2020年的最新传感器，包括物联网和可穿戴设备中使用的传感器，将很快改变电子行业。无论是检测患者蛋白质水平的静音心脏病检测仪，还是警告和纠正乘坐者坐姿错误的椅子，这两种创新方案都是最近发明的。传感器在电子设备中起着至关重要的作用。事实上，随着科学技术的发展，传感器的应用也在不断扩大。

根据行业报告，与计算机和通信设备市场相比，传感器正成为规模最大、增长最快的市场。你会在智能手机、汽车、安全系统甚至咖啡壶等日常用品中发现传感器！除了消费电子产品，传感器也是物联网、医疗、核能、国防、航空空、机器人和人工智能、农业、环境监测和深海应用的组成部分。

首先，最新的传感器正在走向智能化

基本上，传感器是接收信号或刺激并对其做出响应的输入设备。如今，一些传感器将许多传感元件和读出电路集成在单个硅芯片中，从而提供高精度和多功能。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。因此，通过集成新技术使传感器更加智能，传感器行业发生了巨大的变化。

普通传感器仍在许多应用中使用。然而，微电子技术的创新和进步正在将传感器技术提升到一个新的水平。普通传感器的功能已经在许多方面得到了扩展，现在还提供了许多其他属性。最新的传感器变得越来越智能，提供了更高的精度、灵活性和易于集成到分布式系统中。

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通信。网络接口使数据传输更容易，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。

智能传感器可以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

由于技术和应用的不同，现在有很多种传感器。以下将介绍2020年的一些最新传感器，包括物联网传感器、污染传感器、射频识别传感器、图像传感器、生物识别传感器、印刷传感器、微机电系统和NEMS传感器。

，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、射频传感器、热释电红外传感器、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。

这些最新的传感器连接到计算机网络上进行监控。物联网系统利用传感器和互联网以其独特的灵活性提供增强的数据采集、自动化和操作，因此在整个行业得到了广泛的应用。

2015年，全球物联网传感器市场达到73亿美元。预计到2021年，将从2016年的近106亿美元增加到478亿美元，2016-21年年均增长率为35%。物联网传感器亚太市场预计将从2016年的30亿美元增长至2021年的140亿美元，2016年至2021年复合年增长率为36.1%。

污染传感器

空空气污染传感器用于检测和监测空周围区域的空气污染，包括室内和室外环境。虽然有各种类型的空空气污染传感器，但这些传感器大多关注五个参数:颗粒物、臭氧、一氧化碳、二氧化硫和一氧化二氮。空空气污染传感器一般都很贵，但对于一般用途来说不算太贵。

市场上有一些传感器可以检测直径在2.5-10 μm之间、直径小于2.5 μ m的颗粒，图2展示了一个典型的PM传感器，在爱好者和实验者中非常受欢迎。

图2: PM2.5/PM10传感器

图3为夏普公司易安装的PM2.5传感器，其检测时间为10秒。

图3: PM 2.5传感器

，射频识别传感器

大米大小的RFID芯片可以直接插在皮肤下，作为身份证使用。在许多产品中，包括非接触式银行卡和牡蛎卡，都有使用射频识别芯片的趋势。在某些情况下，芯片被植入宠物和牛体内进行监控。

图4:具有颗粒尺寸的射频识别芯片

可穿戴传感器

最新的可穿戴传感器包括医疗传感器、全球定位系统、惯性测量单元和光学传感器。借助现代技术和微电路，可穿戴传感器现在可以部署在数字健康监测系统中。

传感器还集成在各种配件中，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传感器将主导传感器市场。

图5:可穿戴图表

可穿戴应用和物联网有望推动全球传感器市场实现两位数增长。由于传感器制造成本的降低和低功耗，未来大多数传统的有线连接将被无线传感器取代并集成到无线网络中。

光学图像传感器

智能手机摄像头就是图像传感器最好的例子——图像传感器检测并传输构成图像的信息。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传感器来实现更快的速度和更低的功耗。

图像传感器也用于自动门。

图6:图像传感器

生物传感器

最常见的生物传感器是指纹模块。R30x指纹模块在爱好者和实验者中非常受欢迎。高通的指纹传感器包括显示屏、玻璃和金属传感器、方向手势检测、屏下指纹匹配和设备唤醒传感器。

打印传感器

印刷在柔性基板上的传感器变得越来越流行。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，全印刷传感器市场将达到76亿美元。

印刷传感器的结构非常简单，只有几个电极，而其他传感器更复杂，需要多层沉积。它们的共同点是可以在塑料基板上制造，这在机械灵活性、厚度和重量减轻方面具有优势。

超声波传感器

超声波传感器通过发射超声波来测量目标物体的距离，并将反射的声音转换成电信号。超声波比声音传播得快，结果就产生了。

被动红外传感器

被动红外传感器测量其视野内物体发出的红外光。

湿度传感器

湿度传感器可以感应、测量和报告湿度和空气体温度。空气体中的水分与特定空气体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的重要因素。

微机电系统

微机电系统由1至100微米的元件尺寸组成。最引人注目的元件是微传感器和微执行器。

在集成微电子的控制下，微机电系统器件从简单的结构到具有多个运动元件的极其复杂的机电系统。换句话说，微机电系统传感器是一种精密设备，其中机械零件、微传感器和信号调理电路都制作在一个小硅片上。

一般来说，微机电系统由机械微结构、微执行器、微传感器和微电子器件组成。图7示出了微机电系统器件的框图。

图7:7:微机电系统器件的框图

微型传感器可以通过测量热、化学、电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，然后微执行器根据环境的变化而动作。

市场上常见的微机电系统传感器有:

1.微机电加速度计。这些是用来测量加速度的静态或动态力。主要类别有硅电容、压阻和热加速度计。

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、反模糊捕捉和口袋模式操作。

2.微机电陀螺仪。这些传感器检测物体的角速度。MEMS陀螺仪用于带方向盘传感器和侧翻检测的车辆稳定性控制。

3.微机电压力传感器。这些传感器测量三种类型的压力:表压、绝对压力和差压。该传感器在一个集成芯片上集成了一个隔膜和一组电阻，因此可以通过电阻变化来检测压力。这些传感器用于汽车、航空空航空航天、医疗、国防和工业应用。

在汽车系统中，它们被广泛应用于油压传感器、碰撞检测、油箱蒸汽压力监测、废气再循环、发动机管理系统等。

Mems磁场传感器。这些传感器检测和测量磁场，已应用于位置传感、电流检测、速度检测、车辆检测、too 空探测等。

5.磁通门传感器。磁通门传感器用于测量DC或低频交流磁场。这些发现有许多应用，如空交叉研究、地球物理学、矿产勘探、自动化和工业过程控制。基于MEMS的磁通门传感器在功耗、体积和性能上均优于其他磁通门传感器。

、NEMS

纳米机电系统是一种类似微机电系统的器件，但属于纳米级。这些是继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就是NEMS的例子。

一般来说，NEMS依赖碳基材料，包括金刚石、碳纳米管和石墨烯。它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得到应用，而纳米马达可以用于生物芯片或传感器的纳米流体泵。

第三，传感器材料

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有自己的材料、结构、制造技术和封装。大多数制造商通常采用最新的传感器材料和制造技术。电子产品中使用的材料主要起两个作用——主动或被动。

被动材料:

被动材料用于提供机械结构或电气连接。这些材料中的一些也可以用作有源和无源材料。

活性物质:

活性材料对于微电子、光敏、压电、磁阻和耐化学性薄膜的传感过程非常重要。薄膜或厚膜微传感器材料在传感系统中起着积极的作用。这些设备是通过化学气相沉积或低压化学气相沉积和特殊技术制造的。

硅:

元素硅不存在于自然界，而是存在于氧化物和硅酸盐等化合物中。硅含量丰富，相对便宜，并且具有许多可用于传感器应用的物理特性。具有所需特性的材料层可以沉积在硅衬底上。单晶硅是应用最广泛的半导体材料。

多晶硅:

多晶层可以通过在氧化硅晶片上沉积氧化物空来形成。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，以获得所需的导电性。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:

有各种化合物半导体可以用来制备具有独特性质的异质结构。砷化镓和锑化铟广泛用于电子元件。

砷化镓用于红外发光二极管、激光二极管、微波单片集成电路和太阳能电池等器件。它还用作光纤温度传感器，用于测量特定物体的温度。

研究表明的某些电子性质优于硅。GaAs晶体管的工作频率高于250千兆赫。由于其优越的性能，GaAs晶体管被广泛应用于手机、卫星通信和雷达系统。高灵敏度的GaAs压电传感器也用于生物检测。

InSb。它对霍尔效应传感器和磁阻等磁传感器件非常有用。锑化铟磁阻器在汽车应用中用作位置传感器。锑化铟材料也用于红外成像。

塑料制品:

塑料广泛用于电子和电气元件。由于塑料是绝缘体，它们可以用于需要绝缘性能的各种应用中。聚合物也被用作辐射探测器和化学传感器。

金属:

设计传感器时，应考虑金属的物理特性和机械加工。

铜具有优异的热和电性能，但加工困难。在某些情况下，可以使用铝来代替。金属用于磁性传感器。金、银、铂、铑和钯等贵金属广泛用于汽车传感器、射频识别标签、手机和个人电脑。

陶瓷:

陶瓷广泛用于传感器制造。这些材料具有共同的特性，包括结构强度、重量轻、热稳定性、电绝缘以及与其他材料结合的能力。它们不与氧反应，因此不产生氧化物。许多制造商使用陶瓷作为传感器基板。

第四，传感器制造

微传感器技术使用传统硅平面集成电路技术中遵循的基本制造步骤和一些其他步骤。目前，互补金属氧化物半导体是微传感器中最常用的技术。微传感器采用商用CMOS IC技术和后续批量微加工技术设计制造，具体步骤因传感器而异。

包装形式:

必须保护芯片不受大气影响。光致抗蚀剂或氮化硅材料通常用于覆盖感测区域。采用LPCVD或化学气相沉积工艺沉积氮化硅层，可用作防水层。

下一步是集成电路封装。这包括将集成电路密封在塑料树脂或金属外壳中。这种工艺可以保护硅器件免受周围环境的影响，在一些使用大气传输测量结果的微机电系统器件中，这可能并不总是需要的。

沉积:

一些传感器，尤其是微机电系统器件，需要沉积薄膜和厚膜来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涂覆镍铬合金来实现的。可以使用光刻和湿化学蚀刻工艺来局部蚀刻该膜。也可以使用干法物理蚀刻和激光加工。

动词 传感器的未来展望

在微纳技术的帮助下，传感器可以被制造成安装在消费设备的几乎任何地方，以检测机器人、汽车甚至人体的任何运动或应用。在其他应用中，智能传感器在反恐、货物跟踪、生物识别等方面的使用也越来越多。最新的传感器用于汽车，以防止即将发生的碰撞，并确定要启动的气囊类型及其展开力和速度。

微机电系统在医疗应用中的使用越来越多，包括用于诊断和监控系统的可植入设备和手持设备。展望未来，随着技术的发展，包括物联网和可穿戴设备在内的新传感器浪潮将在未来几年彻底改变电子行业。

编译:猫头鹰

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