來源：殷 毅 中國電子科技集團(tuán)有限公司，謝謝
隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，智能傳感器的市場正在高速增長中。
智能傳感器由傳感元件、信號調(diào)理電路、控制器(或處理器)組成，具有數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、分析甚至決策功能。智能化可提升傳感器的精度，降低功耗和體積，實(shí)現(xiàn)較易組網(wǎng)，從而擴(kuò)大傳感器的應(yīng)用范圍，使其發(fā)展更加迅速有效。
智能傳感器主要基于硅材料微細(xì)加工和CMOS電路集成技術(shù)制作。按制造技術(shù)，智能傳感器可分為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、光譜學(xué)三大類。
MEMS和CMOS技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)低成本大批量生產(chǎn)，能在同一襯底或同一封裝中集成傳感器元件與偏置、調(diào)理電路，甚至超大規(guī)模電路，使器件具有多種檢測功能和數(shù)據(jù)智能化處理功能。例如，利用霍爾效應(yīng)檢測磁場、利用塞貝克效應(yīng)檢測溫度、利用壓阻效應(yīng)檢測應(yīng)力、利用光電效應(yīng)檢測光的智能器件。
智能化、微型化、仿生化是未來傳感器的發(fā)展趨勢。目前，除了霍尼韋爾、博世等老牌的傳感器制造廠商外，國外一些主流模擬器件廠商也進(jìn)入到智能傳感器行業(yè)，如美國的飛思卡爾半導(dǎo)體公司(Freescale)、模擬器件公司(ADI)、德國的英飛凌科技有限公司( Infineon)、意法半導(dǎo)體公司(ST)等。
這些公司的智能傳感器已被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，如智能手機(jī)、智能家居、可穿戴裝置等，在工控設(shè)施、智能建筑、醫(yī)療設(shè)備和器材、物聯(lián)網(wǎng)、檢驗(yàn)檢測等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，還在監(jiān)視和瞄準(zhǔn)等軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
01
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傳感器的智能化趨勢
1.1 智能傳感器的概念
智能傳感器是集成了傳感器、致動器與電子電路的智能器件，或是集成了傳感元件和微處理器，并具有監(jiān)測與處理功能的器件。
智能傳感器最主要的特征是輸 出數(shù)字信號，便于后續(xù)計(jì)算處理。智能傳感器的功能包括信號感知、信號處理、數(shù)據(jù)驗(yàn)證和解釋、信號傳輸和轉(zhuǎn)換等，主要的組成元件包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、收發(fā)器、微控制器、放大器等。
目前，傳感器經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：
1969年之前屬于第一階 段，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)型傳感器;
1969年之后的20年屬于第二階段，主要表現(xiàn)為固態(tài)傳感器;
1990年到現(xiàn)在屬于第三階段，主要表現(xiàn)為智能傳感器。
智能傳感器的構(gòu)成示意圖如圖1所示。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在傳感器模塊內(nèi)完成。這樣，微控制器之間 的 雙向聯(lián)接均為數(shù)字信號，可以采用可編程只讀存儲器(PROM)來進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。智能傳感器的主要特征是：指令和數(shù)據(jù)雙向通信、全數(shù)字傳輸、本地?cái)?shù)字處理、自測試、用戶定義算法和補(bǔ)償算法。
圖1 智能傳感器的構(gòu)成示意圖
未來，預(yù)計(jì)傳感器發(fā)展的第四階段是向微系統(tǒng)傳感器衍進(jìn)，如圖2所示。
圖2 帶天線的通用微系統(tǒng)傳感器
1.2 智能傳感器的特點(diǎn)
智能傳感器的特點(diǎn)是精度高、分辨率高、可靠性高、自適應(yīng)性高、性價(jià)比高。智能傳感器通過數(shù)字處理獲得高信噪比，保證了高精度；通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保證在多參數(shù)狀態(tài)下具有對特定參數(shù)的測量分辨能力；通過自動補(bǔ)償來消除工作條件與環(huán)境變化引起的系統(tǒng)特性漂移，同時(shí)優(yōu)化傳輸速度，讓系統(tǒng)工作在最優(yōu)的低功耗狀態(tài)，以提高其可靠性；通過軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，使智能傳感器具有判斷、分析和處理的功能，系統(tǒng)的自適應(yīng)性高；可采用能大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路工藝和 MEMS工藝，性價(jià)比高。
1.3 應(yīng)用發(fā)展趨勢
智能傳感器代表新一代的感知和自知能力，是未來智能系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其發(fā)展受到未來物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能制造等強(qiáng)勁需求的拉動，如圖３所示。智能傳感器通過在元器件級別上的智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將對食品安全應(yīng)用和生物危險(xiǎn)探測、安全危險(xiǎn)探測和報(bào)警、局域和全域環(huán)境檢測、健康監(jiān)視和醫(yī)療診斷、工業(yè)和軍事、航空航天等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻影響。
圖３ 智能傳感器的發(fā)展受需求拉動的曲線
02
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重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展分析
智能傳感器的發(fā)展態(tài)勢可根據(jù) MEMS、CMOS和光譜學(xué)分類研究。MEMS、CMOS是智能傳感器制造的兩種主要技術(shù)。預(yù)計(jì)CMOS技術(shù)將成為最大份額占有者，將從2013年的4.74億美元上升到2020年的41.2億美元，約占總市場份額的40％。光譜學(xué)技術(shù)是智能傳感器增長最快的新技術(shù)，2013~2017年的年增加率高達(dá)38％左右。
2.1 MEMS
MEMS傳感器最早被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，可進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和自動識別領(lǐng)域中的多傳感器數(shù)據(jù)融合，具有特定 的高精度和識別、跟蹤定位目標(biāo)的能力。采用MEMS技術(shù)制作、集成了A/D 轉(zhuǎn)換器的流量傳感器已被應(yīng)用于航天領(lǐng)域。
要想實(shí)現(xiàn)智能化，需要集成 MEMS傳感器的功能以及信號調(diào)理、控制和數(shù)字處理功能，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與指令的雙向通信、全數(shù)字傳輸、本地?cái)?shù)字處理、自校準(zhǔn)和由用戶定義的算法編程。
軍用 MEMS智能傳感器的研究主要針對長距離空中和海洋的監(jiān)視、偵察（包括無人機(jī)蜂群），已經(jīng)可以通過智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對多地區(qū)多變量的遙感監(jiān)視。
2.2 CMOS
2.2.1 CMOS 傳感器
CMOS技術(shù)是主流的集成電路技術(shù)，不僅可用于制作微處理器等數(shù)字集成電路，還可制作傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、用于通信目的高集成度收發(fā)器等，具有可集成制造和低成本的優(yōu)勢。CMOS計(jì)算元件能與不同的傳感元件集成，制作成流量傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、PH傳感器、氧化還原電 位（ORP）傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、觸控感應(yīng)器等應(yīng)用于各種場合的智能傳感器。CMOS觸摸傳感器和溫度傳感器的市場份額保持在14％，并在近幾年呈持續(xù)增長態(tài)勢。采用CMOS技術(shù)制作、集成了D/A轉(zhuǎn)換器的溶解氧傳感器已被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。集成了收發(fā)功能的濁度傳感器已被應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。組合了CMOS成像器和處理電路的數(shù)字低光度CMOS 基成像器正在成為軍事應(yīng)用領(lǐng)域的主流成像器。
2.2.2 CMOS與 MEMS集成新技術(shù)
目前，關(guān)于集成智能傳感器制作工藝的研究熱點(diǎn)是與CMOS工 藝 兼容的各種 傳感器結(jié)構(gòu)及其制造工藝流程。傳感器和致動器（S&A）通常采用專用MEMS技術(shù)，因 此，可以利用MEMS 與 CMOS的不同結(jié)合衍生出各種新集成技術(shù)平臺。德州儀器公司的微鏡就是超大規(guī)模 S&A與 CMOS在后CMOS工藝段結(jié)合的一個經(jīng)典案例。若將 S&A 單片集成或異構(gòu)集成在 CMOS平臺之上，可以提高器件性能，減小器件與系統(tǒng)的尺寸，降低成本。
雖然國際上一些S&A技術(shù)達(dá)到很高的成熟度并且已經(jīng)量產(chǎn)，但是S&A 與CMOS平臺的三維或單片集成仍然面臨高量產(chǎn)和低成本的重大挑戰(zhàn)，因而受到極大的關(guān)注。
2.2.3 前沿領(lǐng)域中的新集成技術(shù)
基于碳納米管（CNT）或納米線等納米尺度結(jié)構(gòu)和納米材料、可以實(shí)現(xiàn)更高性能的新集成技術(shù)和器件受到越來越多的關(guān)注。美國北卡羅萊納州立大學(xué)宣布了最新研究的多功能自旋電子智能傳感器，將二氧化釩（VO2）器件集成到硅晶圓之上，為下一代自旋電子器件鋪平了道路。需要關(guān)注的技術(shù)還包括采用量子技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高敏感性和分辨率的量子傳感器，以及能夠集成在手機(jī)芯片上的量子傳感裝置。
2.3 光譜學(xué)
光譜學(xué)是一門涉及物理學(xué)和化學(xué)的重要交叉學(xué)科，通過測量光與物質(zhì)相互作用的光譜特性來分析物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)。精準(zhǔn)的多光譜測量可以用于分析固體、液體甚至氣體物品，只要有光就可以實(shí)現(xiàn)測量。光譜成像被廣泛用于各種物體感測和材料屬性分析。高光譜成像對圖像中每個像素點(diǎn)進(jìn)行光譜分析，可實(shí)現(xiàn)寬范圍測量。美國 BANPIL公司的多譜圖像傳感器能夠?qū)︻l譜范圍為0.3~2.5μｍ 的超紫外（UV）光、可見光（VIS）、近紅外（NIR）、短波長紅外 （SWIR）進(jìn)行成像分析，目前已制成單片器件。
03
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市場與應(yīng)用分析
3.1 主流產(chǎn)品處于上升周期
根據(jù) MarketsandMarkets的報(bào)告：全球智能制造領(lǐng)域智能傳感器的市場份額將從2013年的約３億美元增加到2020年的27億美元，CAGR為37.3％；智慧生活領(lǐng)域智能傳感器的市場份額將從2013年的約3.6億美元增加到2020年的41.3億美元；汽車智能傳感器的市場份額將從2013年的1.2億美元增加到2020年的10.1億美元，CAGR 為35.77％；國家安全領(lǐng)域航空航天應(yīng)用的智能傳感器市場份額將從2013年的約1.1億美元增加到2020年的6.3億美元，CAGR達(dá)到28.3％。
壓力傳感器、溫度傳感器、觸摸傳感器等主要產(chǎn)品均為兩位數(shù)的增長率。采用MEMS、CMOS、光譜學(xué)等主流技術(shù)制造的智能傳感器市場處于快速增長周期中。
智能傳感器的主要制造企業(yè)包括美國的 ADI、瑞士的 ABB 和Colibrys、英國的Cypress半導(dǎo)體等。
3.2 主流技術(shù)推進(jìn)軍事應(yīng)用
軍事應(yīng)用的強(qiáng)烈需求不斷拉動傳感器技術(shù)的進(jìn)步與變革。CMOS、硅微細(xì)加 工、MEMS 主流技術(shù)是傳感器智能化的主要實(shí)現(xiàn)手段和傳感器數(shù)據(jù)融合的硬件基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)低成本的有效途徑。
3.2.1 傳感器數(shù)據(jù)融合
數(shù)據(jù)融合將來自多個傳感器或多源的信息進(jìn)行綜合處理，得到更為準(zhǔn)確、可靠的信息或結(jié)論。例如，無人機(jī)等裝備電子系統(tǒng)就必須對來自紅外、視頻和位置傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。數(shù)據(jù)融合要求傳感器具備高控制計(jì)算能力和小型化。
3.2.2 戰(zhàn)場監(jiān)視和瞄準(zhǔn)傳感器
根據(jù)傳感器的研究，美國國防部將戰(zhàn)場監(jiān)視和瞄準(zhǔn)傳感器劃分為幾大類，如圖４所示。基 于MEMS、CMOS、光譜學(xué)技術(shù)制作的傳感器主要包括：
１）監(jiān)視和電子情報(bào)智能傳感器，在航空航天的應(yīng)用是環(huán)境檢測、安全和地球觀測服務(wù)，并涉及對水下艦船、智能電子裝置（IED）、魚雷和導(dǎo)彈的探測和跟蹤，視頻監(jiān)視用于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)；
２）轉(zhuǎn)動炮塔等武器的準(zhǔn)確定位，以及在特定高度上確保火力精度的智能傳感器；
３）多功能軍用智能傳感器的集成器件，滿足軍事應(yīng)用對傳感系統(tǒng)快速感知、操作、響應(yīng)的要求。
圖４ 美國國防部戰(zhàn)場監(jiān)視和瞄準(zhǔn)傳感器的參考分類
3.2.3 航天應(yīng)用傳感器
一臺中型規(guī)模的航天飛行器約有數(shù)百個傳感器，需要向智能傳感器發(fā)展。在空間應(yīng)用的傳 感 器有抗輻射加固等特殊要求，比其他軍用領(lǐng)域的要求更為苛刻。將陸地智能傳感器發(fā)展到航天應(yīng)用領(lǐng)域是重要發(fā)展途徑。遙感傳感器可將電磁技術(shù)應(yīng)用于信息采集的重要技術(shù)領(lǐng)域。不同的遙感傳感器工作在不同的電磁頻譜范圍。表１列出應(yīng)用于科學(xué)、地球觀測和氣象預(yù)報(bào)任務(wù)的典型遙感傳感器。
表1 空間遙感傳感器一覽表
3.2.4 智能傳感網(wǎng)
美軍智能傳感網(wǎng)（SSW）的發(fā)展明顯受到傳感器、MEMS和 CMOS等技術(shù)發(fā)展的推動，擬實(shí)現(xiàn)微小化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式和傳感器信息融合，能夠?yàn)楦图墑e層面的戰(zhàn)士提供增強(qiáng)的態(tài)勢感知手段。
這一應(yīng)用領(lǐng)域涉及到種類繁多的傳感器。數(shù)字化信息可以在單個傳感器上完成初級處理，圖像／信號處理功能能夠幫 助發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并識別和分類處理。智能微塵等先進(jìn)智能傳感器網(wǎng)傳感器可以撒布到戰(zhàn)場的各個角落，功耗低、隱蔽性強(qiáng)，具有自主性和自動化功能，能自我感知、持續(xù)學(xué)習(xí)，甚至能夠?qū)δ繕?biāo)自動進(jìn)行探測、跟蹤和分類并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化通信。
04
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我國智能傳感器發(fā)展建議
隨著智能化時(shí)代的逐步臨近，智能傳感器將成為未來智能系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的核心部件，是一切數(shù)據(jù)采集的入口以及智能感知外界的前端，隨著人工智能技術(shù)不斷地發(fā)展和成熟，其重要性將日益凸顯。
然而，傳感器產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與應(yīng)用兩頭依附、技術(shù)與投資兩個密集、產(chǎn)品與產(chǎn)業(yè)兩大分散的特點(diǎn)，導(dǎo)致我國傳感器產(chǎn)業(yè)整體素質(zhì)參差不齊，散、小、低、弱、缺芯 的狀況十分突出，缺乏核心技術(shù)，與國際差距更加明顯。國內(nèi)對傳感器與CMOS控制處理芯片混合集成或者單片集成技術(shù)雖有研究，但具有影響力的研究還不多見。結(jié)合我國國情，以及當(dāng)前智能傳感器的發(fā)展趨勢，發(fā)展建議如下。
一是堅(jiān)持市場導(dǎo)向，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。堅(jiān)持市場化配置資源和政府引導(dǎo)相結(jié)合，研究智能傳感器的發(fā)展規(guī)劃，通過產(chǎn)學(xué)研用政一體化協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，促進(jìn)傳感芯片－集成應(yīng)用－系統(tǒng)方案及信息服務(wù)廠商的高效協(xié)同，建立健全產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，縮短技術(shù)到產(chǎn)品的研發(fā)周期，快速提升技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)突破，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
二是聚焦應(yīng)用市場，抓住重點(diǎn)領(lǐng)域核心產(chǎn)品。重點(diǎn)瞄準(zhǔn)智能制造、智慧生活、汽車電子、儀器儀表、國家安全等應(yīng)用行業(yè)的核心關(guān)鍵產(chǎn)品，加速推進(jìn)MEMS、CMOS、光譜學(xué)等主流技術(shù)制作的智能傳感器的產(chǎn)品研發(fā)和推廣應(yīng)用，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)，快速形成產(chǎn)品研發(fā)能力，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
三是重視基礎(chǔ)研究，促進(jìn)科技創(chuàng)新。鼓勵原始創(chuàng)新，發(fā)展新原理、新材料、新結(jié)構(gòu)的智能傳感器，如量子傳感、MEMS生物芯片、納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）、新型集成傳感微系統(tǒng)、３Ｄ和單芯片異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)等傳感新技術(shù)。
四是軍民融合發(fā)展。重點(diǎn)瞄準(zhǔn)MEMS、CMOS、光譜學(xué)等具有廣泛軍民應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景的關(guān)鍵技術(shù)。軍用領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注光電和紅外／聽覺、地震和磁／射頻傳感器的智能化和數(shù)據(jù)融合。民 用領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注圖像傳感器、汽車傳感器、航空無線傳感微系統(tǒng)，積極推動以多種航天傳感器為代表的民轉(zhuǎn)軍、軍轉(zhuǎn)民和軍民融合發(fā)展。
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