智能傳感器技術特點及發展趨勢

　　隨著物聯網、移動互聯網等新興產業的快速發展，智能傳感器的市場份額將以約36％的年均復合增長率（CAGR）增長，預計在2020年達到104.6億美元。智能傳感器由傳感元件、信號調理電路、控制器（或處理器）組成，具有數據采集、轉換、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，實現較易組網，從而擴大傳感器的應用范圍，使其發展更加迅速有效。

　　智能傳感器主要基于硅材料微細加工和CMOS電路集成技術制作。按制造技術，智能傳感器可分為微機電系統（MEMS）、互補金屬氧化物半導體（CMOS）、光譜學三大類。MEMS和CMOS技術容易實現低成本大批量生產，能在同一襯底或同一封裝中集成傳感器元件與偏置、調理電路，甚至超大規模電路，使器件具有多種檢測功能和數據智能化處理功能。例如，利用霍爾效應檢測磁場、利用塞貝克效應檢測溫度、利用壓阻效應檢測應力、利用光電效應檢測光的智能器件。

　　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入到智能傳感器行業，如美國的飛思卡爾半導體公司（Freescale）、模擬器件公司（ADI）、德國的英飛凌科技有限公司（ Infineon）、意法半導體公司（ST）等。這些公司的智能傳感器已被廣泛應用于人們的日常生活中，如智能手機、智能家居、可穿戴裝置等，在工控設施、智能建筑、醫療設備和器材、物聯網、檢驗檢測等工業領域發揮著重要作用，還在監視和瞄準等軍事領域有廣泛的應用。

　　1 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，并具有監測與處理功能的器件。智能傳感 器 最主要的特 征 是 輸 出 數 字 信 號，便于后續計算處理。智能傳感器的功能包括信號感知、信號處理、數據驗證和解釋、信號傳輸和轉換等，主要的組成元件包括A/D和D/A轉換器、收發器、微控制器、放大器等。

　　目前，傳感器經歷了三個發展階段：1969年之前屬于第一階 段，主要表現為結構型傳感器；1969年之后的20年屬于第二階段，主要表現為固態傳感器；1990年到現在屬于第三階段，主要表現為智能傳感器。

　　智能傳感器的構成示意圖如圖１所示。數據轉換在傳感器模塊內完成。這樣，微控制器之間 的 雙向聯接均為數字信號，可以采用可編程只讀存儲器（PROM）來進行數字補償。智能傳感器的主要特征是：指令和數據雙向通信、全數字傳輸、本地數字處理、自測試、用戶定義算法和補償算法。

圖１ 智能傳感器的構成示意圖

  未來，預計傳感器發展的第四階段是向微系統傳感器衍進，如圖２所示。

圖２ 帶天線的通用微系統傳感器

　　1.2 智能傳感器的特點

　　智能傳感器的特點是精度高、分辨率高、可靠性高、自適應性高、性價比高。智能傳感器通過數字處理獲得高信噪比，保證了高精度；通過數據融合、神經網絡技術，保證在多參數狀態下具有對特定參數的測量分辨能力；通過自動補償來消除工作條件與環境變化引起的系統特性漂移，同時優化傳輸速度，讓系統工作在最優的低功耗狀態，以提高其可靠性；通過軟件進行數學處理，使智能傳感器具有判斷、分析和處理的功能，系統的自適應性高；可采用能大規模生產的集成電路工藝和 MEMS工藝，性價比高。

　　1.3 應用發展趨勢

　　智能傳感器代表新一代的感知和自知能力，是未來智能系統的關鍵元件，其發展受到未來物聯網、智慧城市、智能制造等強勁需求的拉動，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設計，將對食品安全應用和生物危險探測、安全危險探測和報警、局域和全域環境檢測、健康監視和醫療診斷、工業和軍事、航空航天等領域產生深刻影響。

圖３ 智能傳感器的發展受需求拉動的曲線

　　２ 重點技術發展分析

　　智能傳感器的發展態勢可根據 MEMS、CMOS和光譜學分類研究。MEMS、CMOS是智能傳感器制造的兩種主要技術。預計CMOS技術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％。光譜學技術是智能傳感器增長最快的新技術，2013~2017年的年增加率高達38％左右。

　　2.1 MEMS

　　MEMS傳感器最早被應用于軍事領域，可進行目標跟蹤和自動識別領域中的多傳感器數據融合，具有特定 的高精度和識別、跟蹤定位目標的能力。采用 MEMS技術制作、集成了A/D 轉換器的流量傳感器已被應用于航天領域。要想實現智能化，需要集成 MEMS傳感器的功能以及信號調理、控制和數字處理功能，以實現數據與指令的雙向通信、全數字傳輸、本地數字處理、自校準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視、偵察（包括無人機蜂群），已經可以通過智能傳感器網絡，實現對多地區多變量的遙感監視。

　　2.2 CMOS

　　2.2.1 CMOS 傳感器

　　CMOS技術是主流的集成電路技術，不僅可用于制作微處理器等數字集成電路，還可制作傳感器、數據轉換器、用于通信目的高集成度收發器等，具有可集成制造和低成本的優勢。CMOS計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、觸控感應器等應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％，并在近幾年呈持續增長態勢。采用CMOS技術制作、集成了D/A轉換器的溶解氧傳感器已被應用于汽車領域。集成了收發功能的濁度傳感器已被應用于生物醫藥領域。組合了CMOS成像器和處理電路的數字低光度CMOS 基成像器正在成為軍事應用領域的主流成像器。

　　2.2.2 CMOS與 MEMS集成新技術

　　目前，關于集成智能傳感器制作工藝的研究熱點是與CMOS工 藝 兼容的各種 傳感器結構及其制造工藝流程。傳感器和致動器（S&A）通常采用專用MEMS技術，因 此，可以利用MEMS 與 CMOS的不同結合衍生出各種新集成技術平臺。德州儀器公司的微鏡就是超大規模 S&A與 CMOS在后CMOS工藝段結合的一個經典案例。若將 S&A 單片集成或異構集成在 CMOS平臺之上，可以提高器件性能，減小器件與系統的尺寸，降低成本。

　　雖然國際上一些S&A技術達到很高的成熟度并且已經量產，但是S&A 與CMOS平臺的三維或單片集成仍然面臨高量產和低成本的重大挑戰，因而受到極大的關注。

　　2.2.3 前沿領域中的新集成技術

　　基于碳納米管（CNT）或納米線等納米尺度結構和納米材料、可以實現更高性能的新集成技術和器件受到越來越多的關注。美國北卡羅萊納州立大學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。需要關注的技術還包括采用量子技術實現更高敏感性和分辨率的量子傳感器，以及能夠集成在手機芯片上的量子傳感裝置。

　　2.3 光譜學

　　光譜學是一門涉及物理學和化學的重要交叉學科，通過測量光與物質相互作用的光譜特性來分析物質的物理、化學性質。精準的多光譜測量可以用于分析固體、液體甚至氣體物品，只要有光就可以實現測量。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進行光譜分析，可實現寬范圍測量。美國 BANPIL公司的多譜圖像傳感器能夠對頻譜范圍為0.3~2.5μｍ 的超紫外（UV）光、可見光（VIS）、近紅外（NIR）、短波長紅外 （SWIR）進行成像分析，目前已制成單片器件。

　　３ 市場與應用分析

　　3.1 主流產品處于上升周期

　　根據 MarketsandMarkets的報告：全球智能制造領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％；國家安全領域航空航天應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達到28.3％。壓力傳感器、溫度傳感器、觸摸傳感器等主要產品均為兩位數的增長率。采用MEMS、CMOS、光譜學等主流技術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包 括美國的 ADI、瑞士的 ABB 和Colibrys、英國的Cypress半導體等。

　　3.2 主流技術推進軍事應用

　　軍事應用的強烈需求不斷拉動傳感器技術的進步與變革。CMOS、硅微細加 工、MEMS 主流技術是傳感器智能化的主要實現手段和傳感器數據融合的硬件基礎，也是實現低成本的有效途徑。

　　3.2.1 傳感器數據融合

　　數據融合將來自多個傳感器或多源的信息進行綜合處理，得到更為準確、可靠的信息或結論。例如，無人機等裝備電子系統就必須對來自紅外、視頻和位置傳感器的數據進行融合。數據融合要求傳感器具備高控制計算能力和小型化。

　　3.2.2 戰場監視和瞄準傳感器

　　根據傳感器的研究，美國國防部將戰場監視和瞄準傳感器劃分為幾大類，如圖４所示。基 于MEMS、CMOS、光譜學技術制作的傳感器主要包括：１）監視和電子情報智能傳感器，在航空航天的應用是環境檢測、安全和地球觀測服務，并涉及對水下艦船、智能電子裝置（IED）、魚雷和導彈的探測和跟蹤，視頻監視用于關鍵基礎設施保護；２）轉動炮塔等武器的準確定位，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，滿足軍事應用對傳感系統快速感知、操作、響應的要求。

圖４ 美國國防部戰場監視和瞄準傳感器的參考分類

　　3.2.3 航天應用傳感器

　　一臺中型規模的航天飛行器約有數百個傳感器，需要向智能傳感器發展。在空間應用的傳 感 器有抗輻射加固等特殊要求，比其他軍用領域的要求更為苛刻。將陸地智能傳感器發展到航天應用領域是重要發展途徑。遙感傳感器可將電磁技術應用于信息采集的重要技術領域。不同的遙感傳感器工作在不同的電磁頻譜范圍。表１列出應用于科學、地球觀測和氣象預報任務的典型遙感傳感器。

表1 空間遙感傳感器一覽表

　　3.2.4 智能傳感網

　　美軍智能傳感網（SSW）的發展明顯受到傳感器、MEMS和 CMOS等技術發展的推動，擬實現微小化、智能化、網絡化、分布式和傳感器信息融合，能夠為更低級別層面的戰士提供增強的態勢感知手段。這一應用領域涉及到種類繁多的傳感器。數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 助發現目標并識別和分類處理。智能微塵等先進智能傳感器網傳感器可以撒布到戰場的各個角落，功耗低、隱蔽性強，具有自主性和自動化功能，能自我感知、持續學習，甚至能夠對目標自動進行探測、跟蹤和分類并進行網絡化通信。

　　４ 我國智能傳感器發展建議

　　隨著智能化時代的逐步臨近，智能傳感器將成為未來智能系統和物聯網的核心部件，是一切數據采集的入口以及智能感知外界的前端，隨著人工智能技術不斷地發展和成熟，其重要性將日益凸顯。然而，傳感器產業基礎與應用兩頭依附、技術與投資兩個密集、產品與產業兩大分散的特點，導致我國傳感器產業整體素質參差不齊，“散、小、低、弱、缺芯” 的狀況十分突出，缺乏核心技術，與國際差距更加明顯。國內對傳感器與CMOS控制處理芯片混合集成或者單片集成技術雖有研究，但具有影響力的研究還不多見。結合我國國情，以及當前智能傳感器的發展趨勢，發展建議如下。

　　一是堅持市場導向，促進產業發展。堅持市場化配置資源和政府引導相結合，研究智能傳感器的發展規劃，通過產學研用政一體化協同創新機制，促進“傳感芯片－集成應用－系統方案及信息服務”廠商的高效協同，建立健全產業生態鏈，縮短技術到產品的研發周期，快速提升技術產品研發能力，實現產業突破，促進產業發展。

　　二是聚焦應用市場，抓住重點領域核心產品。重點瞄準智能制造、智慧生活、汽車電子、儀器儀表、國家安全等應用行業的核心關鍵產品，加速推進MEMS、CMOS、光譜學等主流技術制作的智能傳感器的產品研發和推廣應用，掌握核心關鍵技術，快速形成產品研發能力，支撐產業發展。

　　三是重視基礎研究，促進科技創新。鼓勵原始創新，發展新原理、新材料、新結構的智能傳感器，如量子傳感、MEMS生物芯片、納機電系統（NEMS）、新型集成傳感微系統、３Ｄ和單芯片異質異構集成技術等傳感新技術。

　　四是軍民融合發展。重點瞄準MEMS、CMOS、光譜學等具有廣泛軍民應用和產業化前景的關鍵技術。軍用領域重點關注光電和紅外／聽覺、地震和磁／射頻傳感器的智能化和數據融合。民 用領域重點關注圖像傳感器、汽車傳感器、航空無線傳感微系統，積極推動以多種航天傳感器為代表的民轉軍、軍轉民和軍民融合發展。