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，實現(xiàn)較易組網(wǎng)，從而擴大傳感器的應(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電系統(tǒng)(MEMS)、互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、光譜學三大類。
MEMS和CMOS技術(shù)容易實現(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、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)視和瞄準等軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
一、傳感器的智能化趨勢
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)來進行數(shù)字補償。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、本地數(shù)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(gòu)成示意圖
未來，預(yù)計傳感器發(fā)展的第四階段是向微系統(tǒng)傳感器衍進，如圖2所示。
圖2 帶天線的通用微系統(tǒng)傳感器
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(yīng)性高、性價比高。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；通過軟件進行數(shù)學處理，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，性價比高。
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，將對食品安全應(yīng)用和生物危險探測、安全危險探測和報警、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
二、重點技術(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38％左右。
1. MEMS
MEMS傳感器最早被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，可進行目標跟蹤和自動識別領(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，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)與指令的雙向通信、全數(shù)字傳輸、本地數(shù)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(jiān)視、偵察（包括無人機蜂群），已經(jīng)可以通過智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對多地區(qū)多變量的遙感監(jiān)視。
2. CMOS
（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）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。
（4） 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芯片上的量子傳感裝置。
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(zhì)相互作用的光譜特性來分析物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)。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(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進行光譜分析，可實現(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）進行成像分析，目前已制成單片器件。
三、市場與應(yīng)用分析
1. 主流產(chǎn)品處于上升周期
根據(jù) MarketsandMarkets的報告：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。
2. 主流技術(shù)推進軍事應(yīng)用
軍事應(yīng)用的強烈需求不斷拉動傳感器技術(shù)的進步與變革。CMOS、硅微細加 工、MEMS 主流技術(shù)是傳感器智能化的主要實現(xiàn)手段和傳感器數(shù)據(jù)融合的硬件基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)低成本的有效途徑。
（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行綜合處理，得到更為準確、可靠的信息或結(jié)論。例如，無人機等裝備電子系統(tǒng)就必須對來自紅外、視頻和位置傳感器的數(shù)據(jù)進行融合。數(shù)據(jù)融合要求傳感器具備高控制計算能力和小型化。
（2） 戰(zhàn)場監(jiān)視和瞄準傳感器
根據(jù)傳感器的研究，美國國防部將戰(zhàn)場監(jiān)視和瞄準傳感器劃分為幾大類，如圖４所示。基 于MEMS、CMOS、光譜學技術(shù)制作的傳感器主要包括：
１）監(jiān)視和電子情報智能傳感器，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；
２）轉(zhuǎn)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(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)視和瞄準傳感器的參考分類
（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、地球觀測和氣象預(yù)報任務(wù)的典型遙感傳感器。
表1 空間遙感傳感器一覽表圖片
（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，能夠為更低級別層面的戰(zhàn)士提供增強的態(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)目標并識別和分類處理。智能微塵等先進智能傳感器網(wǎng)傳感器可以撒布到戰(zhàn)場的各個角落，功耗低、隱蔽性強，具有自主性和自動化功能，能自我感知、持續(xù)學習，甚至能夠?qū)δ繕俗詣舆M行探測、跟蹤和分類并進行網(wǎng)絡(luò)化通信。
四、我國智能傳感器發(fā)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(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，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，以及當前智能傳感器的發(fā)展趨勢，發(fā)展建議如下。
一是堅持市場導(dǎo)向，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。堅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)學研用政一體化協(xié)同創(chuàng)新機制，促進“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，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)突破，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
二是聚焦應(yīng)用市場，抓住重點領(lǐng)域核心產(chǎn)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(yīng)用行業(yè)的核心關(guān)鍵產(chǎn)品，加速推進MEMS、CMOS、光譜學等主流技術(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。重點瞄準MEMS、CMOS、光譜學等具有廣泛軍民應(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。
