最新传感器的常见类型有哪些

2020年最新的传感器，包括用于物联网和可穿戴设备的传感器，它们将很快改变电子行业。不论是检测病人蛋白质水平的无声心脏病检测器，还是警告纠正乘员坐姿错误的椅子，这两种创新方案都是近期发明的。而传感器在电子设备中起着至关重要的作用。事实上，随着科学技术的进步，传感器的应用也在不断扩展。

根据行业报告，与计算机和通信设备市场相比，传感器正在成为最大和增长最快的市场。您会在智能手机，汽车，安全系统甚至咖啡壶等日常物品中找到传感器！除消费类电子产品外，传感器也是物联网（IoT），医疗，核能，国防，航空，机器人技术和人工智能，农业，环境监测和深海应用的组成部分。

一、传感器正走向智能化

基本上，传感器是一种接收信号或刺激并对其作出响应的输入设备。如今，某些传感器在单个硅芯片中集成了许多传感元件和读出电路，从而提供了高精度和多种功能。与此同时，制造商使用先进的技术和方法进行信号处理和转换。

最新的传感器具有更多功能，包括用户友好性，可访问性和灵活性等。因此，通过集成新技术使传感器更加智能化，传感器行业发生了巨大的转变。

普通传感器仍在许多应用中使用。但是微电子学（MEMS）的创新和进步正在将传感器技术提升到一个全新的水平。普通传感器的功能已通过多种方式扩展，现在提供了许多其他属性。最新的传感器变得越来越智能，提供更高的精度，灵活性和易于集成到分布式系统中的能力。

智能传感器使用标准总线或无线网络接口相互通信，或与微控制器（MCU）通信。网络接口使数据传输更加容易，同时也扩展了系统。制造商可以诊断传感器故障，并指导用户通过计算机网络进行远程故障排除。

智能传感器可能由一系列模拟和数字模块组成，每个模块都提供特定的功能。数据处理和模数转换（ADC）功能有助于提高传感器的可靠性和测量精度。智能传感器的典型结构如图1所示。

图1：智能传感器结构

二、最新传感器的常见类型

由于使用的技术（模拟/数字）和应用的不同，如今传感器种类繁多。下面将会介绍一些2020年最新的传感器，包括物联网传感器，污染传感器，RFID传感器，图像传感器，生物识别传感器，印刷传感器以及MEMS和NEMS传感器。

①、物联网传感器

物联网传感器包括温度传感器，接近传感器，压力传感器，RF传感器，热释电IR传感器，水质传感器，化学传感器，烟雾传感器，气体传感器，液位传感器，汽车传感器和医疗传感器等。

这些最新的传感器连接到计算机网络以进行监视和控制。物联网系统使用传感器和互联网，以其独特的灵活性提供增强的数据收集，自动化和操作，从而在整个行业中得到了广泛的应用。

物联网传感器的全球市场在2015年达到73亿美元。预计到2021年将从2016年的近106亿美元增长到478亿美元，在2016-21年期间每年以35％的速度增长。物联网传感器的亚太市场预计将从2016年的30亿美元增长到2021年的140亿美元，从2016年到2021年的复合年增长率为36.1％。

②、污染传感器

空气污染传感器用于检测和监视周围区域的空气污染，包括室内和室外环境。尽管存在各种类型的空气污染传感器，但这些传感器中的大多数都集中在五个参数上：颗粒物，臭氧，一氧化碳，二氧化硫和一氧化二氮。空气污染传感器一般比较昂贵，但普通用途的不算太贵。

市场上有能够检测直径在2.5至10μm（PM10）之间且直径小于2.5μm（PM2.5）的颗粒物的传感器。图2显示了一个典型的PM传感器，它在爱好者和实验人员中很流行。

③、RFID传感器

可以将稻米大小的RFID芯片（图4）直接插入皮肤下，用作ID卡。在包括非接触式银行卡和Oyster卡在内的许多产品中，都有使用RFID芯片的趋势。在某些情况下，将芯片植入宠物和牛中进行监视。

图4：颗粒大小的RFID芯片

④、穿戴式传感器

最新的穿戴式传感器包括医疗传感器，GPS，惯性测量单元（IMU）和光学传感器。利用现代技术和微型电路，可穿戴式传感器现在可以部署在数字健康监控系统中。

传感器还集成到各种配件中，例如衣服，腕带，眼镜，耳机和智能手机。IDTechEx的一份报告预测，到2022年，光学，IMU和GPS传感器将在传感器市场上占据主导地位（图5）。

图5：可穿戴图表

穿戴式应用和物联网有望推动全球传感器市场实现两位数的增长。由于制造成本的降低和传感器的低功耗，大多数传统的有线连接将被无线传感器取代，并在将来集成到无线网络中。

⑤、光学图像传感器

智能手机相机是图像传感器的最佳示例——图像传感器检测并传送构成图像的信息。数字成像正在迅速取代模拟成像，如今大多数数码相机使用CMOS传感器，以实现更快的速度和更低的功耗。

⑥、生物识别传感器

最常见的生物识别传感器是指纹模块。R30x指纹模块在爱好者和实验者中非常流行。高通公司的指纹传感器包括用于显示屏，玻璃和金属的传感器，方向手势的检测以及屏下指纹匹配和设备唤醒的传感器。

⑦、印刷传感器

印刷在柔性基板上的传感器正变得越来越流行。下一代打印传感器将支持从人机界面到环境传感的各种应用。IDTechEx报告预测，到2027年，全印制传感器市场将达到76亿美元。

印刷传感器的结构非常简单，只有几个电极，而其他传感器则更为复杂，需要多层沉积。它们的共同点是能够在塑料基板上制造，这在机械柔韧性，厚度和重量减轻方面均具有优势。

⑧、超声波传感器

超声波传感器通过发出超声波来测量目标物体的距离，并将反射的声音转换为电信号。 超声波的传播速度快于声音的传播速度，并产生了结果。

⑨、无源红外传感器

无源红外传感器测量从其视场中的物体发出的红外（IR）光。

⑩、湿度传感器

湿度传感器（或湿度计）可感测，测量并报告湿度和空气温度。空气中的水分与特定空气温度下的最高水分之比称为相对湿度。相对湿度成为寻找舒适性时的重要因素。

⑪、微机电系统

微机电系统（MEMS）由1至100微米之间的组件大小组成。最值得注意的元素是微传感器和微致动器。

在集成微电子的控制下，MEMS设备的范围从简单的结构到具有多个移动元件的极其复杂的机电系统，一应俱全。换句话说，MEMS传感器是一种精密设备，其中机械零件和微型传感器以及信号调节电路都制造在一小片硅芯片上。

通常，MEMS在一个封装中由机械微结构，微致动器，微传感器和微电子组成。图7示出了MEMS装置的框图。

图7：MEMS设备的框图

微型传感器通过测量热，化学，电气或机械信息来检测系统环境的变化。这些变量由微电子器件处理，然后微致动器根据环境的变化起作用。

市场上可用的一些常见类型的MEMS传感器是：

1. MEMS加速度计。这些用于测量加速度的静态或动态力。主要类别是硅电容式，压阻式和热加速度计。

MEMS加速度计用于智能手机中的各种控制，包括横向和纵向模式之间的切换，防模糊捕获和袖珍模式操作。

2. MEMS陀螺仪。这些检测物体的角速度。MEMS陀螺仪用于带有方向盘传感器和侧翻检测的车辆稳定性控制。

3. MEMS压力传感器。这些传感器测量三种类型的压力：表压，绝对压力和压差。该传感器在集成芯片上集成了隔膜和一组电阻器，因此可以将压力检测为电阻变化。这些传感器用于汽车，航空航天，医疗，国防和工业应用。

在汽车系统中，它们被广泛用于油压传感器，碰撞检测，燃料箱蒸气压力监测，废气再循环，发动机管理系统等。

4. MEMS磁场传感器。这些传感器检测和测量磁场，并在位置感应，电流检测，速度检测，车辆检测，太空探索等方面得到应用。

5. 磁通门传感器。磁通门传感器用于测量直流或低频交流磁场。这些发现有许多应用，例如空间研究，地球物理，矿物勘探，自动化和工业过程控制。基于MEMS的磁通门传感器在功耗，体积和性能方面均优于其他磁通门传感器。

⑫、NEMS

纳米机电系统（NEMS）是一类类似于MEMS的设备，但属于纳米级。这些是MEMS器件之后的下一个小型化步骤。纳米谐振器和纳米加速度计是NEMS的示例。

通常，NEMS依赖于碳基材料，包括金刚石，碳纳米管和石墨烯。他们最有前途的应用之一是生物学和纳米技术的结合。纳米谐振器将在无线通信技术中找到应用，而纳米电机则可用于生物芯片或传感器的纳米流体泵中。

三、传感器的材料

确切的传感器材料取决于其类型和应用。例如，数字，模拟，接近和图像传感器都具有自己的材料，结构，制造技术和包装。大多数制造商通常采用最新的传感器（如MEMS）的材料和制造技术。电子产品中使用的材料主要起着两个作用——发挥主动或被动的作用。

被动材料：

被动材料用于提供机械结构或电气连接。这些材料中的某些材料（如硅和砷化镓）也可以用作有源和无源材料。

活性物质：

活性物质对于微电子，光敏，压电，磁阻和化学电阻膜的传感过程至关重要。薄膜或厚膜形式的微传感器材料在传感系统中起着积极的作用。这些设备使用化学气相沉积（CVD）或低压化学气相沉积（LPCVD）以及特殊技术（例如电化学沉积）制造。

硅：

元素硅在自然界中不存在，但存在于氧化物和硅酸盐等化合物中。硅是丰富的，相对便宜的，并且具有许多可用于传感器应用的物理特性。可以在硅衬底上沉积具有所需特性的材料层。单晶硅是使用最广泛的半导体材料。

多晶硅：

可以通过用氧化物真空沉积到氧化的硅晶片上来形成多晶层。多晶硅结构可以通过离子注入或其他技术掺杂硼或其他元素，以达到所需的导电性。电阻的温度系数可以通过选择性掺杂在正负范围内变化。多晶硅电阻具有长期稳定性。

其他半导体：

有各种各样的化合物半导体可用于制备具有独特性能的异质结构。砷化镓（GaAs）和锑化铟（InSb）广泛用于电子组件中。

砷化镓用于诸如红外发光二极管，激光二极管，微波单片集成电路（IC）和太阳能电池之类的设备中。它也用于测量特定物体温度的光纤温度传感器。

研究表明，砷化镓的某些电子性能优于硅。砷化镓晶体管的工作频率高于250GHz.由于砷化镓的优越性能，它们被广泛用于移动电话，卫星通信和雷达系统中。高灵敏度的GaAs压电传感器也用于生物检测。

InSb.它对诸如霍尔效应传感器和磁阻之类的磁传感设备很有用。InSb磁阻器在汽车应用中用作位置传感器。InSb材料也用于红外成像。

塑料制品：

塑料广泛用于电子和电气组件。由于塑料是绝缘体，因此它们可用于需要绝缘性能的各种应用中。聚合物还用作辐射探测器和化学传感器。

金属：

设计传感器时要考虑金属的物理特性和机械加工。

铜具有出色的热和电性能，但是很难加工。在某些情况下，可以使用铝作为替代。金属用于磁传感器。金，银，铂，铑和钯等贵金属广泛用于汽车，RFID标签，手机和PC的传感器设备中。

陶瓷：

陶瓷广泛用于传感器制造。这些具有共同的特性，包括结构强度，重量轻，热稳定性，电绝缘性以及与其他材料结合的能力。它们不与氧气反应，因此不会产生氧化物。许多制造商将陶瓷用作传感器基板。

四、传感器制造

微传感器技术使用了常规硅平面IC技术中遵循的基本制造步骤以及一些其他步骤。目前，互补金属氧化物半导体（CMOS）是微传感器中最常用的技术。微传感器是使用商业CMOS IC工艺和随后的批量微加工技术设计和制造的，确切具体的步骤因传感器而异。

封装形式：

必须保护芯片不受大气影响。光刻胶或氮化硅材料通常用于覆盖传感区域。LPCVD或CVD工艺用于沉积氮化硅层，该氮化硅层可作为防水层。

下一步是IC封装。这包括将IC密封在塑料树脂或金属外壳中。此过程可保护硅器件免受周围环境的影响，在某些使用大气传输测量量的MEMS器件中，可能并不总是需要此过程。

沉积：

一些传感器，特别是MEMS器件，需要沉积薄膜和厚膜材料，以为传感表面提供所需的特性。例如，对热辐射的敏感性是通过用镍铬合金涂层来实现的。可以使用光刻和湿法化学蚀刻工艺对膜进行局部蚀刻。也可以使用干法物理蚀刻和激光加工。

五、传感器的未来展望

借助微米和纳米技术，可以将传感器制造成几乎可以安装在消费设备中的任何位置，以检测机器人，汽车甚至人体中的任何运动或应用。在其他应用中，在反恐，货物追踪，生物识别等方面，智能传感器的使用也在增加。最新的传感器用于汽车中，以防止即将发生的碰撞，并确定要发射的安全气囊的类型以及其展开的力量和速度。

MEMS在医疗应用中的使用正在增加，包括用于诊断和监视系统的可植入设备和手持设备。展望未来，随着技术的进步，包括物联网和可穿戴设备在内的新型传感器浪潮将在未来几年内彻底改变电子行业。