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光电传感器的市场领域及发展方向

发表于:2019年07月10日 浏览量:

导读:光电传感器的市场领域及发展方向...


                                         光电传感器的市场领域及发展方向



   市场领域

    光电传感器的主要应用领域:车载娱乐/导航/DVD系统背光控制,以便在所有的环境光条件下都可以显示出理想的背光亮度;后座娱乐用显示器背光控制;仪表组背光控制(速度计/转速计);自动后视镜亮度控制(通常要求两个传感器,一个是前向的,一个是后向的);自动前大灯和雨水感应控制(专用,根据需求进行变化);后视相机控制(专用,根据需求进行变化)。在提供更舒适的显示质量方面已经成为最有效的解决方案之一,它具有与人眼相似的特性,这对于汽车应用而言至关重要,因为这些应用要求在所有环境光条件下都能达到完全的背光效果。例如,在白天,用户需要最大的亮度来实现最佳的可见度,但是这种亮度在对于夜间条件而言则是过亮的,因此带有良好光谱响应 (良好的IR衰减)的光传感器、适当的动态范围和整体的良好输出信号调节可以很容易地自动完成这些应用。终端用户可以设置几个阈值水平(如低、中、亮光),或能够随意地动态地改变传感器的背光亮度。这也适用于汽车后视镜亮度控制,当镜子变暗和/或变亮时需要智能的亮度管理,可以通过环境光传感器来完成。

    对于便携式应用,如果用户不改变系统设置(通常是亮度控制),那么一个显示器总是消耗同样多的能量。在室外等特别亮的区域,用户倾向于提高显示器的亮度,这就会增加系统的功耗。而当条件变化时,如进入建筑物,大多数用户都不会去改变设置,因此系统功耗仍然保持很高。但是,通过使用一个光传感器,系统能够自动检测条件变化并调节设置,以保证显示器处于最佳的亮度,进而降低总功耗。在一般的消费类应用中,这也能够延长电池寿命。对于移动电话、笔计本电脑、PAD和数码相机,通过采用环境光传感器反馈,可以自动进行亮度控制,从而延长了电池寿命。

    并不是一个新的构想。在数十年前就已经利用光电二极管和光敏电阻来实现这一构想。所谓新构想,是指对环境光感应的同时还能消减无用的红外线和紫外线光,而且在支持汽车规格AECQ-1000严格要求的同时还可以实现小封装,尤其是能够保证在-40度至+105度(2级)温度范围内的操作,以满足其余的规格要求。如何保持工作质量标准并满足AECQ-1000的2级工作要求,这是当今在所有光设计解决方案中所面临的挑战。采用一个光传感器或LED发射器或接收器时,任何的光学解决方案都会面临着暴露在恒定高温下(>+85度)而出现的封装变色问题(会变暗或变成淡黄)。同样值得一提的是,到目前为止,所有环境光传感器的应用都限于车舱内,在发动机舱或户外环境中还没有出现光传感器应用。事实上,即使出现了这样的应用,光封装也不是针对这样的苛刻条件(+125或+150度的条件)而设计,因此,在当前的光学封装技术下,它们很可能还不能够承受这样的条件。

    半导体相似传感器和封装开发的最新进展使得终端用户在光传感器上具有了更广泛的选择。小封装、低功耗、高集成和简单易用性是设计者更多地采用光传感器的原因,其应用范围涉及消费类电子、工业应用以及汽车领域。

新技术和应用

    1、用于目标跟踪和坐标定位256光电管阵列四象限CMOS光电传感器

将传统的象限传感器与当前迅速发展的CMOS图象传感器相结合,提出了使用有源传感阵列感光的256单元光电管阵列四象限CMOS光电传感器。

该传感器的感光单元采用了CMOS图象传感器中使用的有源像素传感器(Active Pixel Sensor,APS)设计,在感光单元内部由光电信号预处理电路直接将传感产生的光电信号转化为幅度较大的电信号输出,避免了对微弱信号的处理,降低了噪声的影响。传感器应用阵列采集光信号,可以直接确定目标光源的坐标位置并实现一步到位的快速调整。传感器使用标准CMOS工艺制造,将传感阵列与信号处理电路集成在同一芯片上,可以实现传感器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)设计。广泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪,搜索装置,精密测量,如激光微定位、位移监控、精密机床的光电控制等领域。是一种用于目标跟踪和坐标定位的新型集成阵列四象限CMOS光电传感器。

    2、光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容CMOS数模混合传感器集成电路908fa0ec08fa513d219f73fd3d6d55fbb2fbd9df.jpg

基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的跟踪制导、位移监控、精密机床等控制等领域。基于硅的半导体磁敏传感器广泛应用于测量磁场强度的各种磁场计、读出磁介质上信息的各类磁头以及非磁信号的探测器等。

   3、应用光电二极管阵列的SPR生物传感器微弱信号检测

以提升表面等离子共振生物医学传感器的检测能力为目标,用高性能光电二极管阵列为光电转换器件,论证并实现一种可高效抑制噪声的检测方法,利用光电二极管阵列器件可输出参考噪声信号的特性,通过相干消噪结合小波软阈值消噪,使SPR传感器输出信噪比从40dB左右提高到52dB以上。用SPR传感器检测人体免疫球蛋白(IgG)分子特异性结合的实验表明,该方法显著提高了SPR传感器的分辨率,使之可精确检测样液中IgG含量10~(-3)mg/mL量级的微弱变化,精度和分辨率提升一个数量级以上。

    4、光电检测传感器阵列在运动物体检测中的应用

一个基于覆盖理论和卡尔曼滤波算法的光电检测传感器阵列,该阵列具有采集和处理阵列覆盖区域中所感知对象信息的功能,即检测和描述感知对象的存在、运动及其运动轨迹等情况。

国内外光电传感器的研究现状

    由于光电传感器的应用涉及的领域非常广泛,其研究和开发在世界上引起了高度重视,各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。从最初的应用于军事逐渐发展到民事,而且与我们的生活息息相关,应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与,如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。

    美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一,在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面,研究和开发主要包括:水下探测、航空监测、核辐射检测等。美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数,检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国拥有世界最健全的光电传感器产品线,超过12000种产品包括自含式或放大器分离型,限位开关外型或小型传感器,精密检测或长距离检测传感器,检测距离长达305m。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。大部分产品防护等级达到NEMA6P和IP67。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。20世纪90年代,研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器,日本的电器以价格适中质量好而响誉全球。西欧各国的大型企业和也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。已有上百个单位在这一领域开展工作,主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,有的达到世界先进水平。

    但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验研制阶段,还无法投入批量生产和工程化应用。 

发展方向



生产的发展方向

(1)使光电传感器从理论研究向生产一条龙的产业化模式快速发展,走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路,使我国成为世界传感器的生产大国;

(2)光电传感器产品结构全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜,尤其要填补“空白”品种;

(3)生产格局向专业化发展。即生产传感器门类少而精,且专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品,以获得较高的市场占有率,各传感器企业的专业化合作生产;

(4)光电传感器大生产技术向自动化发展。光电传感器的门类、品种繁多,所用的敏感材料各异,决定了传感器制造技术的多样性和复杂性。纵观当前光电传感器工艺线的概况,多数工艺已实现单机自动化,但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难,有待今后广泛采用CAD、CAM及先进的自动化装备和工业机器人予以突破;

(5)企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移;

(6)企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展;

(7)企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。 

研究的发展方向

光电传感及其相关技术的迅速发展,满足了各类控制装置及系统的更高要求,使得各领域的自动化程度越来越高,同时光电传感器的重要性不断提高。目前,光电传感器研究的主要方向是:(1)多用途。即一种光电传感器不仅能针对一种物理量,而且能够对多种物理量进行同时测量;(2)新型传感材料、传感技术等的开发;(3)在恶劣条件下(高温、高压等)低成本传感器(连接、安装等)的开发和应用;(4)光电传感器与其它微技术结合的微光学技术的发展。 

前景预测

    传感器市场报告显示,2008年全球传感器市场容量为506亿美元,预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。

    一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。

    全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

   光电传感器的智能化发展

    智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内外学者普遍认为,智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器( 或微计算机) 相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。

智能光电传感器的功能有: 自补偿能力,自校准功能,自诊断功能,数值处理功能,双向通信功能,信息存储和记忆功能,数字量输出功能。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。


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