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浅谈传感器技术演进

2022-05-19Daniele Valanzuolo 透镜

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随着智能手机中的惯性传感器和工业机器中的 MEMS技术不断发展,这些技术已随处可见。
 引言
 
    传感器曾经推进现有的机械测量技术。然而,在过去的20年里,传感器厂商不断研究创新的测量原理。这些成果能让我们在有线和无线领域用到高集成、低成本的传感器。
 
    针对快速变化的市场,开发出与需求紧密匹配的创新传感器,是一件激动人心的事情,但同时也会遇到很大困难。随着可穿戴设备的迅猛发展以及与智能手机的结合,涌现出了精度更高、功耗更低的微型传感器,此类传感器还支持物联网(IoT)等其他领域的数字化需求。更安全的车辆和自动驾驶技术,已将重点放在雷达和激光雷达技术上。最终,传感器技术将在医疗领域大大提升采集和分析个人健康数据的能力。其中,许多传感器会逐步集成到无线传感器网络(WSN)中。
 
    在过去十年的初期,微机电系统(MEMS)是关注的热点,将芯片技术与机械技术相结合是一项了不起的成就。
 
    一个全新的微型世界产生了很多的创新发明与实验,而当前,这些看似创新的成果已经融入人们的日常生活。随着智能手机中的惯性传感器和工业机器中的 MEMS技术不断发展,这些技术已随处可见。

图1
 
MEMS行业是否已经饱和?
   
       作为一种传感器技术,MEMS无疑是成功的,而且还有提升的潜力。可靠性和环境适应能力是其成功的保证。MEMS持续创新,不仅减小了尺寸、降低了成本,而且还有很大的优化提升空间。此外,已经成熟的技术还会在一些新的领域得到广泛的应用。也许,到2030年可以讨论它未来是否会被淘汰。但就目前而言,MEMS技术仍然是许多公司投入大量研发成本的核心技术之一。
 
    举例来说,ST公司在2019年宣布开发具有高稳定性、高精度以及工业应用所需的化学兼容性的防水MEMS压力传感器LPS33HW。当然,MEMS还有很多有待解决的问题,包括优化制造工艺、开发集成度更高的传感器、解决校准问题和进一步降低功耗等。因此,在主要相关厂商(尤其是在消费电子和汽车领域)的总体市场规划中,MEMS传感器的创新仍然是重要内容。
 
从微观世界进入纳米世界

       如果微观世界中的事情都已完成,那么为什么不进入到纳米级呢?新的研究正在评估纳米和有机技术,以应对极端小型化的挑战。随之而来的可能是具有更高灵敏度以及更好的测量范围选择性和稳定性的传感器。包含这 些挑战的应用之一就是使用纳米FET传感器的医学领域。这些纳米传感器可以集成到细胞中,提供细胞内测量,局部检测活细胞的状态以及与肿瘤或肿瘤相关的其他细胞。凭借近乎一维的半导体纳米结构,利用对电场存在的敏感性来检测分子电荷。 除了nano FETs外,纳米领域基本涵盖了维度小于100nm的所有材料。与传统传感器相比,纳米材料的特点是具有更高的表面积或体积比,改进了光学、机械、电气、结构和磁性能。大量应用将从这些技术中受益,例如:
 
    ◆ 检测气体中的化学成分。这有助于提高化学过程中使用的产品质量,这些产品必须符合质量标准或进行污染监测。
 
    ◆ 改进了基本物理参数的检测。这些通常用于本地测试,例如温度、流量和压力。

        ◆ 植物生物学监测。通常用于监测农业和其他领域 的环境。

    光纤传感器
 
     在过去的十年中,光纤的相关开发激增。此类传感器具有独特的特性(例如几何通用性、高灵敏度、抗电噪声、电绝缘、温度),通常适合在腐蚀性或压力的环境中使用。一般来说,这些传感器分为两大类:幅度传感器和干涉仪(相位传感器)。幅度传感器对通过光纤相互作用的物理变化很敏感,这种测量技术的简单性使其非常适合在复杂环境下使用;而干涉仪依赖于高精度,需要基于几何通用性,几乎可以测量到接近理论水平的微小变化量。尽管光纤技术取得了重大进展,但在应用、降噪和涂层优化方面仍有很大的发展空间。

    3D传感器
 
    摄像机如今无处不在,我们很少考虑摄像机的2D渲染如何消除3D世界的某个维度。
自从与游戏机结合使用以来,捕捉第三维度的传感器的技术能力一直在发展。与普通相机不同,3D传感器额外获取和存储深度信息。从架构上看,3D可分为以下几类(如图1所示):
 
    ◆ 使用光源照射物体(例如激光),使用标准2D 传感器获取数据。深度测量是利用三角测量算法以及反射光来计算的。
    ◆ 飞行时间(ToF)传感器,可根据光发射与其检测之间的时间延迟(照明光束的飞行时间)估计环境深度。
 
    ◆ 通过两个偏移室的立体视觉来复制人类的视觉。

3D传感器分类
图1 3D传感器分类

       3D传感器广泛用于自动驾驶、监控领域和工业制造中的物体检测等场景。此类传感器在鲁棒性方面存在一系列挑战,包括由其他光源或昼/夜采集引起的干扰、温度范围变化,以及反射表面的变化。
 
防水传感器
 
    海洋探索伴随着尖端和成熟的传感技术。随着对环境问题的日益关注,可以帮助研究气候变化、污染和可持续性的传感器越来越受到关注。这些传感器必须是防水的,并且能够在海洋深处的高压下运行。科学团队还提议在海底开发传感器网络。不过,这些想法面临着一系列挑战,首先是水下数据交换。迄今为止,声学技术的发展在带宽、多路径现象和影响延迟方面仍受到明显限制。

      此外防水传感器网络供电仍然是一个悬而未决的问题。哪些传感器可以应用在海底呢?目前,有一系列低成本传感器可以测量系统中的传统参数,例如压力、温度或亮度。然而,这一测量领域还需要专门的传感器来评估水的浊度,以及观察海底物体的声纳、二氧化碳传感器和荧光计等。
 
   IO-Link标准
 
    如果不能采集分析数据,那么所有的传感器都将失去价值。虽然无线传感器在物联网领域越来越流行,但在工业应用领域脱颖而出的仍然是有线的IO Link。目前几乎所有传感器制造商都提供配备这种双向通信总线的智能传感器。它的流行源于对经典I/O的支持,需要有一个主设备(通常是 PLC)来智能地查询可用的传感器。IO-Link标准连接器和引脚排列如图2所示。

IO-Link标准连接器和引脚排列
图2 IO-Link标准连接器和引脚排列
 
    IO-Link解决了与模拟传感相关的常见问题,例如信号干扰和EMC兼容性。这种数字技术还可以实现更简 单的布线安装。兼容性确保IO-Link传感器既可用于现有设备,也可以支持复杂的工业4.0。
 
无线传感器网络(WSN)

       近年来无线传感器网络(WSN)因其在细分市场中的通用性而备受关注。无线传感器网络示意图如图3所示。由于案例范围广泛,对无线传感器网络(WSN)功能的研究还在进行中。其中,大部分都集中在功耗和通信上,例如大气对通信可靠性的影响。针对不同的项目应用,物理尺寸和重量也很重要。

无线传感器网络示意图
图3 无线传感器网络示意图
 
    鉴于无线传感器网络可以覆盖广阔的领域,在监测环境 (陆地和海)以及跟踪野生动物(或养殖动物)的健康状况方面得到了广泛的应用。面临的技术挑战是:在丢失一个或多个节点的情况下,仍然保持无线通信的服务质量(QoS)。

    未来有哪些挑战?

     传感器是新数字时代必不可少的元素,广泛应用于工业、电子医疗和环境应用等专业领域,以及休闲、可穿戴、自动驾驶和游戏领域。事实上,传感器的使用可以被视为技术对美好世界的贡献,在电子医学、灾害预防、优化制造等领域都有广泛应用。
 
    传感器的研发正在不断推进,目的是推出适应不同传感需求的创新解决方案。我们正在研发更小、更专的传感器,以覆盖更广阔的领域,并在极端条件(例如水下、存在污染物和腐蚀性化学物质的环境等)下 运行。
 
    除此之外,从消费电子到汽车电子,再到可穿戴设备,在低功耗、低成本等方面也面临着一定的挑战。事实上,传感器将继续融入人们的日常生活,为我们的健康和安全做出巨大贡献,并推动外部环境的不断完善。
 
   本文最初由Elet-tronica Open Source以意大利语发表 (https://it.emcelet- tronica.com),由透镜授权编译。
    
       来源:《单片机与嵌入式系统应用》2022年第3
责任编辑:杨培
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