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傳感器已大舉進軍汽車、醫(yī)療、工業(yè)和航天應(yīng)用領(lǐng)域。但您也許尚未看到任何變化。在安全、便利、娛樂以及效率因素等方面日益增長的需求，加上世界各地政府的法令將會使傳感器的應(yīng)用得到空前膨脹。 除了預(yù)計傳感器將在無線和消費品領(lǐng)域應(yīng)用的急劇膨脹之外，您還會明白為何傳感器生產(chǎn)商有望在2010年結(jié)束前迅速開發(fā)龐大的市場和應(yīng)用領(lǐng)域。這些傳感器中的大多數(shù)將是微機電系統(tǒng)(MEMS)和微系統(tǒng)技術(shù)(MST)類型，以及應(yīng)用前景十分廣闊的微傳感器。 對于汽車系統(tǒng)，傳感器生產(chǎn)商可很容易地發(fā)現(xiàn)大量的傳感應(yīng)用，不僅包括測量傳感壓力，而且包括通過傳感系統(tǒng)測量慣性、位置、接近度、溫度、流速、力量強度、張力、扭矩、震動和傾斜狀況。用于測量這些參數(shù)的傳感技術(shù)各不相同。通用汽車技術(shù)中心的技術(shù)人員Alex Cade認為，“汽車領(lǐng)域的傳感需求正呈跳躍式增長。”他列舉了底盤控制、車輛定位/位置、物體探測、視覺強化、汽車環(huán)境加溫、通風(fēng)、空調(diào)以及引擎和傳動控制等傳感器的增長領(lǐng)域。增強車輛穩(wěn)定性只是他列舉的眾多例子中的一個。 美國國家公路運輸管理局(NHTSA)最近關(guān)于側(cè)面碰撞安全氣囊的提議要求在每輛汽車上增加兩至六個傳感器。盡管該提議沒有被強制要求使用，但美國、歐洲和日本的汽車生產(chǎn)商表示，出于安全考慮，他們將在2010年結(jié)束前為所有車輛安裝側(cè)面碰撞安全氣囊。某些汽車供應(yīng)商，如TRW和Delphi將一組加速計和壓力傳感器(后者反應(yīng)速度較前者快)應(yīng)用于側(cè)面碰撞安全氣囊。 汽車慣性傳感已成為另外一個熱點。實際上，Motorola和Analog Devices提議使用慣性傳感元件組來管理大量的將用于車輛動態(tài)、導(dǎo)航、安全和電子轉(zhuǎn)向應(yīng)用的傳感功能(插圖1)。 “防抱死制動系統(tǒng)、電子制動力分布系統(tǒng)、循跡控制系統(tǒng)和主動偏航控制系統(tǒng)之間的相互作用使得汽車具有動態(tài)穩(wěn)定性，”Analog Devices的高級應(yīng)用工程師Harvey Weinberg如是說。Motorola的John P. Schuster補充道：“元件組方法可利用一個核心平臺支持多種應(yīng)用。它以航天陀螺儀為基礎(chǔ)，且成本低，體積小，可應(yīng)用于汽車�！� 1 光傳感技術(shù)嶄露頭角 一種由Optrand開發(fā)的用于測量引擎壓力的新方法采用了一種多功能設(shè)備，該設(shè)備將一個基于光纖技術(shù)的壓力傳感器裝入一個用于柴油引擎的電熱塞中。壓力感應(yīng)電熱塞由一個感應(yīng)頭、一根光纜和許多信號調(diào)節(jié)電子元件組成，在壓力超過5巴時,其水冷式參考變頻器能提供62%的精確度，在壓力低于5巴時，誤差低于0.2巴。該公司預(yù)計將于2007年首次采用該設(shè)備。 Honeywell計劃在低成本的無鍵輸入的無源系統(tǒng)中采用光傳感技術(shù)，部分采用該技術(shù)的產(chǎn)品可嵌入汽車的門把手。該傳感器將包含一個裝有收發(fā)器的鑰匙狀光學(xué)元件。為進入車內(nèi)，車主在車門把手和車身之間放置了一個鑰匙狀元件。 霍爾效應(yīng)感應(yīng)器將在眾多汽車功能中找到應(yīng)用場所，包括感應(yīng)減速和制動踏板的位置、凸輪軸位置和轉(zhuǎn)速、氣壓以及歧管絕對壓力(MAP)。Infineon Technologies AG的應(yīng)用工程師Werner Roessler認為，有源霍爾效應(yīng)傳感器可用于傳動系控制以及凸輪和曲軸等相關(guān)應(yīng)用�！芭c無源感應(yīng)器相比，這提供了更高的精確性、更佳的啟動策略并且具有探測曲軸啟動點位置的能力，”他說。Melexis Inc.計劃將此技術(shù)用于感應(yīng)非接觸式位置。 2 一個新的感應(yīng)范例 電場感應(yīng)利用電極和它們之間的電場來工作。Freescale Semiconductor認為，它可用來替代安全氣囊和其它用途的感應(yīng)器。 “該感應(yīng)方法有助于使安全氣囊更為智能化，由于不僅考慮了乘客的頭部位置(即頭部是否移動？)，而且考慮了乘客的體積和重量，氣囊將不會過早打開，”Freescale的應(yīng)用工程師Don Laybourn說。 此類傳感器可安裝在邊沿或其它地方帶有電極的方向盤上，這樣可確定方向盤是否被松開(如當一名駕駛員睡著時或被致殘時)，然后將發(fā)出警告信號。此方法同樣也可以讓車輛慢慢停下來。 車輛座位電極可在車輛行駛時確定駕駛員位置沒有人的情況下對車輛進行制動。這將防止車輛進入失控狀態(tài)，例如當汽車�？吭谛逼律蠒r。車窗雨水和積霜感應(yīng)則是另外一種應(yīng)用。 傳感器的另外一個巨大市場是無線電行業(yè)。目前，傳感器市場容量為400億美元－無線傳感器占據(jù)了5億美元－MEMS技術(shù)的先驅(qū)Janusz Bryzek說道，Janusz Bryzek經(jīng)營著一家風(fēng)險投資公司BN Ventures的合伙企業(yè)。2010年末，其市場容量應(yīng)超過100億美元。 Bryzek提示說，這些無線傳感器中只有少部分需要靠電池來工作。然而，針對目前的無線標準，對于需要2到3.6伏電池工作的無線傳感器的需求正在不斷增長。另一方面，功耗必須降到最低，這對于無線傳感系統(tǒng)來說也絕非易事。在政府法令的驅(qū)策之下，汽車輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)已成為無線傳感器最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域之一。當前的輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)為間接式，成本較低。但較為昂貴的直接式輪胎壓力監(jiān)控方法，即在每個輪胎上安裝一個傳感器和收發(fā)器，受到了許多傳感器和汽車子系統(tǒng)OEM的青睞。當然，這些系統(tǒng)需要依靠電池來工作。目前已開發(fā)出無需電池的直接系統(tǒng)，但它們技術(shù)上尚不成熟，亟待實際驗證。 Melexis的TPMS產(chǎn)品經(jīng)理Dirk Leman認為，直接方法將有可能在未來幾年內(nèi)逐步盛行。他提示說，“依賴電池的技術(shù)還會持續(xù)數(shù)年，無源技術(shù)已足夠成熟，在不久的將來便會應(yīng)用到此領(lǐng)域。然而，對于采用無源技術(shù)的1級供應(yīng)商來說，當選擇某個單一技術(shù)時，其發(fā)展路線，商業(yè)模式以及對現(xiàn)有能力的充分利用至少與單個產(chǎn)品的成本同等重要。”他提醒道，從長遠來看，與直接TPMS相比，智能化間接技術(shù)可能會為MEMS傳感器帶來更大的增長潛力。這是因為它們除了提供壓力監(jiān)控之外，還可提高安全性和舒適性。 醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用更是不勝枚舉。無線傳感器的潛在應(yīng)用也延伸到了醫(yī)療領(lǐng)域，在醫(yī)療領(lǐng)域中，易損電子器件將對遠程病人的生物監(jiān)控和生化檢測帶來巨大的影響。例如，無線應(yīng)變計傳感器可用于測量人類活體內(nèi)膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)時的關(guān)節(jié)負荷。Microstrain Inc.總裁Steven Arms認為，“這可以通過我們與Scripps Institute和Johnson & Johnson的合作來實現(xiàn)。” 在另外一個開發(fā)項目中，Microstrain和位于Madison的Wisconsin大學(xué)獸醫(yī)系測量了羊羔活體內(nèi)的骨板生長狀況。該公司同樣與Arizona大學(xué)整型外科系合作進行了人類活體內(nèi)脊椎骨拉傷應(yīng)用，另外還與Case Western大學(xué)的生物工程系合作利用基于應(yīng)變計的控制系統(tǒng)成功拯救了癱瘓的人體四肢。 在這項手術(shù)中仍然采用了普通的磁鐵，結(jié)合新的感應(yīng)方法，將人體內(nèi)折斷的大塊骨骼更為精確與安全地連接起來。目前的方法依靠X射線和外科醫(yī)生的技能，但成本較高，缺乏安全和精確性，且手術(shù)時間較長。所以在與Virginia Tech、Virginia大學(xué)、Carilion生物醫(yī)學(xué)院和Carilion Health Systems 的合作中，Triad Semiconductor開發(fā)出骨髓釘(IMN)，該骨髓釘能幫助整型外科醫(yī)生安全、迅速且精確地將折斷的骨骼連接起來。該集團的原形磁鐵定位器系統(tǒng)采用了一個位于IMN內(nèi)的定位磁棒和一個LED顯示器(插圖2)。 各種不同的傳感器將在許多工業(yè)應(yīng)用中找到用武之地，可用于監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機與馬達的狀況，以及跟蹤國家的基礎(chǔ)設(shè)施狀況。Radatec報道了一種微波接近度/置換傳感器，該傳感器可在極其惡劣的環(huán)境，如高速旋轉(zhuǎn)和極高的溫度狀態(tài)下對機器進行監(jiān)控。 上述Microstrain醫(yī)用傳感器也被應(yīng)用于監(jiān)控橋梁、隧道、公路天橋、建筑和其它民用建筑設(shè)施的結(jié)構(gòu)完整性。它們的嵌入感應(yīng)式，以應(yīng)變計為基礎(chǔ)的無線傳輸模塊帶有低功耗且依靠電池工作的感應(yīng)節(jié)點，數(shù)據(jù)采集速率高，符合有關(guān)部門的要求。無源應(yīng)變計傳感器的可擴充陣列可進行遠程通訊。開關(guān)式電抗方法的應(yīng)用省掉了許多部件，如射頻振蕩器，石英和饋通天線。 3 納米技術(shù)的應(yīng)用 毫無疑問，納米技術(shù)將在傳感領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在上個月舉辦的密歇根州底特律傳感器博覽會(Sensors Expo)上，Michigan州立大學(xué)副主任Dean Aslam展示了“多壁納米碳管”(CNT)，該產(chǎn)品目前已發(fā)展成為應(yīng)用于傳感化學(xué)的微氣體色譜儀的預(yù)濃縮器的一部分。CNT的壁層厚度為5至30微米，長度達到500微米，可提供極大的表面面積，相比其它已知材料而言，它具有低能耗特點和出眾的吸附/解吸能力。該工作得到了美國國家自然科學(xué)基金會(NSF)“工程研究中心計劃”(Engineering Research Centers Program)的支持，并且是Michigan州立大學(xué)“無線集成微系統(tǒng)”(Wireless Integrated Microsystems,WIMS)中心所開展的研究項目的一部分。 無論出現(xiàn)什么樣的納米設(shè)備，納米技術(shù)本身需要更多的研究，在應(yīng)用之前還需要充分掌握。東北大學(xué)首席納米技術(shù)研究員和傳感器博覽會上的主講貴賓Ahmed Busnaina教授這樣認為。他說，傳感器行業(yè)需要開發(fā)納米板作為納米制造工具來生產(chǎn)納米設(shè)備和傳感器，這是納米技術(shù)能夠得以繁榮的最低要求。 |
