從1974年誕生的中國第一個實用壓阻式傳感器開始，到目前應用火熱的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）傳感器，微電子技術的發(fā)展不斷推動傳感器技術的進步。同時，全球基礎元器件市場的增長推動了整機制造技術水平的全面提升，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)預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上，其中中國傳感器市場的增長率超過15%。
技術進步和成本下降為傳感器設計應用帶來更靈活空間，節(jié)省空間和降低成本，傳感器智能化和微型化的發(fā)展趨勢為整機產(chǎn)品實現(xiàn)差異化功能提供可能；另一方面，隨著低碳經(jīng)濟對新型能源和節(jié)能減排的要求，更高效率和更精準控制的傳感技術獲得新應用，傳感器產(chǎn)品的應用領域不斷拓展，出現(xiàn)在更多之前未曾涉及的領域，如新能源中的風力發(fā)電/光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
同時，各種多樣化應用對傳感器設計的不同需求，給工程師設計和應用帶來挑戰(zhàn)，需要考慮不同環(huán)境下的整體設計，包括可靠性/抗干擾等技術問題，并且不能影響日益嚴格的質(zhì)量與成本目標。
本期半月談為工程師帶來傳感技術的最新進展和應用新理念，從下面七點闡述了低碳經(jīng)濟需求下傳感器向智能化/微型化的發(fā)展趨勢，以及多樣化應用設計帶來的挑戰(zhàn)；幫助工程師了解在風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)中傳感器的最新應用等。
- 電容傳感器在汽車/太陽能熱水器中的應用
- MEMS在智能家電中的特性化應用
- 氣體傳感器在石油化學工業(yè)氣體中的應用
- 傳感器接口電路的抗干擾設計
- 高度集成電流傳感器應對電力系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)
- 風力發(fā)電應用中的光纖傳感器
- 自動跟蹤聚焦式太陽能光伏發(fā)電技術
技術進步/成本下降拓展廣闊應用
引進新技術發(fā)展新功能是傳感器的最大特點，設計優(yōu)化和封裝制程更新?lián)Q代等因素推動傳感器技術的進步。各類傳感器技術向著微型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡化趨勢發(fā)展。其中，汽車傳感器無疑是受技術進步影響最大的領域，技術的進步促進了各種傳感器在汽車上的廣泛應用，不在僅僅單純用于發(fā)動機上，巳擴展到底盤、車身和燈光電氣系統(tǒng)上，擔負著測量溫度、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為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴格等特點，很少用于汽車電子之中，隨著微處理器技術的不斷進步，電容式傳感器技術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、濕度測量方面的應用，由此電容傳感器在汽車中的應用數(shù)量大幅增長。同時，電容傳感器結構簡單、動態(tài)響應快、易實現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點，使得它在其他領域也大顯身手，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，目前主要應用在汽車和消費電子兩大領域。
隨著MEMS傳感器加工成本降低，目前用于消費電子產(chǎn)品的MEMS IC的批量單價在1至1.50美元的水平，其應用范圍已從各種便攜式設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產(chǎn)品具備差異化功能而在市場上脫穎而出。如洗衣機的馬達轉動常常造成機身抖動，導致噪聲提高壽命降低，而MEMS可有效感知出機身震動情況，將信號反饋給控制器以調(diào)節(jié)馬達轉速，從而使設備保持高效運轉，延長使用壽命。
據(jù)IC Insight最新報告預計，在2007年至2012年間，全球基于MEMS的半導體傳感器和制動器的銷售額將達到19%的年均復合增長率，2012年后將實現(xiàn)97億美元的年銷售額。
延伸閱讀：微機電運動傳感器淺談
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4萬億元用于基礎建設項目以及應對國際金融危機采取的防范措施等重點工程，無疑會大幅度促進傳感器產(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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多樣化應用帶來設計挑戰(zhàn)
由于元器件變得越來越復雜，工程師們需要更加專業(yè)的知識才能使元器件應用最優(yōu)化。在傳感器的設計中，更大的壓力來自于各種應用的不同需求，設計人員必須考慮應對不同環(huán)境下整體設計，并且不能影響日益嚴格的質(zhì)量與成本目標。
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，使得設計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計，凡是傳感器接口電路都存在小信號處理問題，因為傳感器的輸出一般都是小信號，將其精確的放大到所需要的信號(如0～5V)，并能達到所需要的技術指標，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，再進一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應用之前，有必要進行討論。
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，工程師在實際運用中應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。
更詳細內(nèi)容請點擊：傳感器接口電路的抗干擾設計
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)采用機械控制的應用場合將改變成全電子控制，由此提供更高的可靠性、改進的調(diào)節(jié)功能以及更高的能源效率。尤其是能源效率或“綠色”設計的需要。
一個典型的案例就是家用電器，比如洗衣機，用戶要求高效率并便于操作，這促使制造商采用新型電機控制技術，由此帶來的是新型傳感器的開發(fā)和應用需求。在空調(diào)設備中，更多變頻控制可以更準確地控制溫度以及大幅度地降低噪音，更精細調(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對電力系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)
低碳經(jīng)濟催生傳感器應用新理念
21世紀，低碳經(jīng)濟的浪潮不可抵擋，節(jié)能減排與新能源成為各國政府重點發(fā)展的領域，細分到我們所熟悉的與傳感器相關的行業(yè)，則包括了核電、風電、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，傳感技術開始用于檢測和優(yōu)化風力發(fā)電風輪系統(tǒng)，通常在風輪組裝的時候安裝在風輪上。
作為發(fā)展最快的能源技術，風輪的尺寸越來越大。又安裝在比較遙遠的地點。監(jiān)視工程師需要實時了解這些風輪的狀態(tài)，因此傳感技術的應用將幫助工程師及時了解信息和進行遠程控制。
延伸閱讀：風力發(fā)電應用中的光纖傳感器
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中方位和仰角太陽傳感器，風力傳感器，日光開關三種傳感器構成了日光跟蹤器。
延伸閱讀：自動跟蹤聚焦式太陽能光伏發(fā)電技術
低碳經(jīng)濟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)展新機遇!
