传感器发展通史简述

 导读：传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱和物联网基础，其应用涉及国民经济及国防科研的各个领域，是国民经济基础性、战略性产业之一。当前倍受国际关注的物联网、大数据、云计算技术，乃至智慧城市中的各种技术实现，对于传感器技术的需求也是巨大。
美国首先进入传感器时代

科技，让人类的能力圈不断扩大。如果说，机械延伸了人类的体力，计算机延伸了人类的智力，那么，无处不在的传感器，大大延伸了人类的感知力。

早在20世纪80年代，美国就宣称世界已经进入了传感器时代。早在20世纪80年代初，美国就成立了国家技术小组（BGT），帮助政府组织和领导大公司、国有企业和机构的传感器技术的发展。在保护美国武器系统质量优势的关键技术中，有八项是被动传感器。2000年，美国空军列举了15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，其中传感器技术排名第二。

美国的发展模式遵循先军工后民用、先改进后普及的发展道路，其特点是显著的：

（1）重视传感器功能材料的研究；

（2）重视传感器技术的发展。美国霍尼韦尔公司的固态传感器开发中心每年投资5000万美元在设备上，目前拥有计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器、分步重复摄影、自动喷漆。最先进的成套设备和生产设备。每三年左右更新n条线路，例如胶和光刻、等离子体蚀刻、溅射、扩散、外延、蒸发、离子注入化学气相沉积、扫描电子显微镜、封装和屏蔽动态测试。只有这样，才能保证技术的领先水平。

（3）重视工艺研究：传感器的原理不难，也不保密，最机密的是工艺（制造）。许多评价传感器不是一般的工业产品，而是完美的工艺杰作。在美国，大约有1300家生产和开发传感器的制造商，以及100多个研究所和学院。

传感器，不是 KOC 那种的新造词，而是一个非常传统的常用词汇，大家在新华词典中就可以轻松找到。英文称 Sensor 或是 Transducer。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。

简单来说，传感器就是一种检测装置，通常由敏感元件和转换元件组成，可以测量信息，也可以让用户感知到信息。通过变换方式，让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器技术发展经历的三个历史阶段

“传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣表明，人类在计算机的时代，解决了大脑的模拟问题，相当于用0和1实现了信息的数字化，利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代，开始模拟五官。

传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器，功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说，是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

传感器的发展，最早是来自工业自动化的推动。

出于提高效率的目的，工业生产开始由中央控制室控制各个生产节点上的参量，包括流量、物位、温度和压力四大参数，催生了传感器的发展。这个趋势从上世纪70年代开始，到现在也是传感器应用最多的一种形式。

清华大学精密仪器系教授董永贵表示，在传感器这一概念“出现”之前，早期的测量仪器中其实就有传感器，只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以，中国在1980年以前，介绍传感器的教科书叫做“非电量的电测量”。

传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后，传感器从整套仪器系统中独立出来，单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。

传感器的发展经历了三个阶段：

第1代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如：电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

第2代传感器是70 年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。

70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展， 出现集成传感器。集成传感器包括2种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如：电荷耦合器件（CCD），集成温度传感器AD 590，集成霍尔传感器UG 3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速，现已占传感器市场的2/ 3 左右，它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。

第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

目前国际上缺乏制定国际标准的准则与规范，尚未制定出权威性的传感器标准类型。只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。

物理传感器应用的是物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。化学传感器则是以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。近年来，出现了利用各种生物特性做成的生物型传感器，用以检测与识别生物体内化学成分。

例如，物理传感器有：声、力、光、磁、温、湿、电、射线等等；化学传感器有：各种气敏、酸碱PH值、离子化、极化、化学吸附、电化学反应等现象等等；生物传感器有：酶电极和介体生物电等等。在产品用途和形成过程中的因果关系互相咬合，既不能划分到物理类，也不能划分为化学类，难以严格划分。
另外，用传感器分类和命名方式，主要有以下几种类型：

（1）按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

（2）按传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。

（3）按照供电方式可分为有源或无源传感器。

（4）按其输出信号可分为模拟量输出、数字数字量输出和开关量传感器。

（5）按传感器使用的材料可分为：半导体材料；晶体材料；陶瓷材料；有机复合材料；金属材料；高分子材料；超导材料；光纤材料；纳米材料等传感器。

（6）按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。

（7）按照其制造工艺，可分为机械加工工艺；复合与集成工艺；薄膜、厚膜工艺；陶瓷烧结工艺；MEMS工艺；电化学工艺等传感器。

不过，“模拟人的五官”，只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的，还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉，包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉，从传感器的角度来看，大部分不是很成熟。

“视觉、听觉可认为是物理量，相对好一些，触觉就比较差一些，至于嗅觉及味觉，由于涉及到生物化学量的测量，工作机理比较复杂，远未达到技术成熟的阶段。”他说。

传感器的市场，其实是由应用推动的。比如，化学工业中，压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中，转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟，对汽车工业的需求拉动功不可没。