來源：科技導報

整理：由動感傳感

論文原標題：《智能傳感器技術的研究進展及應用展望》

作者：清華大學精密儀器系 | 尤政

本文是來自清華大學精密儀器系的一篇關于智能傳感器技術研究和發(fā)展探索的論文。

隨著智能時代的到來，各種智能傳感器的研究和應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（VR）、機器人、醫(yī)療健康等產(chǎn)業(yè)升級和創(chuàng)新應用中的關鍵作用，并對智能傳感器今后的發(fā)展趨勢進行了展望。

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和微處理器技術，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的一個主要發(fā)展方向，代表著一個國家的工業(yè)及技術科研能力。

在當前智能時代的推動下，傳感器的重要性更加凸顯，不僅在《中國制造2025》、《德國 2020 高技術戰(zhàn)略》及歐盟、美國、韓國、新加坡等推進的智慧城市等戰(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（VR）、機器人、智能家居、自動駕駛汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著關鍵作用。

高性能、高可靠性的多功能復雜自動、測控系統(tǒng)以及基于射頻識別技術的物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，愈發(fā)凸顯了具有感知、認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技術的發(fā)展，微型智能傳感器的發(fā)展得到了有力的技術支撐，智能傳感器產(chǎn)業(yè)面臨著一個非常重要的歷史發(fā)展契機。

本文綜述不同種類智能傳感器技術及應用的發(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動的跟蹤、識別，告知佩戴者當天的運動量、消耗的卡路里及運動的效果。

磁性傳感器，主要用在家用電器上，比如咖啡機、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，機器人的智能化和精準度也需要磁性傳感器做支撐。

模擬類傳感器，主要應用在智慧醫(yī)療設備上，可以作為心跳、心電圖等信號的輸入，并將健康數(shù)據(jù)進行可視化的輸出，讓用戶了解自身手健康、運動數(shù)據(jù)。

紅外傳感器常應用于紅外攝像頭、掃地機器人等智能家居方面。

2 智能傳感器的技術研究進展

一個真正意義的智能傳感器應具有如下功能：

1）自校準、自標定和自動補償功能；

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、標準數(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，介紹智能傳感技術的研究進展。

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。

進入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、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、控制器、隨機存取儲存器和只讀存儲器。

智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器，并且是在硬件的基礎上通過軟件實現(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

的智能溫度傳感器始于20世紀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，分辨率可以達到0.5~0.625℃。由美國 Dallas 半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，分辨率高達 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、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為 27 ms、9 ms。

在高精密溫度測量方面，有學者設計了高性能數(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成，傳感器的靈敏度可以達到10 -6 ℃的數(shù)量，即測溫分辨率為0.001℃，響應時間1 s，測量精度為0.01℃。

2）增強測試功能

新型智能溫度傳感器的測試功能不斷增強。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、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式。

對于某些智能溫度傳感器，主機（外部微處理器或單片機）還可通過相應的寄存器設定其A/D轉(zhuǎn)換速率、分辨率及轉(zhuǎn)換時間。

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）總線技術的標準化與規(guī)范化

目前，智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、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）可靠性及安全性設計

為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產(chǎn)生誤動作，在一些智能溫度傳感器的內(nèi)部，設置了一個可編程的故障排隊計數(shù)器，專用于設定允許被測溫度值超過上下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到所設定的次數(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合，因此它們的實現(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，這是一種實現(xiàn)智能壓力傳感器系統(tǒng)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、補償、微控制器等進行單片集成，主要采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術和大規(guī)模集成電路工藝技術，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。

隨著微電子技術的飛速發(fā)展以及微納米技術的應用，由此制成的智能壓力傳感器具有微型化、結構一體化、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。

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，并封裝在一個外殼中。

混合集成實現(xiàn)智能化是一種非常適合當前技術發(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)鞲衅鲗崿F(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被測參數(shù)進行測量，而且根據(jù)已知被測量參數(shù)，能夠自動調(diào)零、自動平衡、自動補償?shù)取?/p>

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)進行定期和不定期的檢測、測試，及時發(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傳感器中得到泛應用的一類傳感器，包括加速度計、陀螺儀和方位傳感器。MEMS技術得天獨厚的優(yōu)勢實現(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、三軸陀螺儀和三軸磁強計，而成本在1美元以內(nèi)。這種慣性測量模塊可應用于智能手機、可穿戴設備上，實現(xiàn)包括步態(tài)監(jiān)測、步數(shù)統(tǒng)計、跌倒檢測、睡眠監(jiān)測、室內(nèi)導航等運動、健康方面的功能，同時也可以實現(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。

應用于可穿戴設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)的一個節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最終實現(xiàn)柔性化。

目前小的三軸加速度計是博世公司在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還具有強大的智能終端引擎，中斷模式包括數(shù)據(jù)就緒同步、運動喚醒、敲擊感測、方向識別、水平和豎直切換開關、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、計步器（智能手表和手環(huán)）、珠寶首飾等可穿戴設備 。

除了可穿戴設備的應用外，慣性傳感器在軍事領域也有著廣闊的應用和發(fā)展前景，不同于可穿戴設備上的要求，軍事方面的應用對傳感器精度、可靠性以及在條件下的穩(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、航天等領域難以被直接應用。

根據(jù)現(xiàn)階段的工藝水平，采用單個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MEMS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)融合技術來提高精度，即通過多個傳感器的信息融合實現(xiàn)優(yōu)于單個傳感器的性能。

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

其后，西北工業(yè)大學的微納實驗室對3個零偏穩(wěn)定性為35.00（°）/h的微陀螺進行濾波處理，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）新的敏感機理。

提高現(xiàn)有MEMS傳感器性能的另一個方法是發(fā)現(xiàn)新的敏感機理。西北工業(yè)大學的微納實驗室在2015年展示了一個基于模態(tài)局部化的諧振式加速度計。改變了傳統(tǒng)諧振式加速度計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，該課題組基于強迫熱對流現(xiàn)象設計出了一種多軸慣性傳感器“射流轉(zhuǎn)子陀螺" ，最多可以同時敏感3個方向的角速度與3個方向的線加速度。利用流體粒子代替固體質(zhì)量塊，也開創(chuàng)了一個相對較新的MEMS研究領域。

流體慣性傳感省略了可動部件，具有器件結構簡單和穩(wěn)定性高的特點。隨著敏感機理的新發(fā)現(xiàn)、微機電技術的發(fā)展以及新型材料的應用，MEMS慣性傳感器將進一步實現(xiàn)種類的多樣化與精細化，在可穿戴設備等消費電子產(chǎn)品、慣性導航及自動控制的領域發(fā)揮更加重要的作用。

2.4 射頻識別技術

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

無源標簽又稱為被動式標簽，從RFID讀取器的詢問無線電波中獲得能量。而有源標簽，又稱為主動式標簽和半無源標簽，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)別在于有源標簽無需讀取器提供能量便可發(fā)射信號，而半無源標簽仍依賴讀取器提供的能量發(fā)射信號。與條形碼相比，RFID標簽被識別時不需要在讀取器的視線內(nèi)，所以RFID技術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，主要應用在國防與安全、身份識別、環(huán)境、交通運輸、醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)等領域 。

RFID的核心技術包括RFID天線技術、數(shù)據(jù)的完整性與安全性、RFID中間件技術以及RFID的標準體系。近年來，RFID的研究熱點主要集中在數(shù)據(jù)的完整性與安全性，比如在獲取信息的同時保證用戶的隱私不被泄漏，含有RFID標簽的物品所有權改變時的隱私保護以及利用RFID技術實現(xiàn)其他領域的應用，如基于RFID技術的室內(nèi)定位等。

2.5 智能生化傳感器

生化傳感器是指能夠感應生物化學量，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)出了更加的性能，也逐漸成為了生化分子識別元件研究領域的熱點。

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

隨著當前新材料、新原理以及新集成技術的不斷發(fā)展，特別是MEMS技術、生物芯片（bio-chip）技術的出現(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、響應時間、可靠性等，而隨著MEMS技術與標準CMOS技術的不斷融合，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的不斷進步，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中，為傳感器的微型化、多功能化以及智能化奠定了技術基礎。

為了真正實現(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、新結構、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、基于離子敏場效應管的pH值傳感器及基于帶隙基準的溫度傳感器已經(jīng)可以與其相應的讀出電路、無線通信等模塊，集成于同一芯片上，具備自校準功能，并可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)自調(diào)整、自適應功能。

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

多傳感器片上系統(tǒng)的實現(xiàn)為IC后道工藝設計提出了諸多挑戰(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準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，也取得了許多成果，如圖1所示為一種無線可重構多傳感器片上系統(tǒng)原理，為實現(xiàn)實時監(jiān)測多個生理參數(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、基于離子敏場效應管的pH值傳感器以及基于帶隙基準的溫度傳感器）被集成于同一芯片上。

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

此外，為實現(xiàn)智能傳感器的能量自給，2種能量收集方式被同時采用（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用場景中，更換電池的問題。

利用可重構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。

圖2為可重構多傳感器片上系統(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 。

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?、肺部疾病（如哮喘）等進行診斷，并對治療過程進行不間斷的監(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，也為未來遠程醫(yī)療診斷系統(tǒng)的建設提供了終端硬件基礎。

目前，可穿戴智能傳感器已經(jīng)可以實現(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）展示了這一領域的研究成果。

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，有機光電二極管（OLED）、有機光檢測器（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。

該智能傳感器光學檢測部分，具有自校準回路，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，時鐘信號由中樞傳感器發(fā)送至各傳感器節(jié)點，從而去除了各節(jié)點外接的片外晶振，該系統(tǒng)構架在實現(xiàn)傳感器間雙向通信的同時，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)可以實現(xiàn)自校準、自動采集、雙向通信等智能傳感器的基本功能，如何提高復雜檢測環(huán)境下多信號采集過程中的同步精度成為了研究熱點。

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（GSR）以及光電容積描記（PPG）脈搏波傳感器，實現(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。

因為多傳感器使用同一芯片進行數(shù)據(jù)采集，使數(shù)據(jù)流之間可以實現(xiàn)高精度同步，從而為多數(shù)據(jù)之間相關性分析以及數(shù)據(jù)融合提供了基礎。

例如可以結合ECG和PPG數(shù)據(jù)分析脈搏到達時間，并進一步估計血壓值；結合ECG、PPG和BIO-Z數(shù)據(jù)可以對血氧動力學參數(shù)進行更為精確的估計等。

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序數(shù)據(jù)，為更多的生化參數(shù)估計計算提供了基礎，是智能傳感器的研究熱點和未來發(fā)展的必然趨勢。

3 智能傳感器的市場應用

傳感器在市場應用方面，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)新應用進行推動，比如機器人、VR/AR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）、無人機、智慧家庭、智慧醫(yī)療和養(yǎng)老等領域。

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。在整個轉(zhuǎn)型中，傳感器發(fā)揮著至關重要的作用，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，進行產(chǎn)品、工序的全程追蹤，同時利用機械臂、自動導航車系統(tǒng)等具有傳感裝置的設備加快生產(chǎn)速度、精度，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)績下滑嚴重。據(jù)工業(yè)與信息化管理部相關數(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%；家電進口總金額同比下滑5%。

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

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

家電產(chǎn)品種類繁多，今后對傳感器也有多樣性的需求，像運動類傳感器、聽覺類傳感器、視覺類傳感器、麥克風陣列、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)品的各種應用場景。

3）有望為手機業(yè)帶來轉(zhuǎn)機。

，手機業(yè)已經(jīng)進入飽和狀態(tài)。中國智能手機市場 GFK 預測，2016 年手機市場增長僅約 3.1%。手機業(yè)能否迎來轉(zhuǎn)機，很大程度上取決于傳感器的發(fā)展。

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

可以肯定地說，當各種類別的傳感器達到成熟時，手機業(yè)將會出現(xiàn)新的發(fā)展契機。

3.2 對創(chuàng)新應用的支撐

在傳感器的創(chuàng)新應用中，典型的是機器人、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR/AR）、無人機等新型應用領域。

1）虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。

當下，虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）可謂是熱門和關注的應用領域之一。這兩項技術之所以如此吸引眼球，在于VR虛擬現(xiàn)實能夠給人身臨其境的感受，AR增強現(xiàn)實可以讓人對現(xiàn)實的體驗更加形象、強烈和直觀。而這些感受，離不開傳感器的支撐。

在傳感器的應用上，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，在家里的老人搭配上帶有生物傳感器的體感設備，也能獲得與子女旅游的同樣體驗。VR和AR已應用到游戲、體育、教育、旅游、影院、醫(yī)療等領域。隨著VR和AR應用領域的不斷延伸，傳感器的應用需求將非常巨大。

2）機器人。

機器人 ，是一種可編程和多功能的操作機，或是為了執(zhí)行不同的任務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)行機構、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。

谷歌AlphaGo戰(zhàn)勝國際圍棋大師的事件，引發(fā)了對于機器人的關注。在機器人里面，需求諸多傳感器，包括對周圍環(huán)境、對姿態(tài)的測試及人機互動方面。

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

3）無人機。

無人機在短時間內(nèi)得到快速發(fā)展。

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

無人機中會應用到陀螺儀、紅外、超聲、激光、攝像頭、氣壓、地磁等傳感器，從而實現(xiàn)無人機技術化的平穩(wěn)控制和輔助導航，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，比如將麥克風與氣壓傳感器進行集成，將氣壓傳感器與溫濕度傳感器進行集成，將麥克風與溫濕度傳感器進行集成等。

傳感器集成化有幾個優(yōu)勢：一是實現(xiàn)產(chǎn)品功能更加強大，滿足多樣化需求；二是成本優(yōu)勢，1個集成傳感器比2個單獨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，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成本外，還會有定期維護和更換成本。

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發(fā)展方向。

無線能量收集技術，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，實現(xiàn)傳感器的自供電，這樣傳感器可以被安置在任何地方，也減少更換和維護的成本。

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

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

4.3 算法和方案

隨著細分應用需求的增多，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)上的應用。在心電算法上，除了心率、心臟負荷率、壓力、睡眠指數(shù)等，還包括通過FDA認證的醫(yī)療應用。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，并與保險公司進行合作。

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

4.4 中國傳感器產(chǎn)業(yè)要抓住歷史機遇

傳感器行業(yè)入門門檻高、壁壘高；投資大、風險大。在傳感器領域，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：在傳感器核心技術積累如材料、設計、工藝方面嚴重缺失。MEMS企業(yè)規(guī)模相對較小，擁有核心自主設計和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)學研結合的平臺相對不成熟。

隨著智能時代的出現(xiàn)，傳感器產(chǎn)業(yè)恰逢一個難得的歷史機遇。抓住這一歷史機遇，傳感器將會迎來一個新的發(fā)展高度。對中國傳感器產(chǎn)業(yè)而言，擔負著重大的責任，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，多材料復合技術，電池技術和無線無源傳感器、封裝測試設備和系統(tǒng)、加工設備和耗材國產(chǎn)化等。

同時，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、新技術以提高傳感器自身性能；另一方面，隨著傳感器工藝與標準 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。

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

未來智能實驗室的主要工作包括：建立AI智能系統(tǒng)智商評測體系，開展世界人工智能智商評測；開展互聯(lián)網(wǎng)（城市）大腦研究計劃，構建互聯(lián)網(wǎng)（城市）大腦技術和企業(yè)圖譜，為提升企業(yè)，行業(yè)與城市的智能水平服務。每日推薦范圍未來科技發(fā)展趨勢的學習型文章。目前線上平臺已收藏上千篇精華前沿科技文章和報告。