No009 专题:日本太空开发
连载02 将彻底改变生活和社会活动的传感器革命
系列报告

第三次会议
先进的传感器技术

 

  • 2015.11.02
  • 作者:伊藤元明

“检测用户意图的传感器”将使电子设备使用起来更加直观,而“测量条件和情况的传感器”将成为下一代信息系统的重要组成部分,将彻底改变人们的生活和社会活动。目前,扮演这些新角色的传感器往往是在现有传感器的基础上开发的。如果能够使用全新开发的、符合新应用所需的功能、性能和特性的传感器,那么可以肯定的是,应用的开发和普及将进一步加速。在该系列的第三部分中,我们将引用具体的开发示例,介绍有可能进一步扩展传感器应用的新型传感器技术的趋势。

传感器具有开发者应该追求的基本原则。它们体积小、功耗低、易于维护且价格低廉,您甚至不会注意到它们存在于内置的系统中。大量存在的传感器自然会限制它们可以集成的系统和它们可以使用的场景。

“检测用户意图的传感器”和“测量状态和情况的传感器”现在正在创建具有新概念甚至新颖商业模式的设备和服务。与此同时,有必要设计出一些方法来使整个系统的存在不那么引人注目,不仅包括检测自然现象的传感器设备,还包括转换/处理、识别/分析和解释信息的电子电路,以及将信息发送到外部设备的通信功能。

同时,增加可检测的信息类型也将导致应用范围的扩大。过去传感器的发展目标是精确测量温度、加速度和压力等基本物理量。近年来,人们已经可以通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉五种感官来量化人类的感知,并将其用于分析和控制。现在,超感官传感器的开发已经取得了进展,这些传感器的能力超过了人类的五种感官,以及可以量化化学、生物和医学现象的传感器。

MEMS 是传感器革命背后的驱动力

首先,我将介绍创建不显眼传感器的技术。自20世纪90年代以来,MEMS(微机电系统)一直是对传感器应用扩展做出最大贡献的技术。该技术因用于智能手机麦克风和数码相机用于图像稳定的陀螺仪(检测旋转)和加速度(检测线性方向)传感器而闻名。 MEMS 已成为制造不起眼传感器的重要技术。

MEMS 是一种制造微米或纳米级微小机械零件的技术和产品。它们用于各种电子元件,包括数码相机抖动校正中使用的加速度传感器、控制投影仪上图像的镜子装置以及移动电话中的高频开关。在本文中,我们将讨论如何创建微型机械零件,例如摆锤和杠杆,并通过检测将它们组合为电容、电阻等变化的机器运动,将它们用作传感器。

许多电子设备中使用的应变传感器和温度传感器根据检测信息的原理可以归类为物理性质传感器。它利用膨胀系数、导磁率、电阻率等材料特性,以及特定材料中出现的压电效应、光电效应等现象,将自然现象转化为电信号。另一方面,MEMS传感器又分为另一种类型,称为结构型传感器。尺寸、形状和结构,而不是构成传感器的材料的特性,决定了传感器的功能和性能。一般来说,结构传感器具有易于实现高灵敏度和稳定特性的特点。

MEMS是通过应用微细加工技术制造的,该技术不断发展到半导体器件制造技术的极致。与半导体器件一样,可以通过小型化和批量生产来降低成本。此外,由于 MEMS 和半导体器件是在同一硅晶圆上制造的,因此可以将它们集成在一起,将传感器和电子电路集成到单个芯片上。

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