類:紫外光電倍增管探測器,以多元或面陣器件為核心的紫外探測器。紫外光電倍增管有分離打拿極紫外光電倍增管,單陽極和多陽極微通道板紫外光電倍增管以及日盲型紫外光電倍增管等多種形式。

紫外告警系統(tǒng)由于性能獨特,現(xiàn)在已成為電子戰(zhàn)技術(shù)開發(fā)的新熱點,開創(chuàng)了新型傳感技術(shù)的又一個頗具影響力與競爭力的領(lǐng)域。目前諸如紫外告警系統(tǒng)的新型光電傳感技術(shù)已成為裝備量最大的來襲導(dǎo)彈告警系統(tǒng)之一。

2.當(dāng)代生物傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀。器件結(jié)構(gòu)與原理:生物傳感器(Biosensor)技術(shù)是指用生物活性材料作為感受器,通過其生化效應(yīng)來檢測被測量的傳感器。生物傳感器的原理主要由兩大部分組成:生物功能物質(zhì)的分子識別部分和轉(zhuǎn)換部分。前者的作用是識別被測物質(zhì),當(dāng)生物傳感器的敏感膜與被測物接觸時,敏感膜上的某種生化活性物質(zhì)就會從眾多化合物中挑選適合于自己的分子并與之產(chǎn)生作用,使其具有選擇識別的能力;轉(zhuǎn)換部分,是由于細(xì)胞膜受體與外界發(fā)生了共價結(jié)合,通過細(xì)胞膜的通透性改變,誘發(fā)了一系列的電化學(xué)過程,而這種變換得以把生物功能物質(zhì)的分子識別轉(zhuǎn)換為電信號,形成了生物傳感器。

國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。生物傳感器的研制和開發(fā)在全球?qū)W術(shù)界都具有巨大的影響力。在國外,現(xiàn)代生物傳感器已被詳細(xì)劃分為酶傳感器、細(xì)胞傳感器、免疫傳感器、基因傳感器等。

酶傳感器,由于酶的純化困難,加之固化技術(shù)影響酶的活性,現(xiàn)代生物傳感技術(shù)中采用:(1)多酶體系利用,即對不同化合物采用不同類型的酶進(jìn)行最大活性的催化反應(yīng),并運用多酶的反饋調(diào)節(jié)可大大節(jié)省原材料并提高工作效率;(2)固定化底物電極,即使玻璃電極附近的PH變化與酶的活性在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系;(3)酶的電化學(xué)固定化,即制作厚度小、酶含量可控的酶層。

細(xì)胞傳感器以活細(xì)胞作為探測單元,能定性定量地測量和分析未知物質(zhì)的信息;并可連續(xù)檢測和分析細(xì)胞在外界刺激下的生理功能。

免疫傳感器是利用抗體對抗原的識別并能與抗原結(jié)合的功能構(gòu)成的生物傳感器,根據(jù)生物敏感膜產(chǎn)生電位的不同,可分為標(biāo)記和非標(biāo)記免疫傳感器。

現(xiàn)代基因傳感器技術(shù)主要應(yīng)用于基因固定的載體表面修飾和基因探針固定化技術(shù)、界面雜交技術(shù)、雜交信號轉(zhuǎn)換和檢測技術(shù)等。

在我國,生物傳感器技術(shù)還處在大規(guī)模的研究階段。然而,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研制的生物傳感器在當(dāng)前的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域還是有著廣泛和重要的用途的。

在生物醫(yī)學(xué)方面,一些有臨床診斷意義的基質(zhì)(如血糖、乳酸、谷氨酰胺等)可借助于生物傳感器來檢測。

在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,生物傳感器在測定環(huán)境污染指標(biāo)BOD(即水質(zhì)受有機(jī)物污染的程度)方面起到了重要的作用,為保證地區(qū)的淡水、飲用水質(zhì)量,有效治理被污染水源等做出了貢獻(xiàn);微生物傳感器用于測定空氣和水中的NH3含量和濃度,在發(fā)酵工業(yè)、整治大氣污染等方面發(fā)揮功效;生物傳感器還可探測除草劑含量,應(yīng)用于植物學(xué)研究和整治農(nóng)藥污染。

在食品工業(yè)中,生物傳感器用于食品鮮度、滋味和熟度的測定,在食品生產(chǎn)和加工過程中起到重要作用;同時,還可測定食品中的細(xì)菌和毒素含量,及時避免人們誤食此類食品而危害健康。

四、現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景

從傳感器技術(shù)的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀可以看出,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及相關(guān)條件的日趨成熟,傳感器技術(shù)逐漸受到了各學(xué)科領(lǐng)域的高度重視。當(dāng)今傳感器技術(shù)的研究與發(fā)展,特別是基于光電通信和生物學(xué)原理的新型傳感器技術(shù)的發(fā)展,已成為推動國家乃至世界信息化產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要標(biāo)志與動力。

由于傳感器具有頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)等動態(tài)特性以及諸如漂移、重復(fù)性、精確度、靈敏度、分辨率、線性度等靜態(tài)特性,所以外界因素的改變與動蕩必然會造成傳感器自身特性的不穩(wěn)定,從而給其實際應(yīng)用造成較大影響。這就要求針對傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),在不同場合對傳感器規(guī)定相應(yīng)的基本要求,以最大程度優(yōu)化其性能參數(shù)與指標(biāo),如高靈敏度、抗干擾的穩(wěn)定性、線性、容易調(diào)節(jié)、高精度、無遲滯性、工作壽命長、可重復(fù)性、抗老化、高響應(yīng)速率、抗環(huán)境影響、互換性、低成本、寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度等。

同時,根據(jù)對國內(nèi)外傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析以及對傳感器各性能參數(shù)的理想化要求,現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢可以從四個方面概括:一是開發(fā)新材料、新工藝和開發(fā)新型傳感器;二是實現(xiàn)傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是實現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化;四是通過傳感器與其它學(xué)科的交叉整合,實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)化。

首先,利用新材料開發(fā)新型傳感器。隨著光導(dǎo)纖維、納米材料超導(dǎo)材料等相繼問世,人工智能材料具有能夠感知環(huán)境條件的變化(傳統(tǒng)傳感器)的功能,識別、判斷(處理器)功能,發(fā)出指令和自采取行動(執(zhí)引器)功能。利用這樣具有新效應(yīng)的敏感功能材料使研制具有新原理的新型傳感器成為可能。

第二,集成化多功能傳感器的開發(fā)。集成化是指傳感器同一功能的多元件并列以及功能上的一體化。前一種集成化使傳感器的檢測參數(shù)實現(xiàn)“點、線、面、體”多維圖像化,甚至能加上時序控制等軟件,變單參數(shù)檢測為多參數(shù)檢測;后一種集成化使傳感器由單一的信號轉(zhuǎn)換功能,擴(kuò)展為兼有放大、運算、補(bǔ)償?shù)榷喙δ艿膫鞲衅?。在實際運用中,常做到硬件與軟件兩方面的集成,它包括:傳感器陣列的集成、多功能和多傳感參數(shù)的復(fù)合傳感器;傳感系統(tǒng)硬件的集成;硬件與軟件的集成;數(shù)據(jù)集成與融合等。多功能是指“一器多能”,即一個傳感器可以檢測兩個或兩個以上的參數(shù)。這樣可大大節(jié)省檢測成本,并使項目復(fù)雜度降低,提高了工作效率。

運用集成化多功能理論研制出的傳感器可以應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域,并發(fā)揮出更加強(qiáng)大的功能效用。利用集成化多功能原理,現(xiàn)代傳感技術(shù)已制成帶溫度補(bǔ)償?shù)募蓧毫鞲衅?頻率輸出型集成壓力傳感器、霍爾集成傳感器、半導(dǎo)體集成色敏傳感器、多維化集成氣敏傳感器等。

在智能化傳感技術(shù)方面,以微處理器為核心單元,具有檢測、判斷和信息處理等功能;硬件上由微處理器系統(tǒng)對整個傳感器電路、接口、信號轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理調(diào)整;軟件上進(jìn)行非線性特性校正,誤差的自動校準(zhǔn)和數(shù)字濾波處理,從而形成傳感技術(shù)的智能化系統(tǒng)。

第三,實現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化。利用集成電路微小型化的經(jīng)驗,從傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)的微小型化中提高其可靠性、質(zhì)量、處理速度和生產(chǎn)率,降低成本,節(jié)約資源與能源,減少對環(huán)境的污染。這種充分利用已有微細(xì)加工技術(shù)與裝置的做法已經(jīng)取得巨大的效益、極大地增強(qiáng)了市場競爭力。

第四,傳感器與多學(xué)科交叉融合,推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。利用微傳感器與微機(jī)械、通信、自動控制、人工智能等多學(xué)科的綜合技術(shù),實現(xiàn)傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)化,使其能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)。

由此可見,現(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力,擁有廣泛的開發(fā)空間?？梢灶A(yù)見,在不久的將來,傳感器技術(shù)會得到更快速的發(fā)展,并應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域,成為人類生產(chǎn)生活中不可或缺的科技產(chǎn)品。

五、結(jié)論

傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一,是當(dāng)前各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展的高技術(shù),是進(jìn)入21世紀(jì)以來優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力,擁有廣泛的開發(fā)空間。

目前,我國在傳感器技術(shù)方面的研究和應(yīng)用實力,與一些發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。因此,國內(nèi)傳感器的研究開發(fā)工作應(yīng)重視基礎(chǔ)性研究;針對中試規(guī)模的新產(chǎn)品,在攻克制造工藝技術(shù)的前提下,進(jìn)行工藝穩(wěn)定性研究及市場應(yīng)用研究;在確定產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠、工藝易于批量化生產(chǎn)、市場應(yīng)用前景廣闊的基礎(chǔ)上,開展產(chǎn)業(yè)化技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化配套技術(shù)研究、可靠性技術(shù)等方面研究;以市場需求為導(dǎo)向,積極調(diào)動各方面力量,以促進(jìn)我國傳感器行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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(作者單位:南京大學(xué)工程管理學(xué)院自動化系 江蘇南京 210000)

(責(zé)編:鄭釗)