[科普中国]-多功能传感器

多功能传感器（multifunctional transducer） 一般是指用一个传感器能同时感受两种或两种以上的被测量，并转换成可以接收和处理的信号的装置。例如。采用特殊陶瓷材料，就能制出可以同时检测温度和湿度的多功能传感器。又如在一个硅膜片上，在预先设计的不同位置处扩散上电阻图案，就可以同时测出差压、静压和温度。

简述多功能传感器是传感器技术中的一个新的发展方向。现在一般的单一传感器只能测量一种物理量或化学量。在工业生产、航空航天等领域，为了准确全面地认识对象或环境，往往需要同时测量多个物理量、化学量，因此希望尽可能把几个敏感元件制作在一起，使一个传感器能够同时测量几个参数，具有多种功能。例如，使用特殊的陶瓷把温度和湿度敏感元件集成在一起，做成温湿度传感器；把检测钠离子和钾离子的敏感元件集成在一个基片上，制成测量血液中离子成分的传感器；将检测几种不同气体的敏感元件用厚膜制造工艺作在一个基片上，制成能够检测H2S、C8H18、NH3等多四种气体的多功能传感器；在同一硅片上制作应变计和温度敏感元件，制成同时测量压力和温度的多功能传感器，该传感器还可以实现温度补偿。

多功能传感器和微处理机、信号处理电路结合起来，就组成多功能智能传感器。1

多功能传感器的发展一般的传感器多为一个传感器测量一个参数，而目前开发的则是利用一个传感器测量多个参数的多功能传感器。如日本开发出的可同时检测Na+、K+和H+离子的传感器，用这种传感器可同时检测血液中的钠、钾和氢离子浓度，对诊断心血管疾患有很大的意义。该传感器的尺寸为2.5×0.5mm2，可直接用导管送到心脏内进行测量。

气体传感器在多功能方面的进步最具有代表性。如图所示的是能够同时测量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四种气体的多功能传感器的结构示意图。从图中可见共有六个用不同感知材料制成的敏感部分、其敏感材料有ZnO、SnO2、WO3、WO3（Pt）、SnO2（Pd）、ZnO（Pt），它们对被测的四种气体虽均有响应，但其响应的灵敏度却有很大差别，根据其从不同敏感部分之输出差异即可测出被测气体的浓度。这种多功能气体传感器用厚膜制造工艺作在同一基板上，在测量时需要加热。

如果把六个敏感暎所输出的信息输入微计算机，就是一种多功能智能气体传感器。2

主要结构主要的执行规则和结构模式：

（1）多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。例如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起制造成一种新的传感器，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。

（2）将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。

（3）借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不相同的。

（4）在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别。有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。

集成化多功能传感器集成化多功能传感器是传感器技术中一个新的发展方向。一般的单一传感器只能测量一个物理量，在工业生产、航空航天等领域，为了准确全面地认识对象或环境，以进一步进行控制，往往需要同时测量多个物理量。因此希望尽可能把几种敏感元件制作在一起，使一个传感器能同时测量几个参数，具有多种功能，这种多功能传感器不但体积小、功能强，而且采集的信息集中，便于处理。

一般来说，传感器的多种功能可以由一个敏感元件的不同物理（或化学）效应及其不同的特性来实现。随着传感器及微加工技术的发展。人们也可以在同一材料或硅片上制作几种敏感元件，制成集成化多功能传感器。几种不同的敏感元件组合在一起形成一个传感器。这种多功能传感器可以同时测量几个参数，各敏感元件相互独立的。例如把测温度和测湿度敏感元件组合在一起，可以同时测量温度和湿度。把几种不同的敏感元件制作在一个硅片上，制成集成化多功能传感器具有更大的优越性。这种传感器的集成度高、体积小。同时由于集成在一个芯片上，各个敏感元件的工作条件相同，容易实现相互补偿和校正，这是多、功能传感器的发展的一个方向。

目前的集成化敏感器件多采用薄膜或厚膜技术制备，例如真率蒸发、高频溅射和喷雾等技术。一种超微粒薄膜集成气敏元件是这样制造的：首先在硅单晶片上制扩散电阻和测温二极管，后在其上覆盖二氧化硅膜，再做好电极，最后在电极上覆盖SnO2超微粒薄膜，形成集成气体敏感元件。SnO2薄膜晶粒的平均粒度为几十纳米到几百纳米，比表面积达100～200m2/g。这种传感器的比表面积大，比块状材料有更高的灵敏度和响应速度。用厚膜技术制备的传感器有：在磷灰石湿度敏感器件的外面涂覆ZnO厚膜材料以检测气体和湿度；在湿敏传感器的RuO2电极上制作气敏ZnO膜等构成温一湿敏传感器多孔陶瓷材料；在MgCr2O4、NiCr2O4等湿敏衬底上面制作Ag—Pd、RuO2等导电体，然后在上面制作Mn—Co—Ni系NTC热敏电阻厚膜，组成热敏—湿敏复合传感器。

随着集成化技术的发展和半导体细加工技术的进步，传感器逐渐采用集成化技术，实现高性能化和微型化。集成温度传感器、集成压力传感器等早已被使用，今后将有更多集成传感器被开发出来。1

主要应用多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。又如，为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号。

各种类型的仿生传感器是较热门的研究领域，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。无触点超声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器等在美国本土应用甚广。

这种多功能传感器已应用于差压变送器上。具体情况是，该传感器输出的差压、静压和温度三个信号经前置放大，A/D变换送入微处理器中，其中静压和温度信号用于对差压进行补偿，补偿处理后的差压再经D/A变换成4～20mA的标准信号输出，也可经数字接口直接输出数字信号。3

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院