“智能傳感器”是一個非常分散甚至被濫用的術語?,F在技術領域的幾乎所有事物都可以加上“智能”這個前綴。此外,由于智能傳感器越來越多地基于微電子設備的集成,因此在大多數專業文獻中普遍接受的定義是:
一般來說,智能傳感器一詞是在20世紀80年代中期提出的,而“智能”一詞則是由于集成了微控制器單元(MCU)、數字信號處理器(DSP)以及其他設備所需的智能,以及應用專用集成電路(ASIC)技術,通過積極研究控制系統輸入和輸出側的智能硅器件而開發。后來,這個術語的含義被擴展到了微機電系統(MEMS),用來描述用半導體制造工藝制造傳感器和執行器的結構。
且從80年代末期到90年代中后期,隨著單片機技術的發展,將單片微處理器嵌入傳感器中實現溫度補償 、修正 、校準,同時A/D變換器直接將原來的模擬信號轉換為數字信號 ,也讓傳感器更智能。
之后隨著PC與信息化技術的興起,智能傳感器產品開始出現及進入商業化——智能化測量技術有了進一步的提高,在傳感器一級水平實現智能化,使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。
進入21世紀后,人類全面步入信息時代,從一定意義上講,也就是進入了傳感器時代。
由于MEMS技術、低能耗的模擬和數字電路技術、低能耗的無線射頻(RF)技術、傳感器技術的發展,使得開發小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種微傳感器一般裝備有:一個用于感知外界環境物理量的敏感組件(如壓力、溫度、濕度、光、聲、磁等),一個用于處理敏感組件采集信息的計算模塊,一個用于通信的無線電收發模塊,一個為微傳感器的各種操作提供能量的電源模塊。我們稱之為 “智能網絡化傳感器”。
同時,物聯網大時代催熱智能傳感器。
物聯網(IoT)是把任何物品與互聯網連接起來,進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。簡而言之,物聯網就是“物物相連的互聯網”。傳感器作為物聯網三大層次結構之一的感知層的重要組成部分,將現實世界中的物理量、化學量、生物量等轉化成可供處理的數字信號,是實現物聯網的基礎和前提,同時MEMS(微機電)技術作為支撐技術,在物聯網的發展中起著至關重要的作用。
隨著人類步入智能時代,物聯網將駛入快車道,作為物聯網的基礎和核心以及數據的入口,智能傳感器產業將隨之被引爆。
據MRFR分析,到2023年,全球智能傳感器市場預計將從2017年的180億美元增長到472.0億美元,在預測期間的復合年增長率(CAGR)為18.20%。
目前推動智能傳感器市場增長的主要因素是傳感器在消費電子,汽車,物流,國防和醫療保健等各種垂直行業中的越來越多的使用。
比如,在智能手機、機器人、無人機、AR/VR設備和智能可穿戴設備等消費電子里應用了大量的智能傳感器。
智能手機中比較常見的智能傳感器有距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、指紋識別傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤等;智能傳感器作為機器人的“五官”,在采集外界信息數據上發揮著重要作用;AR/VR需要用到大量用于追蹤動作的傳感器,比如FOV深度傳感器、攝像頭、陀螺儀、加速計、磁力計和近距離傳感器等;無人機的智能飛控系統需要用到各種智能傳感器,包括IMU、MEMS加速度計、電流傳感器、傾角傳感器和發動機進氣流量傳感器等;可穿戴設備最基本的功能就是通過傳感器實現運動傳感,包括MEMS加速度、心率傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風和脈搏傳感器等。
再比如在汽車領域,智能汽車與自動駕駛的火爆讓智能傳感器快速打開市場。
在智能汽車時代,主動安全技術成為備受關注的新興領域,需要改進現有的主動安全系統,比如側翻(rollover)與穩定性控制(ESC),這就需要MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來感測車身姿態。MEMS傳感器在汽車領域還有很多應用,包括安全氣囊(應用于正面防撞氣囊的高g值加速度計和用于側面氣囊的壓力傳感器)、汽車發動機(應用于檢測進氣量的進氣歧管絕對壓力傳感器和流量傳感器)等。
而自動駕駛技術的興起,也進一步推動了MEMS傳感器進入汽車。雖然GPS接收器可以計算自身位置和速度,但在GPS信號較差的地方(地下車庫、隧道)和信號受到干擾的時候,汽車的導航會受到影響,這對自動駕駛來說是致命的缺陷。利用MEMS陀螺儀和加速度計獲取速度和位置(角速度和角位置),車輛任何細微的動作和傾斜姿態,都被轉化為數字信號,通過總線,傳遞給行車電腦。即便在最快的車速狀態下,MEMS的精度和反應速度也能夠適應。得益于硅體微加工、晶片鍵合等技術的發展,精度已經上升到0.01.
現代高級轎車的電子化控制系統水平的關鍵就在于采用壓力傳感器的數量和水平,目前一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器,而豪華轎車上的傳感器數量可多達二百余只,種類通常達30余種,多則達百種。
2003年,在美國商業周刊“未來技術發展報告”中,傳感器列為21世紀最具影響和改變世界10個新技術之一。福布斯也將傳感器列為在今后幾十年內影響和改變著世界經濟格局和人們生活方式的科技產品之首。
未來相信在新興的科學技術推動下,包括MEMS技術、納米技術、AI技術等,智能傳感將保持持續的增長。
隨著自動化生產程度的提高,對智能傳感器的要求也在不斷提高。智能傳感器的發展將走向高精度、高可靠性、寬溫度范圍、微型化、微功耗及無源化、智能化數字化和網絡化,以更好地應用于消費電子、汽車、物流、工業、醫療等場景中,給人類打造一個美好且神奇的智能傳感電子世界。