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傳感器已大舉進軍汽車、醫療、工業和航天應用領域。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用得到空前膨脹。 除了預計傳感器將在無線和消費品領域應用的急劇膨脹之外，您還會明白為何傳感器生產商有望在2010年結束前迅速開發龐大的市場和應用領域。這些傳感器中的大多數將是微機電系統(MEMS)和微系統技術(MST)類型，以及應用前景十分廣闊的微傳感器。 對于汽車系統，傳感器生產商可很容易地發現大量的傳感應用，不僅包括測量傳感壓力，而且包括通過傳感系統測量慣性、位置、接近度、溫度、流速、力量強度、張力、扭矩、震動和傾斜狀況。用于測量這些參數的傳感技術各不相同。通用汽車技術中心的技術人員Alex Cade認為，“汽車領域的傳感需求正呈跳躍式增長�！彼信e了底盤控制、車輛定位/位置、物體探測、視覺強化、汽車環境加溫、通風、空調以及引擎和傳動控制等傳感器的增長領域。增強車輛穩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)最近關于側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商表示，出于安全考慮，他們將在2010年結束前為所有車輛安裝側面碰撞安全氣囊。某些汽車供應商，如TRW和Delphi將一組加速計和壓力傳感器(后者反應速度較前者快)應用于側面碰撞安全氣囊。 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、導航、安全和電子轉向應用的傳感功能(插圖1)。 “防抱死制動系統、電子制動力分布系統、循跡控制系統和主動偏航控制系統之間的相互作用使得汽車具有動態穩定性，”Analog Devices的高級應用工程師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用。它以航天陀螺儀為基礎，且成本低，體積小，可應用于汽車�！� 1 光傳感技術嶄露頭角 一種由Optrand開發的用于測量引擎壓力的新方法采用了一種多功能設備，該設備將一個基于光纖技術的壓力傳感器裝入一個用于柴油引擎的電熱塞中。壓力感應電熱塞由一個感應頭、一根光纜和許多信號調節電子元件組成，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。該公司預計將于2007年首次采用該設備。 Honeywell計劃在低成本的無鍵輸入的無源系統中采用光傳感技術，部分采用該技術的產品可嵌入汽車的門把手。該傳感器將包含一個裝有收發器的鑰匙狀光學元件。為進入車內，車主在車門把手和車身之間放置了一個鑰匙狀元件。 霍爾效應感應器將在眾多汽車功能中找到應用場所，包括感應減速和制動踏板的位置、凸輪軸位置和轉速、氣壓以及歧管絕對壓力(MAP)。Infineon Technologies AG的應用工程師Werner Roessler認為，有源霍爾效應傳感器可用于傳動系控制以及凸輪和曲軸等相關應用�！芭c無源感應器相比，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.計劃將此技術用于感應非接觸式位置。 2 一個新的感應范例 電場感應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器。 “該感應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，例如當汽車�？吭谛逼律蠒r。車窗雨水和積霜感應則是另外一種應用。 傳感器的另外一個巨大市場是無線電行業。目前，傳感器市場容量為400億美元－無線傳感器占據了5億美元－MEMS技術的先驅Janusz Bryzek說道，Janusz Bryzek經營著一家風險投資公司BN Ventures的合伙企業。2010年末，其市場容量應超過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來說也絕非易事。在政府法令的驅策之下，汽車輪胎壓力監控系統(TPMS)已成為無線傳感器最熱門的應用領域之一。當前的輪胎壓力監控系統為間接式，成本較低。但較為昂貴的直接式輪胎壓力監控方法，即在每個輪胎上安裝一個傳感器和收發器，受到了許多傳感器和汽車子系統OEM的青睞。當然，這些系統需要依靠電池來工作。目前已開發出無需電池的直接系統，但它們技術上尚不成熟，亟待實際驗證。 Melexis的TPMS產品經理Dirk Leman認為，直接方法將有可能在未來幾年內逐步盛行。他提示說，“依賴電池的技術還會持續數年，無源技術已足夠成熟，在不久的將來便會應用到此領域。然而，對于采用無源技術的1級供應商來說，當選擇某個單一技術時，其發展路線，商業模式以及對現有能力的充分利用至少與單個產品的成本同等重要。”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控之外，還可提高安全性和舒適性。 醫療領域的應用更是不勝枚舉。無線傳感器的潛在應用也延伸到了醫療領域，在醫療領域中，易損電子器件將對遠程病人的生物監控和生化檢測帶來巨大的影響。例如，無線應變計傳感器可用于測量人類活體內膝關節置換手術時的關節負荷。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�！� 在另外一個開發項目中，Microstrain和位于Madison的Wisconsin大學獸醫系測量了羊羔活體內的骨板生長狀況。該公司同樣與Arizona大學整型外科系合作進行了人類活體內脊椎骨拉傷應用，另外還與Case Western大學的生物工程系合作利用基于應變計的控制系統成功拯救了癱瘓的人體四肢。 在這項手術中仍然采用了普通的磁鐵，結合新的感應方法，將人體內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射線和外科醫生的技能，但成本較高，缺乏安全和精確性，且手術時間較長。所以在與Virginia Tech、Virginia大學、Carilion生物醫學院和Carilion Health Systems 的合作中，Triad Semiconductor開發出骨髓釘(IMN)，該骨髓釘能幫助整型外科醫生安全、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采用了一個位于IMN內的定位磁棒和一個LED顯示器(插圖2)。 各種不同的傳感器將在許多工業應用中找到用武之地，可用于監控旋轉機與馬達的狀況，以及跟蹤國家的基礎設施狀況。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境，如高速旋轉和極高的溫度狀態下對機器進行監控。 上述Microstrain醫用傳感器也被應用于監控橋梁、隧道、公路天橋、建筑和其它民用建筑設施的結構完整性。它們的嵌入感應式，以應變計為基礎的無線傳輸模塊帶有低功耗且依靠電池工作的感應節點，數據采集速率高，符合有關部門的要求。無源應變計傳感器的可擴充陣列可進行遠程通訊。開關式電抗方法的應用省掉了許多部件，如射頻振蕩器，石英和饋通天線。 3 納米技術的應用 毫無疑問，納米技術將在傳感領域發揮重要作用。在上個月舉辦的密歇根州底特律傳感器博覽會(Sensors Expo)上，Michigan州立大學副主任Dean Aslam展示了“多壁納米碳管”(CNT)，該產品目前已發展成為應用于傳感化學的微氣體色譜儀的預濃縮器的一部分。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“無線集成微系統”(Wireless Integrated Microsystems,WIMS)中心所開展的研究項目的一部分。 無論出現什么樣的納米設備，納米技術本身需要更多的研究，在應用之前還需要充分掌握。東北大學首席納米技術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，傳感器行業需要開發納米板作為納米制造工具來生產納米設備和傳感器，這是納米技術能夠得以繁榮的最低要求。 |
