智能傳感器技術研究與發(fā)展探討

張裕

摘 要：本文從智能傳感器的概念和架構出發(fā)，對智能傳感器的技術進行了初探，并且結合國內實際情況，提出關于智能傳感器技術的發(fā)展建議。

關鍵詞：智能傳感器；技術研究；發(fā)展

一、智能傳感器

智能傳感器主要由三部分組成，分別為制動器設備、傳感器設備和電子電路的智能器件?；蛘哂蓛刹糠纸M成，分別為微處理器與傳感元件。此種類型的傳感器還具有處理與檢測功能。智能傳感器最為顯著的特征就是數(shù)字信息的傳輸，并且能夠獨立完成數(shù)據(jù)的計算分析。智能傳感器設備的主要功能有幾種，分別為信息處理功能、信息驗證功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、信號感知功能以及信息轉換功能。傳感器中的元件主要有信號收發(fā)裝置、信號轉換器、放大器和微控制器。

二、智能傳感器的特點分析

智能傳感器主要具備以下幾個特征，分別為適應性強、分辨率高、性價比高、精準度高等特點。一般情況下，智能傳感器設備獲取高信噪比的方式主要是通過數(shù)據(jù)的分析和處理，這種方式可以保證信息的準確性。此外，通過神經網絡技術和信息融合技術的交叉使用，可以使智能傳感器在多種參數(shù)的狀態(tài)下，能夠實現(xiàn)對于特定參數(shù)的辨別與測量。此外，智能傳感器還具備自動補償功能，該功能能夠一定程度上消除工作環(huán)境和條件等因素對其造成的影響，有效規(guī)避系統(tǒng)漂移現(xiàn)象，與此同時還能提升數(shù)據(jù)傳輸速度，降低系統(tǒng)的功率消耗。

三、智能傳感器技術分析

1、MEMS技術

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(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(xiàn)智能化，需要集成MEMS傳感器的功能以及信號調理、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），已經可以通過智能傳感器網絡，實現(xiàn)對多地區(qū)多變量的遙感監(jiān)視。

2、CMOS

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(shù)字集成電路，還可制作傳感器、數(shù)據(jù)轉換器、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、電導率傳感器、PH傳感器、氧化還原電位傳感器、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(xù)增長態(tài)勢。采用CMOS技術制作、集成了的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(fā)功能的濁度傳感器已被應用于生物醫(yī)藥領域。組合了CMOS成像器和處理電路的數(shù)字低光度CMOS基成像器，正在成為軍事應用領域的主流成像器。

3、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(guī)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(tǒng)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(zhàn)，因而受到極大的關注。

4、前沿領域中的新集成技術

基于碳納米管或納米線等納米尺度結構和納米材料、可以實現(xiàn)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(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。

5、光譜技術

光譜學不僅僅涉及一種學科，其中不但包括了物理學知識，還涵蓋了化學知識。通過將光譜學知識融入到智能傳感器中，可以借助光譜的特性來對物質的各種性質進行分析。這種光譜測量方式可以應用在固體物質、液體物質或者氣體物質，只要能與光進行接觸就能夠實現(xiàn)測量。目前，光譜成像法的應用越來越廣泛，主要被應用在物體或者材料的屬性分析。此種技術還可以對圖像中的像素進行細化分析，實現(xiàn)大范圍測量。美國許多公司借助該原理對可見光、紫外光等進行成像分析，技術應用已經相對成熟。

四、我國智能傳感器發(fā)展探究

1、智能傳感器發(fā)展趨勢分析

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)的關鍵元件，其發(fā)展受到未來物聯(lián)網、智慧城市、智能制造等強勁需求的拉動。智能傳感器通過在元器件級別上的智能化系統(tǒng)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(huán)境檢測、健康監(jiān)視和醫(yī)療診斷、工業(yè)和軍事、航空航天等領域產生深刻影響。

2、智能傳感器發(fā)展建議

隨著科學技術的飛速發(fā)展，智能化時代已經到來，智能傳感器的發(fā)展趨勢已經逐漸步入智能系統(tǒng)的核心。隨著人工智能技術不斷發(fā)展與革新，其應用范圍逐漸增加，且技術水平日益成熟。但是，當前的智能傳感器產業(yè)的發(fā)展具有幾個特征，其應用與基礎技術呈現(xiàn)兩頭依附的狀態(tài)，投資過于密集，產品發(fā)展和產業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出分散的趨勢，在這種情況下，使得智能傳感器生產行業(yè)的整體素質層次不齊，核心技術并不明確，與國際上的先機技術相比，仍然存在很多不足。目前國內雖然已經涉足芯片的集成技術和單片集成技術的研發(fā)，但是缺乏突出的研究成果。為了促進我國智能傳感器產業(yè)的發(fā)展，以下提出幾點發(fā)展建議。

1、堅持市場導向，促進產業(yè)發(fā)展

想要推進我國智能傳感器產業(yè)的健康發(fā)展，首先要控制好市場化資源的控制，并且堅持政府的發(fā)展引導方向，為智能傳感器的發(fā)展制定全面而精準的規(guī)劃，與此同時，要制定完善的創(chuàng)新機制，建立一個完整的智能傳感器生態(tài)鏈，盡量壓縮產品的研發(fā)時間，提升技術水準和產品的研發(fā)能力，保障產業(yè)的發(fā)展。

2、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(yè)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(fā)和推廣應用，掌握核心關鍵技術，快速形成產品研發(fā)能力，支撐產業(yè)發(fā)展。

3、重視基礎研究，促進科技創(chuàng)新

鼓勵原始創(chuàng)新，發(fā)展新原理、新材料、新結構的智能傳感器，如量子傳感、MEMS生物芯片、納機電系統(tǒng)、新型集成傳感微系統(tǒng)、3D和單芯片異質異構集成技術等傳感新技術。

4、軍民融合發(fā)展

重點瞄準MEMS、CMOS、光譜學等具有廣泛軍民應用和產業(yè)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(shù)據(jù)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(tǒng)，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(fā)展。

結語：隨著物聯(lián)網、移動互聯(lián)網等新興產業(yè)的快速發(fā)展，智能傳感器的市場份額逐漸增大，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，從而擴大傳感器的應用范圍，使其發(fā)展更加迅速有效。

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