从1974年诞生的中国第一个实用压阻式传感器开始，到目前应用火热的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）传感器，微电子技术的发展不断推动传感器技术的进步。同时，全球基础元器件市场的增长推动了整机制造技术水平的全面提升，传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前发展。据预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上，其中中国传感器市场的增长率超过15%。
技术进步和成本下降为传感器设计应用带来更灵活空间，节省空间和降低成本，传感器智能化和微型化的发展趋势为整机产品实现差异化功能提供可能；另一方面，随着低碳经济对新型能源和节能减排的要求，更高效率和更精准控制的传感技术获得新应用，传感器产品的应用领域不断拓展，出现在更多之前未曾涉及的领域，如新能源中的风力发电/光伏发电系统中发挥重要作用。
同时，各种多样化应用对传感器设计的不同需求，给工程师设计和应用带来挑战，需要考虑不同环境下的整体设计，包括可靠性/抗干扰等技术问题，并且不能影响日益严格的质量与成本目标。
本期半月谈为工程师带来传感技术的最新进展和应用新理念，从下面七点阐述了低碳经济需求下传感器向智能化/微型化的发展趋势，以及多样化应用设计带来的挑战；帮助工程师了解在风力发电和光伏发电系统中传感器的最新应用等。
- 电容传感器在汽车/太阳能热水器中的应用
- MEMS在智能家电中的特性化应用
- 气体传感器在石油化学工业气体中的应用
- 传感器接口电路的抗干扰设计
- 高度集成电流传感器应对电力系统设计挑战
- 风力发电应用中的光纤传感器
- 自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术
技术进步/成本下降拓展广阔应用
引进新技术发展新功能是传感器的最大特点，设计优化和封装制程更新换代等因素推动传感器技术的进步。各类传感器技术向着微型化、集成化、智能化、网络化趋势发展。其中，汽车传感器无疑是受技术进步影响最大的领域，技术的进步促进了各种传感器在汽车上的广泛应用，不在仅仅单纯用于发动机上，巳扩展到底盘、车身和灯光电气系统上，担负着测量温度、压力、流量、位置、气体浓度、速度、光亮度、干湿度、距离等功能。
以电容式传感器为例。过去，由于电容传感器被认为具有难以控制、不易读取、易于老化和温度要求严格等特点，很少用于汽车电子之中，随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，加上它们具有生产成本较低、外形适应简单、功耗低等特性，推动了它们在汽车压力、液位、湿度测量方面的应用，由此电容传感器在汽车中的应用数量大幅增长。同时，电容传感器结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，使得它在其他领域也大显身手，在太阳能热水器中电容传感器也有取代传统电极式传感器的趋势。
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成本的不断下降也是传感器赢得广阔应用市场的另外一个重要因素，以MEMS传感器为例，它的主要优势在于体积小、大规模量产后成本下降快，目前主要应用在汽车和消费电子两大领域。
随着MEMS传感器加工成本降低，目前用于消费电子产品的MEMS IC的批量单价在1至1.50美元的水平，其应用范围已从各种便携式设备向种类繁多的家用电器延伸，MEMS丰富的算法和功能可使整机产品具备差异化功能而在市场上脱颖而出。如洗衣机的马达转动常常造成机身抖动，导致噪声提高寿命降低，而MEMS可有效感知出机身震动情况，将信号反馈给控制器以调节马达转速，从而使设备保持高效运转，延长使用寿命。
据IC Insight最新报告预计，在2007年至2012年间，全球基于MEMS的半导体传感器和制动器的销售额将达到19%的年均复合增长率，2012年后将实现97亿美元的年销售额。
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此外，各工业部门为节约原材料、降低能耗、提高经济效益，将大量采用工业过程控制传感器；环保工程中所需各类传感器的需求会愈加旺盛，尤其是我国投入4万亿元用于基础建设项目以及应对国际金融危机采取的防范措施等重点工程，无疑会大幅度促进传感器产业的需求增长，其中农业、环保、医疗卫生以及仪器|仪表检测用传感器将是广阔的新市场。
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- 湿度传感器的发展趋势
- 气体传感器在石油化学工业气体中的应用[page]
多样化应用带来设计挑战
由于元器件变得越来越复杂，工程师们需要更加专业的知识才能使元器件应用最优化。在传感器的设计中，更大的压力来自于各种应用的不同需求，设计人员必须考虑应对不同环境下整体设计，并且不能影响日益严格的质量与成本目标。
过去单一功能的传感器件也越来越多被具有信号处理和控制算法的传感器所取代，使得设计中需要考虑更多干扰和可靠性方面的要求。如传感器接口电路中抗干扰设计，凡是传感器接口电路都存在小信号处理问题，因为传感器的输出一般都是小信号，将其精确的放大到所需要的信号(如0～5V)，并能达到所需要的技术指标，就必须注意到电路图上未表示出来的某些问题，即抗干扰问题，再进一步讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前，有必要进行讨论。
干扰可粗略的分为3个方面：
- 局部产生(即不需要的热电偶)
- 子系统内部的耦合(即地线的路径问题)
- 外部产生(即电源频率的干扰)
接口电路的防干扰问题是得到高质量信号的重要措施之一，传感器的输出信号越低，接口电路的放大元件的选择，以及防干扰措施要求越严格，但要求传感器的信号大，又会影响传感器输出的非线性等特性，这是矛盾的。如何解决这些矛盾，工程师在实际运用中应考虑在线性度允许的条件下，尽可能地提高传感器的输出灵敏度。
更详细内容请点击：传感器接口电路的抗干扰设计
另一个挑战是节约能源的需求，该要求意味着越来越多的过去曾经采用机械控制的应用场合将改变成全电子控制，由此提供更高的可靠性、改进的调节功能以及更高的能源效率。尤其是能源效率或“绿色”设计的需要。
一个典型的案例就是家用电器，比如洗衣机，用户要求高效率并便于操作，这促使制造商采用新型电机控制技术，由此带来的是新型传感器的开发和应用需求。在空调设备中，更多变频控制可以更准确地控制温度以及大幅度地降低噪音，更精细调节和舒适度的需求需要更多的传感器来完成。
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低碳经济催生传感器应用新理念
21世纪，低碳经济的浪潮不可抵挡，节能减排与新能源成为各国政府重点发展的领域，细分到我们所熟悉的与传感器相关的行业，则包括了核电、风电、光伏发电、智能电网、清洁煤发电等产业。如最近一段时间，传感技术开始用于检测和优化风力发电风轮系统，通常在风轮组装的时候安装在风轮上。
作为发展最快的能源技术，风轮的尺寸越来越大。又安装在比较遥远的地点。监视工程师需要实时了解这些风轮的状态，因此传感技术的应用将帮助工程师及时了解信息和进行远程控制。
延伸阅读：风力发电应用中的光纤传感器
在光伏发电系统中方位和仰角太阳传感器，风力传感器，日光开关三种传感器构成了日光跟踪器。
延伸阅读：自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术
低碳经济的概念正在渗入到各个行业，以环保、节能、高效为特征的需求，将会为新型元器件和传感器行业迎来一个发展新机遇!
