傳感器前景看好 新興應用眾多領域
http://www.debgrams.com 2009-01-05 15:12 來源：網絡
編者語：在科學發展觀的指導下以及我國走新型工業化迫切要求下，工業信息化、自動化前進的步伐進一步加快。新興控制技術和傳感器技術更是為我國工業的改革、轉型增添了一對騰飛的翅膀。在微處理器和傳感器變得越來越便宜的今天，全自動或半自動（通過人工指令進行高層次操作，自動處理低層次操作）系統可以包含更多智能性功能，能從其環境中獲得并處理更多不同的參數。尤其是MEMS（微型機電系統）技術，它使數字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低。以納米碳管或其它納米材料制成的納米傳感器同樣具有巨大的潛力。市場分析機構NanoMarketsLC估計在2008年，納米傳感器在全球的市場將達到二百八十萬美金，到2012年會增至一千七百二十萬美金。
“靈敏傳感器”(smartsensor)或“數字傳感器”(digitalsensor)指的是高級傳感器，它包括調節和處理信號的電路及一個網絡通訊的界面。它們通常以模塊（modules）形式制成，包含一個傳感器、DSP（數字信號處理器）、一個DSC（數字信號控制器）或一個ASIC（特定用途集成電路）；另外也有以系統封裝（SysteminPackage）或系統芯片(SystemonChip)的方式制成。在微處理器和傳感器變得越來越便宜的今天，全自動或半自動（通過人工指令進行高層次操作，自動處理低層次操作）系統可以包含更多智能性功能，能從其環境中獲得并處理更多不同的參數。尤其是MEMS（微型機電系統）技術，它使數字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低。以納米碳管或其它納米材料制成的納米傳感器同樣具有巨大的潛力。市場分析機構NanoMarketsLC估計在2008年，納米傳感器在全球的市場將達到二百八十萬美金，到2012年會增至一千七百二十萬美金。
即使在萌芽階段，人們仍然認為在不久的將來數字傳感器對電子市場具有重要的推動作用。制作數字傳感器的接口以及支持用于數字傳感器網絡的形式多樣的通訊協議都是對技術工藝的巨大挑戰。傳感器的非均質特性和其操作條件的多樣化也對技術工藝提出了巨大的挑戰。目前在全世界有超過3000家傳感器制造商正在運作，Intechno咨詢公司估計它們在2008年的總銷售額將會超過500億美金。
數字傳感器不僅能夠感知所測量的物理參數，諸如位置、溫度、照度、壓力、電壓或電流等；它們還能處理接收到的信號并將其發送到網絡中去。因此一個傳感器節點除了傳感器本身，還包括信號獲取、處理、通訊及能耗管理等等的一整套電路系統。
現在系統設計所包含的傳感器和處理器越來越多。隨著傳感器和處理器價格的不斷降低，取代機械控制結構的閾值也在不斷變化。在系統中選擇正確的傳感器組合和處理算法可以顯著地降低原材料及能耗的費用并提高系統的總體性能。目前，不斷提高操作的簡化程度和延長能源的使用壽命變得越來越重要，尤其是如今越來越多的傳感器網絡動輒就配置1000或更多的傳感器節點。
傳感器越來越多地被應用到許多領域，包括軍事、汽車、工業、醫藥、家居的安全與警戒、環境監測等等，甚至被應用到消費領域。在大型家用電器尤其是洗衣機和冰箱中，集成傳感器的使用顯著增長。
傳感器技術在現代汽車的重大改進中起到了主要作用。抗磁性（拒磁）傳感器（Magnetoresistive?sensors）在汽車中用于決定機械系統的角度、速度或位置，汽車的防滑系統以及發動機和變速箱的控制需要這些數據。在汽車中還有其它各種各樣的傳感器，像雷達、紅外線、視頻、慣性和超聲傳感器等等，它們的設計是以防鎖煞車系統（antilockbraking）、可遙控自動駕駛儀、電壓穩壓控制器（electronic-stabilitycontrol）、換道并線及盲點探測系統、牽引控制、防撞系統以及氣囊調節等等為目標的。
汽車發動機管理系統是一個富含傳感器的系統。除了監控司機與踏板之間的接觸狀況，此系統還測量許多變量，諸如系統中的空氣、燃料和尾氣的溫度、壓力以及化學成分等，并綜合所有這些信息，以便優化發動機的輸出功率、燃料效率、排放性能、傳動經驗甚至是適應不同的燃料類型。
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數字傳感器的新興標準
如今傳感器網絡使用多種技術來為不同的工業服務。用于傳感器網絡的各種專屬協議的數量激增。這就需要在傳感器網絡中引入綜合翻譯途徑，它是一個復雜而又昂貴的體系。因此人們需要更大程度的標準化。
工程任務組（TheInternetEngineeringTaskForce－IETF）正在為以藍牙、Wi-Fi和802.15.4網等為基礎的無線傳感器網絡開列一個標準，以便能將傳感器節點連接到更寬廣的互聯網絡上。IETF的目標是在傳感器之間建立一種通訊方式，這種通訊方式不需要專屬的翻譯途徑。這項協議將在2009年六月制定出臺。IEEEP1451.4標準極大地簡化了傳感器的布線以及更換故障傳感器的問題。它同時也免除了傳感器在設置和校準方面的人工干預，這種干預即費時又易出錯。這樣傳感器就成了即插即用的裝置。在國家儀器網站（NationalInstruments’website）中有一個有效TEDS的數據庫，它包括了可以在IEEEP1451網絡中使用的各種老式的或沒有EEPROM的傳感器的專門資料。IEEE1451.5標準仍在審核階段，它規定的是將TEDS連接到無線網絡中的必要條件，如與802.11、藍牙或ZigBee等的連接。最近又提出了IEEE1451.6標準議案，它定義TEDS和CAN總線的接口。
無線數字傳感器新應用
幾十億的有線傳感器被廣泛地用于電子系統中，從簡單的熱電偶到更復雜的專用系統。它們被用于測量和監控物理參數。許多工程師正在考慮改用無線傳感器，因為它們具有一些顯著的優點，價格低廉、適應性好，即使在不良環境中也易于安裝和使用。根據市場分析機構CahnersInstat的估計，到2010年，將有超過1600億個無線傳感器網絡節點被賣出。
傳感器的無線網絡將在一定區域內分布的各種傳感器連接在一起并結合智能電路進行信號處理和數據傳輸。其可能的應用領域包括軍事、環境及道路交通的監控、安全與警戒、家庭與工業自動化、醫療衛生系統和汽車。
在工業環境中，建立一個傳感器網絡的費用有80%花在布線上，而且建立這樣一個網絡有時是不現實甚至是不可能的。在汽車方面，傳感器的一個重要應用是用于遙控開鎖系統（RKE－RemoteKeylessEntrySystems），以無線代替了CAN總線，這樣做大大節省了成本及空間，去除了昂貴而粗大的電纜。根據CahnersInstat最近的預測，到2010年將有超過1600億個傳感器網絡節點被賣出；而且建立包含一萬至十萬個傳感器節點的網絡也是非常可能的事。這樣，可測量性成為了一個非常關鍵的因素。此外，傳感器必須可以現場編程和自行設置；網絡必須能夠在有一個或多個故障傳感器存在的情況下正常運行。另一個關鍵參數是能耗，因為無線傳感器也可能被設置在偏遠地區。在無線傳感器網絡方面，一個非常有前途的無線技術是ZigBee，它是按照IEEE802.15.4標準研發的，能確保低能耗和低成本。ZigBee聯盟的發起公司有深圳的華威科技、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、TexasInstruments、Samsung和Siemens。WestTechnology，一個定向于無線電技術市場調查的公司預測，利用ZigBee技術制作的符合IEEE802.15.4標準的傳感器芯片組的銷售量將從今年的三千一百萬組上升至2012年的三億一千二百萬組，其增長為稍高于100%的復合比。其它應用于無線傳感器網絡的無線技術還有由CypressSemiconductor推出的無線－USB；以及z-Wave，一種由Zensys公司研發的技術，有超過160家公司組成了一個z-Wave聯盟來共同推廣這一技術。
應用于住宅方面的傳感器在全球具有60億個節點的潛在市場，用于以無線傳感器為基礎的監控系統，它是無線傳感器用途的一個重要體現。到2012年，用于智能住宅（smarthouse）的無線傳感器網絡將會有價值二十八億美金的全球市場；相比較而言，其在2007年的市場只有四億七千萬美金。傳感器最被看好的用途有照明控制、節能系統、保安模塊、娛樂系統和遠程就醫（telemedicine）。無線傳感器比有線傳感器更易安裝并且免除了昂貴而粗大的電纜。這種優勢在工業領域尤為重要，電纜在其傳感器網絡安裝費用中占80%。無線傳感器在惡劣環境中使用具有優勢，在這些環境中傳感器要經得起震動、高溫和電子噪聲甚至是爆炸性氣體。在如此惡劣的環境中安裝有線傳感器是不現實、昂貴甚或是不可能的。過去阻礙無線傳感器在工業領域中使用的原因是保安問題以及工廠中不同無線電網絡之間可能存在的干擾問題。無線傳感器在其它領域中的應用經驗可以作為參照來解決其在工業環境中應用所遇到的這些問題。例如，解碼技術被用來保護無線傳感器網絡拒絕非法訪問。
無線傳感器應用的另一個強勢領域是由汽車氣體力學中的輪胎壓力傳感器產生的。根據2001年頒發的一項法律，美國強制性要求每一種新款汽車都必須配備這種輪胎壓力傳感器。TheYoleDéveloppement，一家法國市場分析公司預計，到2012年這種傳感器的市場將達到1830億美金，相對于2007年的一億六千八百萬美金，由于價格不斷下跌的緣故其復合增長率僅為2%。從銷售量的角度分析，德國的WichtTechnologie公司預計，在市場上此類無線傳感器節點的數量將會由2011年的十萬組增加到2015年的超過六千萬組。如果類似美國的輪胎壓力傳感器法也在歐洲和亞洲通過的話，到2012年其市場可能會超過三億美金。
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微型機電傳感器正在占領陣地
我們每天都在不知不覺中與微型機電傳感器（MEMS－micromechanicalsensor）打交道：壓力、臨近與運動傳感器（proximityandmovementsensor）、陀螺儀、加速計、麥克風和壓電裝置等等。現如今，MEMS技術在以下四個領域取得了商業性的成功：用于氣囊控制的加速計；用于監測汽車耗油量的壓力傳感器；噴墨打印機頭和用于投影顯示的反射鏡。根據iSuppli的預測，微型機電傳感器的全球市場將會由2006年的61億美金增長到2012年的88億美金。到2012年為止，MEMS儀器的單位出貨量的年復合增長率預計為6.4%，其同期年銷售額的復合增長率預計為5.5%。
雖然產品總需求量的增長相對緩慢，但某些單項產品的市場卻成長得非常迅速；例如，iSuppli預言手機的平均復合增長率將為22.9％，到2012年，僅此一項產品的市場將達到九億二千五百萬美金。事實上MEMS傳感器正在越來越多地被用于消費電子產品。MEMS肯定會被大量地應用于消費電子產品中，最大的MEMS制造商們都把賭注押在了這塊市場上。STMicroelectronics公司MEMS事業部門的總監BenedettoVigna認為，MEMS技術的用戶化將為此項技術開辟新的領域，它也將會受到無線傳感器網絡主體配置的影響。MEMS傳感器也可以被整合到游戲控制器中，使它們能夠在便攜式終端上跟蹤操縱者手部的運動，并以此來調節顯示屏上的畫面變化或進行目錄瀏覽。
在汽車領域，MEMS用于麥克風、加速計和MEMS陀螺儀，如導航儀、信息娛樂設備和駕駛員記錄儀等。這后幾種應用被嵌入CMOS（互補金屬氧化物半導體）照相機，它們可以登記在事故發生前幾秒鐘內所發生的事件。STMicroelectronics為日本和韓國的一些客戶研發了類似的解決方案。
市場研究公司YoleDéveloppement認為，在汽車市場中，陀螺儀、加速計和壓力傳感器是最重要的MEMS應用項目。例如許多國家立法要求在汽車的氣囊和座椅中安裝壓力傳感器。到2011年為止，MEMS在運輸領域的市場預計將以12.5%的速率增長，銷售額將達到十三億五千萬美金。
在汽車用MEMS的經銷商中Bosch是第一名，其2007年的銷售額為四億三千萬美金，其次是STMicroelectronics(三億二千萬美金)，FreescaleSemiconductor（二億三千五百萬美金），AnalogDevices(二億一千萬美金)，Denso(一億七千六百萬美金)，Infineon(由其分公司Sensonor帶來的一億三千萬美金的年收入)，Delphi（一億一千六百萬美金）和ContinentalAG(五千六百萬美金)。
其它被認為很具有前途的應用是防盜系統和LBS（LocationBasedServices－定位服務）系統。其中包括定向廣告信息（以地區為基礎的廣告業）以及無線多人游戲，這種游戲可以把游戲參加者的地理位置考慮在內。MEMS也是將GPS功能整合入手機的一個關鍵裝置。GPS定位需要在高電流（約為50mM）下進行；這種特性使其非常難于整合入像手機一類的便攜式終端，因為在此類終端中一般都采用能耗優化來延長電池的使用壽命。與之相反的是MEMS陀螺儀和磁力傳感器所需的電流比GPS低兩個數量級。一旦用戶的位置被確定下來，MEMS傳感器就可以代替GPS，因此可以在移動網絡中定期地短暫使用GPS來修正用戶的位置，以便糾正MEMS傳感器可能引起的誤差。
在家居自動化中，MEMS傳感器可用于降低洗衣機等的水電消耗量。像自動吸塵器和自動割草機等小型家用電器會以適當的數量打入市場，因為它們的能耗效率不是很高。MEMS傳感器另一些引人注目的應用是在醫療領域，例如用于監控患者的各種重要生理指標，或用于對老年人進行遠程就醫等。
生行測定傳感器在保安方面的應用
一些公司正在著手把生物測定傳感器納入其現有的保安基礎設施中。用于訪問授權控制（accesscontrol）的硬件與軟件銷售額高達四十億美金。國際生物測定集團（InternationalBiometricGroup）預計到2009年，僅生物測定訪問授權控制系統一項將會占據整個生物測定系統市場的30%；到2010年，銷售額將達到五十七億美金。含有多種生物測定傳感技術的綜合生物測定系統將占總市場的5%。
生物測定傳感器和讀出器通常被整合到大宗電子產品中，諸如個人電腦、筆記本電腦、DVD、手機、USB存儲器以及硬盤等，用來防止在此類物品被盜或丟失后其中的文件被非法用戶讀取。其它重要的應用有公共行政管理、移動交易（如電子商務或郵遞商務）以及機場和在醫院中控制患者的病歷等。
雖然目前生物測定傳感器的單位價格已經低于五美元，但是為了進一步降低它們的價格，奧地利的Nanoident公司研制出了由聚合物半導體制成的光學傳感器，它的價格比其同類的硅半導體傳感器要低廉得多。使用這種傳感器能制出柔軟易曲的指紋掃描器并能將其嵌入到智能卡中。每個傳感器帶有256個50μ×50μ的像素，所產生圖像的分辨率為250dpi。
圖像傳感器：用CCD還是CMOS？
對保安問題日益增加的關注導致了人們在監視系統上的投資越來越多。事實上視頻監視領域正在不斷地擴大。根據市場分析機構RNCOS的預測，人們對視頻監視系統的需求量將從目前的10%增加到2009年的36%；在今后的五年里，其總銷售額將從目前的七十億美金增至一百三十億美金。監視產業正在經歷一場重大變革。據估計超過90%的監視錄像機是模擬型的。模擬監視系統通過同軸電纜將CCTV（Closed-circuittelevision-閉路電視）攝像機連接到中央磁帶錄像機或硬盤上。如今模擬錄像正逐步地被數字化、壓縮并按照Internet協議做成數據包送到Internet的服務器上。
最新一代智能攝像機可以對捕捉到的圖像進行高等分析。監視錄像可以在數字攝像機上直接被編譯成H.264碼并以較低的位速率在Ethernet上傳送。 據ICInsights估計，2008年圖像傳感器的市場總銷售額將會達到七十六億美金，比2007年多10%。CMOS圖像傳感器的銷售額于2007年降低了12%之后，在2008年預計會上升19%，達到四十四億美金；同時CCD（電荷耦合裝置）的銷售額在2008年會達到三十二億美金，下降1%，相比之下，其2007年的銷售額與以往持平。OmniVision在2007年成為CMOS圖像傳感器的最大供應商，其次是MicronTechnology、STMicroelectronics、Toshiba和Sony。
多虧有了Sharp公司的微型精加工技術（micro-finishingtechnology），這項技術起源于高分辨率小型數碼相機，使入射光的采集率和光電轉化率得到了非常大的提高，敏感度比以前的類型高1.6倍。因為它們的這些優良性能，新的CCD傳感器很適合用于保安攝像機系統，即使在夜間光線很差的情況下它們也能攝出清晰的圖像。RJ2311CA0PB傳感器產生的NTSC信號的分辨率為270,000像素；而RJ2321CA0PB產生的PAL信號的分辨率為320,000像素。
編輯精選
