多功能傳感器

多功能傳感器是傳感器技術中的一個新的發展方向。現在一般的單一傳感器只能測量一種物理量或化學量。在工業生產、航空航天等領域，為了準確全面地認識對象或環境，往往需要同時測量多個物理量、化學量，因此希望儘可能把幾個敏感元件製作在一起，使一個傳感器能夠同時測量幾個參數，具有多種功能。例如，使用特殊的陶瓷把温度和濕度敏感元件集成在一起，做成温濕度傳感器；把檢測鈉離子和鉀離子的敏感元件集成在一個基片上，製成測量血液中離子成分的傳感器；將檢測幾種不同氣體的敏感元件用厚膜製造工藝作在一個基片上，製成能夠檢測H₂S、C₈H₁₈、NH₃等多四種氣體的多功能傳感器；在同一硅片上製作應變計和温度敏感元件，製成同時測量壓力和温度的多功能傳感器，該傳感器還可以實現温度補償。

多功能傳感器和微處理機、信號處理電路結合起來，就組成多功能智能傳感器。 ^[1] 

一般的傳感器多為一個傳感器測量一個參數，而開發的則是利用一個傳感器測量多個參數的多功能傳感器。如日本開發出的可同時檢測Na⁺、K⁺和H⁺離子的傳感器，用這種傳感器可同時檢測血液中的鈉、鉀和氫離子濃度，對診斷心血管疾患有很大的意義。該傳感器的尺寸為2.5×0.5mm²，可直接用導管送到心臟內進行測量。

氣體傳感器在多功能方面的進步最具有代表性。如圖《多功能氣體傳感器》所示的是能夠同時測量H₂S、C₈H₁₈、C₁₀H₂₀O、NH₃四種氣體的多功能傳感器的結構示意圖。從圖中可見共有六個用不同感知材料製成的敏感部分、其敏感材料有ZnO、SnO₂、WO₃、WO₃（Pt）、SnO₂（Pd）、ZnO（Pt），它們對被測的四種氣體雖均有響應，但其響應的靈敏度卻有很大差別，根據其從不同敏感部分之輸出差異即可測出被測氣體的濃度。這種多功能氣體傳感器用厚膜製造工藝作在同一基板上，在測量時需要加熱。

如果把六個敏感暎所輸出的信息輸入微計算機，就是一種多功能智能氣體傳感器。 ^[2] 

主要的執行規則和結構模式：

（1）多功能傳感器系統由若干種各不相同的敏感元件組成，可以用來同時測量多種參數。例如，可以將一個温度探測器和一個濕度探測器配置在一起製造成一種新的傳感器，這種新的傳感器就能夠同時測量温度和濕度。

（2）將若干種不同的敏感元件精巧地製作在單獨的一塊硅片中，從而構成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。由於這些敏感元件是被綜裝在同一塊硅片中的，它們無論何時都工作在同一種條件下，所以很容易對系統誤差進行補償和校正。

（3）藉助於同一個傳感器的不同效應可以獲得不同的信息。以線圈為例，它所表現出來的電容和電感是各不相同的。

（4）在不同的激勵條件下，同一個敏感元件將表現出來不同的特徵。而在電壓、電流或温度等激勵條件均不相同的情況下，由若干種敏感元件組成的一個多功能傳感器的特徵可想而知將會是多麼的千差萬別。有時候簡直就相當於是若干個不同的傳感器一樣，其多功能特徵可謂名副其實。

集成化多功能傳感器是傳感器技術中一個新的發展方向。一般的單一傳感器只能測量一個物理量，在工業生產、航空航天等領域，為了準確全面地認識對象或環境，以進一步進行控制，往往需要同時測量多個物理量。因此希望儘可能把幾種敏感元件製作在一起，使一個傳感器能同時測量幾個參數，具有多種功能，這種多功能傳感器不但體積小、功能強，而且採集的信息集中，便於處理。

一般來説，傳感器的多種功能可以由一個敏感元件的不同物理（或化學）效應及其不同的特性來實現。隨着傳感器及微加工技術的發展。人們也可以在同一材料或硅片上製作幾種敏感元件，製成集成化多功能傳感器。幾種不同的敏感元件組合在一起形成一個傳感器。這種多功能傳感器可以同時測量幾個參數，各敏感元件相互獨立的。例如把測温度和測濕度敏感元件組合在一起，可以同時測量温度和濕度。把幾種不同的敏感元件製作在一個硅片上，製成集成化多功能傳感器具有更大的優越性。這種傳感器的集成度高、體積小。同時由於集成在一個芯片上，各個敏感元件的工作條件相同，容易實現相互補償和校正，這是多、功能傳感器的發展的一個方向。

集成化敏感器件多采用薄膜或厚膜技術製備，例如真率蒸發、高頻濺射和噴霧等技術。一種超微粒薄膜集成氣敏元件是這樣製造的：首先在硅單晶片上制擴散電阻和測温二極管，後在其上覆蓋二氧化硅膜，再做好電極，最後在電極上覆蓋SnO₂超微粒薄膜，形成集成氣體敏感元件。SnO₂薄膜晶粒的平均粒度為幾十納米到幾百納米，比表面積達100～200m²/g。這種傳感器的比表面積大，比塊狀材料有更高的靈敏度和響應速度。用厚膜技術製備的傳感器有：在磷灰石濕度敏感器件的外面塗覆ZnO厚膜材料以檢測氣體和濕度；在濕敏傳感器的RuO₂電極上製作氣敏ZnO膜等構成温一濕敏傳感器多孔陶瓷材料；在MgCr₂O₄、NiCr₂O₄等濕敏襯底上面製作Ag—Pd、RuO₂等導電體，然後在上面製作Mn—Co—Ni系NTC熱敏電阻厚膜，組成熱敏—濕敏複合傳感器。

隨着集成化技術的發展和半導體細加工技術的進步，傳感器逐漸採用集成化技術，實現高性能化和微型化。集成温度傳感器、集成壓力傳感器等早已被使用，今後將有更多集成傳感器被開發出來。 ^[1] 

多功能傳感器無疑是當前傳感器技術發展中一個全新的研究方向，日前有許多學者正在積極從事於該領域的研究工作。如將某些類型的傳感器進行適當組合而使之成為新的傳感器，如用來測量流體壓力和互異壓力的組合傳感器。又如，為了能夠以較高的靈敏度和較小的粒度同時探測多種信號，微型數字式三端口傳感器可以同時採用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件；這種組配方式的傳感器不但能夠輸出模擬信號，而且還能夠輸出頻率信號和數字信號。

各種類型的仿生傳感器是較熱門的研究領域，而且在感觸、刺激以及視聽辨別等方面已有最新研究成果問世。從實用的角度考慮，多功能傳感器中應用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器，譬如人造皮膚觸覺傳感器就是其中之一，這種傳感器系統由PVDF材料、無觸點皮膚敏感系統以及具有壓力敏感傳導功能的橡膠觸覺傳感器等組成。無觸點超聲波傳感器、紅外輻射引導傳感器、薄膜式電容傳感器、以及温度、氣體傳感器等在美國本土應用甚廣。

這種多功能傳感器已應用於差壓變送器上。具體情況是，該傳感器輸出的差壓、靜壓和温度三個信號經前置放大，A/D變換送入微處理器中，其中靜壓和温度信號用於對差壓進行補償，補償處理後的差壓再經D/A變換成4～20mA的標準信號輸出，也可經數字接口直接輸出數字信號。 ^[3]