清華大學(xué)精密儀器系：智能傳感器太重要了！

       隨著智能時(shí)代的到來，各種智能傳感器的研究和應(yīng)用越來越受到人們的重視。智能傳感器在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上還具有豐富的信息處理能力，能夠提供更綜合的功能。本文介紹了常用的溫度、壓力、慣性、生化和RFID傳感器的研究現(xiàn)狀及其在物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、機(jī)器人、醫(yī)療健康等產(chǎn)業(yè)升級和創(chuàng)新應(yīng)用中的關(guān)鍵作用，并對智能傳感器今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

作者：清華大學(xué)精密儀器系 | 尤政

       智能傳感器（smart sensor）指具有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。

       相對于僅提供表征待測物理量的模擬電壓信號的傳統(tǒng)傳感器，智能傳感器充分利用集成技術(shù)和微處理器技術(shù)，集感知、信息處理、通信于一體，能提供以數(shù)字量方式傳播的具有一定知識級別的信息。

       自美國宇航局（NASA）在 20 世紀(jì)80年代提出智能傳感器的概念以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，智能傳感器已成為傳感器技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向，代表著一個(gè)國家的工業(yè)及技術(shù)科研能力。

       在當(dāng)前智能時(shí)代的推動下，傳感器的重要性更加凸顯，不僅在《中國制造2025》、《德國 2020 高技術(shù)戰(zhàn)略》及歐盟、美國、韓國、新加坡等推進(jìn)的智慧城市等戰(zhàn)略方面發(fā)揮著重要的支撐作用，而且也在物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、機(jī)器人、智能家居、自動駕駛汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

       高性能、高可靠性的多功能復(fù)雜自動、測控系統(tǒng)以及基于射頻識別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，愈發(fā)凸顯了具有感知、認(rèn)知能力的智能傳感器的重要性及其大力、快速發(fā)展的迫切性。

       隨著與 CMOS 兼容的MEMS技術(shù)的發(fā)展，微型智能傳感器的發(fā)展得到了有力的技術(shù)支撐，智能傳感器產(chǎn)業(yè)面臨著一個(gè)非常重要的歷史發(fā)展契機(jī)。

本文綜述不同種類智能傳感器技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，并對今后的發(fā)展趨勢做出展望。

1 豐富多樣的智能傳感器

       為滿足各種智能化的應(yīng)用需求，傳感器類別非常多樣化，例如：環(huán)境傳感器、慣性傳感器、模擬類傳感器、磁性傳感器、生物傳感器、紅外傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器等。

       其中，以下傳感器比較常用。

       環(huán)境傳感器，主要有氣體傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。氣體傳感器可以應(yīng)用于空氣凈化器、酒駕監(jiān)測器、家裝中甲醛等有毒氣體的檢測器以及工業(yè)廢氣的檢測裝置等。隨著人們對環(huán)境問題的重視，環(huán)境傳感器的重要性越來越凸顯，未來有很大的發(fā)展空間。

       慣性傳感器，主要應(yīng)用在可穿戴產(chǎn)品上，比如智能手環(huán)、智能手表、VR頭盔等。通過慣性傳感器來檢測運(yùn)動的跟蹤、識別，告知佩戴者當(dāng)天的運(yùn)動量、消耗的卡路里及運(yùn)動的效果。

       磁性傳感器，主要用在家用電器上，比如咖啡機(jī)、熱水器、空調(diào)等，用來檢測角度轉(zhuǎn)了多少或者行程多少，通常顯示在儀表盤上。此外，門磁和窗磁等方面采用的也是磁性傳感器，機(jī)器人的智能化和精準(zhǔn)度也需要磁性傳感器做支撐。

       模擬類傳感器，主要應(yīng)用在智慧醫(yī)療設(shè)備上，可以作為心跳、心電圖等信號的輸入，并將健康數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的輸出，讓用戶了解自身第一手健康、運(yùn)動數(shù)據(jù)。

       紅外傳感器常應(yīng)用于紅外攝像頭、掃地機(jī)器人等智能家居方面。

2 智能傳感器的技術(shù)研究進(jìn)展

       一個(gè)真正意義的智能傳感器應(yīng)具有如下功能：

1）自校準(zhǔn)、自標(biāo)定和自動補(bǔ)償功能；

2）自動采集數(shù)據(jù)、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理功能；

3）自調(diào)整、自適應(yīng)功能；

4）一定程度的存儲、識別和信息處理功能；

5）雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化輸出或者符號輸出功能；

6）算法判斷、決策處理的功能。

下面以常用的溫度、壓力、慣性、生化和RFID傳感器為例，介紹智能傳感技術(shù)的研究進(jìn)展。

2.1 智能溫度傳感器

溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：傳統(tǒng)分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器和智能溫度傳感器。

       進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等方向迅速發(fā)展。

       目前的智能溫度傳感器包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器和接口電路，有的產(chǎn)品還帶有多路選擇器、中央控制器、隨機(jī)存取儲存器和只讀存儲器。

       智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器，并且是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件實(shí)現(xiàn)測試功能，其智能化程度取決于軟件開發(fā)水平。

1）提高測量精度和分辨率

       最早的智能溫度傳感器始于20世紀(jì)90年代中期，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨率只能達(dá)到1℃。

       目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，使用9~12位A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率可以達(dá)到0.5~0.625℃。由美國 Dallas 半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，分辨率高達(dá) 0.03℃，測溫精度為±0.2℃。

       為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為 27 ms、9 ms。

       在高精密溫度測量方面，有學(xué)者設(shè)計(jì)了高性能數(shù)字溫度傳感器，該傳感器由石英音叉諧振器，數(shù)字接口電路和基于現(xiàn)場可編程門陣列的傳感器重置控制算法構(gòu)成，傳感器的靈敏度可以達(dá)到10 -6 ℃的數(shù)量，即測溫分辨率為0.001℃，響應(yīng)時(shí)間1 s，測量精度為0.01℃。

2）增強(qiáng)測試功能

       新型智能溫度傳感器的測試功能不斷增強(qiáng)。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式。

       對于某些智能溫度傳感器，主機(jī)（外部微處理器或單片機(jī)）還可通過相應(yīng)的寄存器設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率、分辨率及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間。

       另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道方向發(fā)展，這就為研發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。

3）總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化

       目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線（-Wire）總線、I 2 C總線、SMBus總線和SPI總線。

4）可靠性及安全性設(shè)計(jì)

       為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時(shí)產(chǎn)生誤動作，在一些智能溫度傳感器的內(nèi)部，設(shè)置了一個(gè)可編程的故障排隊(duì)計(jì)數(shù)器，專用于設(shè)定允許被測溫度值超過上下限的次數(shù)。僅當(dāng)被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達(dá)到所設(shè)定的次數(shù)才能觸發(fā)中斷端口，避免了偶然噪聲干擾對溫控系統(tǒng)的影響。

       為了防止因人體靜電放電而損壞芯片，一些智能溫度傳感器還增加了靜電保護(hù)電路，一般可以承受1~4 kV的靜電放電電壓。

       例如TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較信號輸出端和地址輸入端均可承受1 kV的靜電放電電壓。LM83型智能溫度傳感器則可承受4 kV的靜電放電電壓。

2.2 智能壓力傳感器

       智能壓力傳感器是微處理器與壓力傳感器的結(jié)合，因此它們的實(shí)現(xiàn)途徑可以分為：非集成化智能壓力傳感器、集成化智能壓力傳感器和混合型智能壓力傳感器。

       非集成化的智能壓力傳感器是把傳統(tǒng)的壓力傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合成一體的智能壓力傳感器系統(tǒng)。

       這種非集成化的壓力傳感器實(shí)際上是傳統(tǒng)壓力傳感器系統(tǒng)上增加了微處理器的連接。因此，這是一種實(shí)現(xiàn)智能壓力傳感器系統(tǒng)最快的途徑和方式。

       集成化智能壓力傳感器是將壓力敏感元件與信號處理、校準(zhǔn)、補(bǔ)償、微控制器等進(jìn)行單片集成，主要采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基體材料制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理單元，并集成在一塊芯片上。

       隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及微納米技術(shù)的應(yīng)用，由此制成的智能壓力傳感器具有微型化、結(jié)構(gòu)一體化、精度高、多功能、陣列式、全數(shù)字化、使用方便、操作簡單等特點(diǎn)。

       混合式智能壓力傳感器是根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同組合方式集成在2~3塊芯片上，并封裝在一個(gè)外殼中。

       混合集成實(shí)現(xiàn)智能化是一種非常適合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的智能化途徑。在智能壓力傳感器系統(tǒng)中，微處理器能夠按照給定的程序?qū)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)軟件控制，把傳感器從單一功能變?yōu)槎喙δ?。智能壓力傳感器一般具有以下基本功?。

1）數(shù)據(jù)處理功能。智能壓力傳感器不僅對各個(gè)被測參數(shù)進(jìn)行測量，而且根據(jù)已知被測量參數(shù)，能夠自動調(diào)零、自動平衡、自動補(bǔ)償?shù)取?/span>

2）自動診斷功能。這是智能壓力傳感器的主要功能，智能壓力傳感器通過其故障診斷軟件和自檢測軟件，自動對傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期和不定期的檢測、測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，協(xié)助診斷發(fā)生故障的原因、位置，并給予操作提示。

3）軟件組態(tài)功能。智能壓力傳感器由于采用了微處理器，所以不僅有必要的硬件組成，例如檢測、放大、A/D、D/A、通信接口等，而且還有軟件資源用于控制和處理數(shù)據(jù)。在智能壓力傳感器中，設(shè)置有多模塊化的硬件和軟件，用戶可以通過微處理器發(fā)送命令，完成不同的功能，增加了傳感器的靈活性和可靠性。

2.3 智能慣性傳感器

       慣性傳感器，是MEMS傳感器中得到最廣泛應(yīng)用的一類傳感器，包括加速度計(jì)、陀螺儀和方位傳感器。MEMS技術(shù)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了慣性傳感器的小型化并且降低了成本。

       現(xiàn)在的慣性測量模塊（IMU）可以在 10 mm×10mm×4 mm的尺寸內(nèi)，集成三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁強(qiáng)計(jì)，而成本在1美元以內(nèi)。這種慣性測量模塊可應(yīng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)包括步態(tài)監(jiān)測、步數(shù)統(tǒng)計(jì)、跌倒檢測、睡眠監(jiān)測、室內(nèi)導(dǎo)航等運(yùn)動、健康方面的功能，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)手勢識別、方向感知等娛樂方面的功能 。

1）更小、更靈活、更節(jié)能、高性能、高集成。

       應(yīng)用于可穿戴設(shè)備上的智能慣性傳感器，需要具有更小的尺寸，更低的功耗，作為體域網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最終實(shí)現(xiàn)柔性化。

       目前全球最小的三軸加速度計(jì)是博世公司在2014年發(fā)布的BMA355，采用晶圓級封裝，尺寸僅為1.2 mm×1.5 mm×0.8 mm，功耗極低，工作電流僅為130 μA，而在低功耗模式下，電流可降低到1/10。

       此外，BMA355還具有強(qiáng)大的智能終端引擎，中斷模式包括數(shù)據(jù)就緒同步、運(yùn)動喚醒、敲擊感測、方向識別、水平和豎直切換開關(guān)、低g值/高g值沖擊檢測、自由落體檢測、節(jié)電管理等，可用于健康追蹤器、計(jì)步器（智能手表和手環(huán)）、珠寶首飾等可穿戴設(shè)備 。

       除了可穿戴設(shè)備的應(yīng)用外，慣性傳感器在軍事領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，不同于可穿戴設(shè)備上的要求，軍事方面的應(yīng)用對傳感器精度、可靠性以及在極端條件下的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

       慣性傳感器，利用質(zhì)量塊的慣性來對待測量進(jìn)行測量，而MEMS傳感器質(zhì)量塊小，以陀螺儀為例，其精度一般不如傳統(tǒng)陀螺，在航空、航天等高端領(lǐng)域難以被直接應(yīng)用。

       根據(jù)現(xiàn)階段的工藝水平，采用單個(gè)MEMS陀螺的精度已經(jīng)接近現(xiàn)階段的極限，需要通過新的方法來提高M(jìn)EMS陀螺儀的精度。

2）多傳感器集成與數(shù)據(jù)融合。

       考慮到MEMS傳感器體積小、成本低，可以利用多傳感器集成與數(shù)據(jù)融合技術(shù)來提高精度，即通過多個(gè)傳感器的信息融合實(shí)現(xiàn)優(yōu)于單個(gè)傳感器的性能。

       NASA在2003年提出了虛擬陀螺的概念，即使用多個(gè)MEMS陀螺組成陣列，對同一信號進(jìn)行冗余檢測并輸出多個(gè)檢測值，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對這些檢測值進(jìn)行分析綜合，將陀螺陣列融合成一個(gè)虛擬陀螺，得到對輸入角速率的最優(yōu)估計(jì)值，大大提高了陀螺精度。

       其后，西北工業(yè)大學(xué)的微納實(shí)驗(yàn)室對3個(gè)零偏穩(wěn)定性為35.00（°）/h的微陀螺進(jìn)行濾波處理，得到的虛擬陀螺漂移性能提高了200多倍，論證了虛擬陀螺概念的可行性，也為采用陣列化傳感器提高精度提供了新方法、新思路。

3）新的敏感機(jī)理。

       提高現(xiàn)有MEMS傳感器性能的另一個(gè)方法是發(fā)現(xiàn)新的敏感機(jī)理。西北工業(yè)大學(xué)的微納實(shí)驗(yàn)室在2015年展示了世界第一個(gè)基于模態(tài)局部化的諧振式加速度計(jì)。改變了傳統(tǒng)諧振式加速度計(jì)通過檢測諧振頻率變化敏感加速度的方式，而是通過檢測2個(gè)弱耦合諧振器振幅比的變化敏感加速度，將靈敏度提升300倍，為高精度慣性傳感器的研制開辟了一條新的道路。

       同時(shí)，該課題組基于強(qiáng)迫熱對流現(xiàn)象設(shè)計(jì)出了一種多軸慣性傳感器“射流轉(zhuǎn)子陀螺” ，最多可以同時(shí)敏感3個(gè)方向的角速度與3個(gè)方向的線加速度。利用流體粒子代替固體質(zhì)量塊，也開創(chuàng)了一個(gè)相對較新的MEMS研究領(lǐng)域。

       流體慣性傳感省略了可動部件，具有器件結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。隨著敏感機(jī)理的新發(fā)現(xiàn)、微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展以及新型材料的應(yīng)用，MEMS慣性傳感器將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)種類的多樣化與精細(xì)化，在可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品、慣性導(dǎo)航及自動控制的軍用領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

2.4 射頻識別技術(shù)

       射頻識別技術(shù)（RFID），是利用無線電信號進(jìn)行自動識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的通信技術(shù)，無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。按照標(biāo)簽有源與否可分為無源標(biāo)簽、半無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽。

       無源標(biāo)簽又稱為被動式標(biāo)簽，從RFID讀取器的詢問無線電波中獲得能量。而有源標(biāo)簽，又稱為主動式標(biāo)簽和半無源標(biāo)簽，均具有內(nèi)部電源，可在距離RFID讀取器數(shù)百米的范圍被識別。

       兩者的區(qū)別在于有源標(biāo)簽無需讀取器提供能量便可發(fā)射信號，而半無源標(biāo)簽仍依賴讀取器提供的能量發(fā)射信號。與條形碼相比，RFID標(biāo)簽被識別時(shí)不需要在讀取器的視線內(nèi)，所以RFID技術(shù)可嵌入被識別物體內(nèi)。

       RFID是智能識別和數(shù)據(jù)采集（AIDC）的一種方法，也是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分，主要應(yīng)用在國防與安全、身份識別、環(huán)境、交通運(yùn)輸、醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)等領(lǐng)域 。

       RFID的核心技術(shù)包括RFID天線技術(shù)、數(shù)據(jù)的完整性與安全性、RFID中間件技術(shù)以及RFID的標(biāo)準(zhǔn)體系。近年來，RFID的研究熱點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)的完整性與安全性，比如在獲取信息的同時(shí)保證用戶的隱私不被泄漏，含有RFID標(biāo)簽的物品所有權(quán)改變時(shí)的隱私保護(hù)以及利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)其他領(lǐng)域的應(yīng)用，如基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位等。

2.5 智能生化傳感器

       生化傳感器是指能夠感應(yīng)生物化學(xué)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為有用信號輸出的器件，一般由兩部分組成：

       其一是生化分子識別元件，由具有生物分子識別能力的敏感材料組成，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，由二維新材料形成的生化敏感膜體現(xiàn)出了更加優(yōu)越的性能，也逐漸成為了生化分子識別元件研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

       其二是信號轉(zhuǎn)換器，主要是由電化學(xué)或光學(xué)檢測元件組成，如電流電位測量電極、離子敏場效應(yīng)管等。

       隨著當(dāng)前新材料、新原理以及新集成技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是MEMS技術(shù)、生物芯片（bio-chip）技術(shù)的出現(xiàn)，目前生化傳感器的研究已經(jīng)逐漸發(fā)展為以微型化、集成化、智能化為特征的生化系統(tǒng)研究。

       在過去，傳感器研究僅僅專注于提升自身性能，如靈敏度、動態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間、可靠性等，而隨著MEMS技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的不斷融合，傳感器與讀出電路的集成已成為可能，并且隨著混合集成技術(shù)的不斷進(jìn)步，更多的功能電路，包括將通信模塊、能量收集、電源管理模塊集成于智能生化傳感器當(dāng)中，為傳感器的微型化、多功能化以及智能化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

       為了真正實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化與智能化，生物傳感器需要與有源電路相集成，形成多功能化的片上系統(tǒng)。

       隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理的不斷發(fā)展，基于懸臂梁的 DNA 傳感器、基于多晶硅納米線的蛋白質(zhì)/DNA傳感器 、基于水凝膠的血糖傳感器、基于離子敏場效應(yīng)管的pH值傳感器及基于帶隙基準(zhǔn)的溫度傳感器已經(jīng)可以與其相應(yīng)的讀出電路、無線通信等模塊，集成于同一芯片上，具備自校準(zhǔn)功能，并可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自調(diào)整、自適應(yīng)功能。

       在實(shí)際應(yīng)用中，多個(gè)生化信號往往需要同時(shí)檢測，這就需要一個(gè)多傳感器的片上系統(tǒng)，利用不同的檢測原理實(shí)現(xiàn)多信號的同時(shí)檢測。

       多傳感器片上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為IC后道工藝設(shè)計(jì)提出了諸多挑戰(zhàn)，由于布局多傳感器的芯片要經(jīng)過多次后道工藝，則所有工藝必須與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，并且后道工藝也要相互兼容。

       近年來許多研究專注于攻克混合集成中的難點(diǎn)，也取得了許多成果，如圖1所示為一種無線可重構(gòu)多傳感器片上系統(tǒng)原理，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測多個(gè)生理參數(shù)，4種生化檢查中常用的傳感器（包括基于多晶硅納米線的蛋白質(zhì)傳感器、基于水凝膠的血糖傳感器、基于離子敏場效應(yīng)管的pH值傳感器以及基于帶隙基準(zhǔn)的溫度傳感器）被集成于同一芯片上。

       為實(shí)現(xiàn)智能多傳感器的微型化，模擬電路部分采用可重構(gòu)的多傳感器接口、可編程增益放大器以及10位SAR ADC的結(jié)構(gòu)，顯著縮小了芯片面積。

       此外，為實(shí)現(xiàn)智能傳感器的能量自給，2種能量收集方式被同時(shí)采用（包括砷化鎵太陽能電池采集光能以及電磁耦合方式采集射頻能量），從而解決了醫(yī)療器件在長期使用或植入應(yīng)用場景中，更換電池的問題。

       利用可重構(gòu)電路降低功耗以及使用能量收集方法延長電池壽命，也已成為智能生化傳感器研究的熱點(diǎn)。

       圖2為可重構(gòu)多傳感器片上系統(tǒng)顯微照，芯片采用 TSMC0.35 μm CMOS工藝以及必要的后道工藝制作，芯片面積為3 mm×3.75 mm，實(shí)測性能參數(shù)見表1。以上所述智能生化傳感器及其電子電路，仍使用以硅材料為主的硬質(zhì)電子材料制作。

       隨著可穿戴傳感器的發(fā)展，傳感器直接接觸人體肌膚的部分，已逐漸使用輕質(zhì)柔性材料作為襯底，以消除器件穿戴的異物感。

       可穿戴式傳感器具有診斷及監(jiān)測功能，可監(jiān)測包括生理、生化信號以及動作感應(yīng) 。

       生理、生化信號監(jiān)測有助于對神經(jīng)疾?。ㄈ绨d癇）、心血管疾?。ㄈ绺哐獕海⒎尾考膊。ㄈ缦┑冗M(jìn)行診斷，并對治療過程進(jìn)行不間斷的監(jiān)測。對重要生命體征（如心率及呼吸速度等）的不間斷監(jiān)測，可以為慢性疾病的早期診斷及臨床干預(yù)提供重要數(shù)據(jù)支持。

       這一系列可穿戴傳感器的不斷推廣，也為未來遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)的建設(shè)提供了終端硬件基礎(chǔ)。

       目前，可穿戴智能傳感器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)上述多生理、生化參數(shù)的提取，傳感器及其外圍電路均可集成于輕質(zhì)柔性襯底，2016年國際固態(tài)電路會議（ISSCC）展示了這一領(lǐng)域的最新研究成果。

       一種新的血氧飽和度及生物電信號檢測傳感器系統(tǒng)如圖3所示，有機(jī)光電二極管（OLED）、有機(jī)光檢測器（OPD）、生物電信號電極、以及包含肢 體 通 信（body channel communica?tion，BCC）電路的片上系統(tǒng)，被混合集成于柔性PET襯底上，整體面積為2.5cm×5.5 cm，包含電池質(zhì)量為2 g，系統(tǒng)功耗為 141 μW。

       該智能傳感器光學(xué)檢測部分，具有自校準(zhǔn)回路，系統(tǒng)具有自動數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能力，傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的血氧飽和度數(shù)據(jù)以及心電信號數(shù)據(jù)，通過肢體通信（BCC）收發(fā)器傳輸至中樞傳感器，另外，時(shí)鐘信號由中樞傳感器發(fā)送至各傳感器節(jié)點(diǎn)，從而去除了各節(jié)點(diǎn)外接的片外晶振，該系統(tǒng)構(gòu)架在實(shí)現(xiàn)傳感器間雙向通信的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的集成度。

       目前在可穿戴傳感器的研究中，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)、自動采集、雙向通信等智能傳感器的基本功能，如何提高復(fù)雜檢測環(huán)境下多信號采集過程中的同步精度成為了研究熱點(diǎn)。

       2016年，歐洲微電子研究中心（IMEC）與三星電子共同展示了一種多參數(shù)生理信號記錄平臺，其內(nèi)置了并發(fā)心電（ECG）、生物阻抗（BIO-Z）、皮膚流電反應(yīng)（GSR）以及光電容積描記（PPG）脈搏波傳感器，實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)同步采集，該系統(tǒng)可以為可穿戴電子產(chǎn)品提供更精確、更可靠以及更廣泛的健康評估。

       因?yàn)槎鄠鞲衅魇褂猛恍酒M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使數(shù)據(jù)流之間可以實(shí)現(xiàn)高精度同步，從而為多數(shù)據(jù)之間相關(guān)性分析以及數(shù)據(jù)融合提供了基礎(chǔ)。

       例如可以結(jié)合ECG和PPG數(shù)據(jù)分析脈搏到達(dá)時(shí)間，并進(jìn)一步估計(jì)血壓值；結(jié)合ECG、PPG和BIO-Z數(shù)據(jù)可以對血氧動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行更為精確的估計(jì)等。

       這種多參數(shù)同步采集系統(tǒng)可以為未來的數(shù)據(jù)分析提供更為精確的時(shí)序數(shù)據(jù)，為更多的生化參數(shù)估計(jì)計(jì)算提供了基礎(chǔ)，是智能傳感器的研究熱點(diǎn)和未來發(fā)展的必然趨勢。

3 智能傳感器的市場應(yīng)用

       傳感器在市場應(yīng)用方面，既可以助推傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級，例如傳統(tǒng)工業(yè)的升級、傳統(tǒng)家電的智能化升級；又可以對創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行推動，比如機(jī)器人、VR/AR（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、無人機(jī)、智慧家庭、智慧醫(yī)療和養(yǎng)老等領(lǐng)域。

3.1 對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的助力

1）推動傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

       在工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)企業(yè)面臨人力成本提高、市場需求下降等問題，傳統(tǒng)企業(yè)開始從勞動密集型轉(zhuǎn)向自動化、智能化。在整個(gè)轉(zhuǎn)型中，傳感器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，助力“中國制造”轉(zhuǎn)向“中國智造”。

       要提升工廠效能，需要在生產(chǎn)線上增加傳感裝置，進(jìn)行產(chǎn)品、工序的全程追蹤，同時(shí)利用機(jī)械臂、自動導(dǎo)航車系統(tǒng)等具有傳感裝置的設(shè)備加快生產(chǎn)速度、精度，全方位提升生產(chǎn)制造效率。

2）助力家電行業(yè)的智能化升級。

       近幾年，家電企業(yè)業(yè)績下滑嚴(yán)重。據(jù)工業(yè)與信息化管理部相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2015年家用電子電器產(chǎn)品的出口總金額同比下滑0.6%；家電進(jìn)口總金額同比下滑5%。

       當(dāng)前，如何尋找新的增長點(diǎn)、扭轉(zhuǎn)業(yè)績下滑的局面，是家電行業(yè)面臨的一大考驗(yàn)。為此，傳統(tǒng)家電企業(yè)開始將家電進(jìn)行智能化升級，相繼推出智能冰箱、智能空調(diào)、智能洗衣機(jī)、智能烤箱、掃地機(jī)器人等產(chǎn)品，滿足用戶對家用電器的個(gè)性化需求。

       在智能家電的智能表現(xiàn)上，例如，智能洗衣機(jī)通過水位傳感器實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的智能化；智能烤箱則會通過溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)簡便、智能的烘焙體驗(yàn)；掃地機(jī)器人通過可調(diào)位移傳感器做支撐，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能精準(zhǔn)操作。

       家電產(chǎn)品種類繁多，今后對傳感器也有多樣性的需求，像運(yùn)動類傳感器、聽覺類傳感器、視覺類傳感器、麥克風(fēng)陣列、溫度/濕度傳感器等，大家電和小家電都會用到。

       因此，可定制的、參數(shù)可調(diào)的傳感器將會更加有力的支撐家電產(chǎn)品的各種應(yīng)用場景。

3）有望為手機(jī)業(yè)帶來轉(zhuǎn)機(jī)。

       眾所周知，全球手機(jī)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài)。中國智能手機(jī)市場 GFK 預(yù)測，2016 年手機(jī)市場增長僅約 3.1%。手機(jī)業(yè)能否迎來轉(zhuǎn)機(jī)，很大程度上取決于傳感器的發(fā)展。

       從目前智能手機(jī)的功能而言，還遠(yuǎn)未能滿足人們對手機(jī)的想象。借助傳感器，手機(jī)可以變得更加人性化、智能化。比如，嗅覺傳感器、味覺傳感器，以及實(shí)現(xiàn)真正靈敏的運(yùn)動追蹤的磁性傳感器，都可以使手機(jī)功能更加強(qiáng)大。

       可以肯定地說，當(dāng)各種類別的傳感器達(dá)到成熟時(shí)，手機(jī)業(yè)將會出現(xiàn)新的發(fā)展契機(jī)。

3.2 對創(chuàng)新應(yīng)用的支撐

       在傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用中，最為典型的是機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）、無人機(jī)等新型應(yīng)用領(lǐng)域。

1）虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

       當(dāng)下，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）可謂是最為熱門和最受關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域之一。這兩項(xiàng)技術(shù)之所以如此吸引眼球，在于VR虛擬現(xiàn)實(shí)能夠給人身臨其境的感受，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以讓人對現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)更加形象、強(qiáng)烈和直觀。而這些感受，離不開傳感器的支撐。

       在傳感器的應(yīng)用上，VR/AR 硬件會用到九軸陀螺儀、紅外定位傳感器、眼球追蹤傳感器以及手勢識別傳感器等，可以獲取使用者的動作、姿態(tài)和加速度等信息。

       未來，還將會用到生物傳感器。比如，子女去旅游時(shí)，在家里的老人搭配上帶有生物傳感器的體感設(shè)備，也能獲得與子女旅游的同樣體驗(yàn)。VR和AR已應(yīng)用到游戲、體育、教育、旅游、影院、醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著VR和AR應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，傳感器的應(yīng)用需求將非常巨大。

2）機(jī)器人。

       機(jī)器人 ，是一種可編程和多功能的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng) ，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。

       谷歌AlphaGo戰(zhàn)勝國際圍棋大師的事件，引發(fā)了全球?qū)τ跈C(jī)器人的關(guān)注。在機(jī)器人里面，需求諸多傳感器，包括對周圍環(huán)境、對姿態(tài)的測試及人機(jī)互動方面。

       機(jī)器人需要用到大量、不同類別的傳感器，并對傳感器的性能也提出很高要求。機(jī)器人應(yīng)用十分廣泛，如養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)、教育業(yè)等。如果傳感器做得好，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)就可以飛起來，將助力養(yǎng)老、工業(yè)等諸多領(lǐng)域的發(fā)展。

3）無人機(jī)。

       無人機(jī)在短時(shí)間內(nèi)得到快速發(fā)展。

       據(jù)統(tǒng)計(jì)，今年無人機(jī)的出貨量將達(dá)到500萬臺，明年將突破1000萬臺。在無人機(jī)的高度集成化和智能化中，傳感器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

       無人機(jī)中會應(yīng)用到陀螺儀、紅外、超聲、激光、攝像頭、氣壓、地磁等傳感器，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)技術(shù)化的平穩(wěn)控制和輔助導(dǎo)航，以及人性化的避障、識別、跟蹤等智能控制。

4 智能傳感器的未來發(fā)展

4.1 傳感器走向集成化

       為了開辟更為開闊的發(fā)展空間，MEMS傳感器開始走向集成化。

       目前，一些企業(yè)開始開發(fā)集成傳感器，比如將麥克風(fēng)與氣壓傳感器進(jìn)行集成，將氣壓傳感器與溫濕度傳感器進(jìn)行集成，將麥克風(fēng)與溫濕度傳感器進(jìn)行集成等。

       傳感器集成化有幾個(gè)優(yōu)勢：一是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能更加強(qiáng)大，滿足多樣化需求；二是成本優(yōu)勢，1個(gè)集成傳感器比2個(gè)單獨(dú)的傳感器更加具有成本優(yōu)勢。三是降低尺寸，可以滿足更多可穿戴式智能產(chǎn)品的發(fā)展需求。

4.2 無線能量采集

      傳統(tǒng)傳感器存在諸多制約因素，最為突出的是供電方式。傳統(tǒng)傳感器主要通過電池或電力線供電，這種供電方式除了存在布設(shè)成本外，還會有定期維護(hù)和更換成本。

       此外，可穿戴產(chǎn)品的大小也對傳感器的尺寸提出更高要求。對此，無線能量采集成為傳感器下一個(gè)發(fā)展方向。

       無線能量收集技術(shù)，是指把環(huán)境中的能量比如光、動能、熱能等轉(zhuǎn)換成電能來給系統(tǒng)供電的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電，這樣傳感器可以被安置在任何地方，也減少更換和維護(hù)的成本。

       目前，已有國外企業(yè)推出相應(yīng)的解決方案，并表示傳感器能夠持續(xù)工作達(dá)10年以上。

       今后，隨著應(yīng)用的不斷推進(jìn)，傳感器還會與人工智能技術(shù)相結(jié)合，傳感器將不是冷冰冰的器件，而會變成一個(gè)更加智能、更有溫度的產(chǎn)品。

4.3 算法和方案

       隨著細(xì)分應(yīng)用需求的增多，傳感器之上的軟件算法和方案重要性越來越凸顯。在算法上，比如生物傳感器在醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用。在心電算法上，除了心率、心臟負(fù)荷率、壓力、睡眠指數(shù)等，還包括通過FDA認(rèn)證的醫(yī)療應(yīng)用。此外，依托傳感器的解決方案開始不斷推出。

       一些傳感器企業(yè)開始提供檢測身體健康狀況的解決方案，并與保險(xiǎn)公司進(jìn)行合作。

       具體而言，健康設(shè)備中的傳感器可以監(jiān)測出用戶身體狀況，保險(xiǎn)公司將這些健康設(shè)備贈送給用戶，從而獲得用戶的健康信息，并根據(jù)健康數(shù)據(jù)來設(shè)定用戶參保的額度，從而降低保險(xiǎn)公司損失，并實(shí)現(xiàn)利益最大化。

4.4 中國傳感器產(chǎn)業(yè)要抓住歷史機(jī)遇

       傳感器行業(yè)入門門檻高、壁壘高；投資大、風(fēng)險(xiǎn)大。在傳感器領(lǐng)域，全球具有原創(chuàng)力、產(chǎn)品體量大的國家，主要集中在美國、德國、意大利和法國。

       相比之下，中國傳感器產(chǎn)業(yè)存在一些不足：在傳感器核心技術(shù)積累如材料、設(shè)計(jì)、工藝方面嚴(yán)重缺失。MEMS企業(yè)規(guī)模相對較小，擁有完全核心自主設(shè)計(jì)和IP的MEMS企業(yè)年銷售額都未超過1億美元，MEMS制造端的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度不高，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的平臺相對不成熟。

       隨著智能時(shí)代的出現(xiàn)，傳感器產(chǎn)業(yè)恰逢一個(gè)難得的歷史機(jī)遇。抓住這一歷史機(jī)遇，傳感器將會迎來一個(gè)新的發(fā)展高度。對中國傳感器產(chǎn)業(yè)而言，擔(dān)負(fù)著重大的責(zé)任，也面臨著重大的挑戰(zhàn)。

       為此，中國需要在以下方面尋找突破口：提高傳感器精度，提高小批量-低成本量產(chǎn)能力，多材料復(fù)合技術(shù)，電池技術(shù)和無線無源傳感器、封裝測試設(shè)備和系統(tǒng)、加工設(shè)備和耗材國產(chǎn)化等。

       同時(shí)，建立智能傳感器產(chǎn)業(yè)大生態(tài)圈，即不僅需要有器件，而且需要有測試、加工等環(huán)節(jié)。通過強(qiáng)大產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，提升中國智能傳感器產(chǎn)業(yè)水平。

5 結(jié)論

       智能傳感器的研究方向，一方面是探索新材料、新原理、新技術(shù)以提高傳感器自身性能；另一方面，隨著傳感器工藝與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝的融合，微型化、多功能化及智能化將是未來發(fā)展的必然趨勢。

       中國應(yīng)該抓住智能時(shí)代帶給傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史機(jī)遇，全面提升智能傳感器的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化水平，為智能時(shí)代的到來提供有力的技術(shù)支持。

       星標(biāo)的內(nèi)容=你在乎的內(nèi)容，根據(jù)微信公眾號推薦原則，沒有在傳感器專家網(wǎng)公眾號主頁【設(shè)為星標(biāo)】，將無法及時(shí)獲得傳感器行業(yè)最新資訊！

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