近10年，智能手機、智能手表、無人機等技術迅速進入我們的生活，而未來10年，各種可穿戴設備、物聯(lián)網設備、機器人、自動駕駛等將融入我們的生活。
這其中，作為這些科技的技術基石之一，傳感器技術既推動著科技的發(fā)展，而這些科技也重新定義了對未來傳感器技術的需求：更微型、更集成、更智能、更低功耗……
未來，哪些技術推動著傳感器繼續(xù)往前發(fā)展？本文總結了傳感器發(fā)展的8大關鍵技術，或許有所啟發(fā)。
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1、采用新原理、新效應的傳感技術
傳感器是眾多高科技的結晶，是眾多學科知識交叉的成果，我們基于各種物理、化學、生物的效應和定律，開發(fā)了力敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等敏感元件后，形成了今天全球多達2.6萬余種傳感器種類。
因此，開發(fā)具有新原理、新效應的敏感元件和傳感元件，并以此研制新型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。
以慣性傳感器為例，慣性傳感器是應用慣性原理和測量技術，檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉和多自由度（DOF）運動的傳感器，由加速度計和陀螺儀組成的慣性系統(tǒng)可實現對載體位置及運動信息的實時監(jiān)測。
不同類型的陀螺儀，由不同的物理原理驅動，如機械式干式、液浮、半液浮、氣浮角速率陀螺，撓性角速率陀螺，MEMS 硅、石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺）等，主要是利用科里奧利效應（Coriolis effect，指一種在旋轉坐標系中移動的物體發(fā)生偏轉的現象（科氏力正比于輸入角速率）。
而在于光纖角速率陀螺、激光角速率陀螺等傳感器技術，主要利用另一種原理：薩格納（Sagnac）原理，也稱薩氏效應（相位差正比于輸入角速率）。
這些新原理、新效應對促進傳感技術發(fā)展，以及開拓更多傳感器應用領域起到關鍵作用。
同時，交叉學科新技術，也對傳感技術發(fā)展起到重要作用。譬如集成電路技術對傳感器的發(fā)展，在MEMS傳感器中，高性能專用集成電路（ASIC）可將成千上萬的晶體管電路集成于一塊芯片，降低環(huán)境因素及寄生參數對傳感器性能的影響，大幅度提升 MEMS 傳感器的精度。
▲MEMS聲學傳感器構造圖（來自歌爾微招股書）
量子傳感器是量子技術的重要應用場景之一，此前，美國國家科學和技術委員會(NSTC)就發(fā)布了關于量子傳感器的國家戰(zhàn)略《將量子傳感器付諸實踐》（詳情可參看《地球最強科技大國發(fā)布量子傳感器戰(zhàn)略，寫了4個字：國家利益！》內容。）
利用量子力學中的有關效應，可設計、研制量子敏感器件，像共振隧道二極管、量子阱激光器和量子干涉部件等，具有高速（比電子敏感器件速度提高 1000倍〕、低耗（比電子敏感器件能耗降低 1000 倍）、高效、高集成度、經濟可靠等優(yōu)點。
而納米電子學的發(fā)展，也將會在傳感技術領域中引起一次新的技術革命。利用納米技術制作的傳感器，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，納米傳感器是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應用領域。
2、傳感器微型化和芯片化技術
傳感器微型化和芯片化技術，主要有MEMS工藝和新一代固態(tài)傳感器微結構制造工藝等，其中，MEMS工藝已在傳感器廣泛應用。
微機電系統(tǒng)（MEMS）是集微機構、微傳感器、微執(zhí)行器、控制電路、信號處理、通信、接口、電源等于一體的微型系統(tǒng)或器件，是對微/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。
MEMS 材料包括功能材料（通常是以硅為主體的半導體材料）、結構材料（如壓電材料、超磁致材料、光敏材料等）和智能材料（以形狀記憶合金為主）。
MEMS 工藝的關鍵技術包括：深反應離子刻蝕、LIGA 技術、分子裝配技術、體微加工、表面微加工、激光微加工和微型封裝技術等。
其中，硅微機械加工工藝是 MEMS 主流技術，它是一種精密三維加工技術，是研制傳感器、微執(zhí)行器、微作用器、微機械系統(tǒng)的核心技術，已成功用于制造各種微傳感器以及多功能的敏感元陣列，如微硅電容傳感器、微硅質量流量傳感器，航空航天用動態(tài)傳感器、微傳感器，汽車專用壓力、加速度傳感器，環(huán)保用微化學傳感器等。
深反應離子刻蝕（DRIE）是 MEMS 結構加工的重要工序之一，主要用于多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜及金屬膜的刻蝕，屬一種微電子干法腐蝕工藝。
LIGA 技術即光刻、電鑄和注塑，是利用深度 X 射線刻蝕，通過電鑄成型和塑料鑄模，形成深層三維微結構的方法。
▲MEMS陀螺儀結構
當前，為了適應 MEMS 技術的發(fā)展，已開發(fā)了許多新的 MEMS 封裝技術和工藝，如陽極鍵合、硅熔融鍵合、共晶鍵合等。MEMS 封裝通常分為以下幾個層次：裸片級封裝、器件級封裝、硅圓片級封裝、單芯片封裝和系統(tǒng)級封裝。
單芯片封裝（SCP）屬于器件級封裝的范疇，是指在一塊芯片上制作保護層，將易損壞的元器件和電路屏蔽起來，避免環(huán)境對其造成不利的影響，并制作有源傳感器/制動器的通路，實現與外部的電接觸，以滿足器件對電、機械、熱和化學等方面的技術要求。
多芯片組件（MCM）是電子封裝技術的一大突破，屬于系統(tǒng)級封裝。MCM 把兩個及以上的 IC/MEMS 芯片或 CSP 組裝在一塊電路板上，構成功能電路板，即多芯片組件，為組件中的各個芯片（構件）提供信號互連、I/O 管理、熱控制、機械支撐和環(huán)境保護等。MCM 具有在同一襯底上支持多種芯片的能力，而不需要改變 MEMS 和電路的制造工藝。
3、傳感器陣列和多傳感參數復合的集成技術
此類集成技術，包括集成工藝和多變量復合傳感器微結構集成制造工藝，工業(yè)控制用多變量復合傳感器等，如壓力、靜壓、溫度三變量傳感器，氣壓、風力、溫度、濕度四變量傳感器，微硅復合應變壓力傳感器，陣列傳感器。
集成化是指多種傳感功能與數據處理、存儲、雙向通信等的集成，可全部或部分實現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，具有低成本、高精度信息采集、可數據存儲和通信、編程自動化和功能多樣化等特點。
傳感器集成化有兩種：一種是通過微加工技術在一個芯片上構建多個傳感模塊，組成線性傳感器（如 CCD 圖像傳感器）；一種是將不同功能的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能傳感器，集成度高、體積小，容易實現補償和校正。
微加工技術和精密封裝技術對傳感器的集成化有重大的影響。
多傳感器信息融合綜合了傳感器應用技術、數據處理技術、計算機軟硬件技術和工業(yè)化控制技術。
它采用計算機技術進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，具有容錯性、互補性、實時性、經濟性等優(yōu)點。
4、傳感器數字化和智能化技術
智能化技術與智能傳感器信號有線或無線探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊、自診斷等智能化技術；智能多變量傳感器，智能電量傳感器和各種智能傳感器、變送器。
數字傳感器包括調節(jié)和處理信號的電路及一個網絡通訊的界面。它們通常以模塊形式制成，包含傳感器、DSP（數字信號處理器）、DSC（數字信號控制器）或 ASIC（特定用途集成電路），另外也有以系統(tǒng)封裝或系統(tǒng)芯片的方式制成。用于驅動數字輸出的電子元件通常有三種：機械繼電器、晶體管和雙向 FET 器件。
智能化傳感器是指采用硬件軟化、軟件集成、虛擬現實、軟測量等人工智能技術研發(fā)的具有擬人智能特性或功能的傳感器，同時是一種具有獨立探測和信號處理與轉換能力的、能夠自檢的、有通信功能的主動式傳感系統(tǒng)。
智能傳感器的典型代表是高性能的智能工業(yè)變送器。如日本橫河電機的 EJA系列智能變送器，ABB 公司的 MV2000T 系列多功能差壓/壓力變送器，Rosemount公司的 3095MV 多參數質量流量變送器，分別采用硅諧振傳感器、復合微硅固態(tài)傳感器和高精度電容傳感器作為敏感元件，精度達到 0.1075%，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，十年內不用調零。
5、傳感器的強環(huán)境適應性技術
我們知道，從汽車到工業(yè)，從醫(yī)療到航空航天，從家電到測試和測量，傳感器無處不在，很多行業(yè)應用都對傳感器的環(huán)境適應性有著很高的要求。譬如，2004年被用于火星探測車勇氣號和機遇號的德國某公司生產的磁阻傳感器，能在+270℃到-133℃的溫度范圍之內正常工作。
傳感器產品的強環(huán)境適應性測試包括電氣安全實驗、失效分析實驗、腐蝕性氣體實驗、環(huán)境性能實驗、材料實驗等。
傳感器封裝材料與技術的進步，使得傳感器的環(huán)境適應能力越來越強。
金屬基復合材料封裝（AI/Si Cp），通過改變增強體的種類、排列方式或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等，來實現材料的物理性能設計；或者通過改變熱處理工藝，來改變基體與增強體的界面結合狀況，進而影響材料的熱性能。該類材料熱膨脹系數較低，既能做到與電子元器件材料的熱膨脹系數相匹配，又具有高導熱性和低密度。
塑料封裝 90%以上使用環(huán)氧樹脂，具有大規(guī)模生產、可靠性與金屬或陶瓷材料相當的優(yōu)點。經過硫化處理的環(huán)氧樹脂還具有較快的固化速度、較低的固化溫度和吸濕性、較高的抗?jié)裥院湍蜔嵝缘忍攸c。
陶瓷封裝是用粘接劑或焊料將一個或多個芯片安裝在陶瓷底板或管座上，采用倒裝焊方式與陶瓷金屬圖形層進行鍵合，再對封裝體進行封蓋密封，同時提供合適的電氣連接。
陶瓷具有很高的楊氏模量、較高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，有良好的可靠性、可塑性且易密封，其線性膨脹系數與電子元器件的非常相近，化學性能穩(wěn)定且熱導率高，被用于多芯片組件、焊接陣列等封裝中。
6、無線傳感器網絡技術
無線傳感器網絡（WSN），是由大量靜止或移動的具有感知、無線通信與計算能力的傳感器構成的多跳自組織網絡系統(tǒng)，能根據環(huán)境自主完成指定任務。
大量傳感器通過網絡構成分布式、智能化信息處理系統(tǒng)，從多種視角、以多種模式協(xié)作地對網絡覆蓋區(qū)域內的事件、現象和環(huán)境實時進行監(jiān)測、感知、采集、分析，獲得豐富的、高分辨率的信息，并對這些信息進行處理和傳輸，發(fā)送給觀察者。
傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。無線傳感器網絡（WSN）包含傳感器單元、控制器和無線通信模塊，實現數據采集、近距離通信、數據計算和遠距離無線通信等功能。
WSN 綜合了傳感器技術、嵌入式操作系統(tǒng)技術、分布式信息處理技術、無線通信技術、能量收集技術、低功耗技術、多跳自組織網絡的路由協(xié)議、定位技術、時間同步技術、數據融合和數據管理技術、信息安全技術、網絡傳輸技術，關鍵是克服節(jié)點資源限制（能源供應、計算及通信能力、存儲空間等），并滿足傳感器網絡擴展性、容錯性等要求。
該技術被美國麻省理工學院（MIT）的《技術評論》雜志評為對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術之首。
7、傳感器數字通信總線技術
現場總線技術是一種集計算機技術、通信技術、集成電路技術及智能傳感技術于一身的新興控制技術，是安裝在制造和過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線，是一種全數字化、開放式、雙向傳輸、多分支、多站的通信系統(tǒng)，是現場通信網絡和控制系統(tǒng)的集成。
▲基于現場總線的智能傳感技術簡圖
現場總線的關鍵標志是支持全數字通信，在控制現場建立一條高可靠性的數據通信線路，實現各智能傳感器之間及智能傳感器與主控機之間的數據通信，把單個分散的智能傳感器變成網絡節(jié)點。
現場總線智能傳感器需有以下功能：共用一條總線傳遞信息，具有多種計算、數據處理及控制功能，從而減少主機的負擔；取代 4-20mA 模擬信號傳輸，實現傳輸信號的數字化，增強信號的抗干擾能力；采用統(tǒng)一的網絡化協(xié)議，成為 FCS的節(jié)點，實現傳感器與執(zhí)行器之間信息交換；系統(tǒng)可對之進行校驗、組態(tài)、測試，從而改善系統(tǒng)的可靠性；接口標準化，具有即插即用特性。
現場總線智能傳感器是未來工業(yè)過程控制系統(tǒng)的主流儀表。
8、傳感器的應用技術
傳感器的應用技術是指將傳感器應用于下游器件、場景的各種技術的統(tǒng)稱，單獨的傳感器往往并不能發(fā)揮應有的作用。
這些技術包括：信號處理和接口技術；降噪與抗干擾技術；顯示與調節(jié)儀表；測量及誤差處理；傳感器的選擇與安裝調整技術；位移、力、扭矩、荷重、速度、加速度等機械量的檢測技術；溫度、壓力、流量、物位等過程量的檢測技術；濕度檢測與氣體分析技術；探測、成像與安全防范技術；智能化與自動測試技術；接近傳感器、壓力傳感器、感應同步器的安裝技術；紅外、超聲波、微波探測防盜報警器的安裝技術等等。
對于消費類應用來說，傳感器融合的主要技術難度是如何控制產品的尺寸，合理測試每個傳感器的性能，控制整個芯片的良品率并降低成本。
對于工業(yè)、軍工、汽車、醫(yī)療等領域的傳感器融合來說，還要考慮如何保證在各種工作情況下的精度、可靠性，利用融合的特性來實現傳感器之間的補償校正等。
傳感器電路的內部噪聲包括電路板電磁元件干擾、低頻、高頻熱、半導體器件散粒晶體管、電阻器、集成電路噪聲等，外部干擾包括電源、地線、長線信號傳輸、空間電磁波等。
因此，在電路設計中需要根據不同的工作頻率合理選擇低噪半導體元器件，并根據不同的工作頻段、參數選擇適當的放大電路。
結語
我國中高端傳感器90%以上需要進口，傳感技術已成為我國亟需解決的關鍵卡脖子領域之一。傳感器雖小，但其背后卻撬動著工業(yè)自動化、機器人、自動駕駛、物聯(lián)網等等數萬億級的市場，是真正關系國計民生的關鍵技術領域！
文中的8項傳感器關鍵共性技術，是未來傳感技術發(fā)展的重要基石，透過這些技術方向，搶占產業(yè)發(fā)展主導權，縮小我國與國外傳感器技術差距。
但同時，我們更應注意到，我國傳感產業(yè)里技術與產業(yè)脫節(jié)的情況，即技術研發(fā)在高校在研究所，而落實傳感器產業(yè)發(fā)展的是廣大中小傳感器企業(yè)，如何將實驗室里的技術與廣大中小傳感器企業(yè)聯(lián)合，做好技術產業(yè)化，與傳感器技術的研發(fā)同樣重要。
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