全球智能傳感器技術(shù)發(fā)展研究

柳柏杉

智能傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、汽車(chē)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和能源等領(lǐng)域。全球技術(shù)市場(chǎng)的發(fā)展從20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)最初10年的“摩爾時(shí)代”發(fā)展到2010—2030年的“擴(kuò)展摩爾時(shí)代”，并有望在2030年以后進(jìn)入“超越摩爾時(shí)代”。尖端云設(shè)備的作用和大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生預(yù)計(jì)將推動(dòng)智能傳感器新生態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)建，到2030年將占世界經(jīng)濟(jì)的11%。智能傳感器的路線圖是廣泛、復(fù)雜和多樣化的，并導(dǎo)致可持續(xù)的、信息通信技術(shù)支持的戰(zhàn)略。智能傳感技術(shù)正從簡(jiǎn)單的傳感轉(zhuǎn)向集成多種功能、云應(yīng)用、自供電系統(tǒng)和便攜式和/或一次性設(shè)備的智能傳感。

智能傳感器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)靠“一刀切”的方法是不可能的，因?yàn)橛袩o(wú)數(shù)不同的部署場(chǎng)景，從受控?zé)o菌環(huán)境（如醫(yī)療科技）到惡劣和激進(jìn)的環(huán)境（如汽車(chē)、農(nóng)業(yè)科技），并不是所有的傳感器類(lèi)型或方法都適用于每種部署類(lèi)型。因此，必須開(kāi)發(fā)或修改新的或現(xiàn)有的感知范式，使之適合于解決其特定的問(wèn)題。雖然汽車(chē)和醫(yī)療技術(shù)行業(yè)（最廣泛的意義上）存在著非常大的市場(chǎng)，但可持續(xù)農(nóng)業(yè)食品和環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域的小型新興市場(chǎng)可能對(duì)中小企業(yè)更感興趣。本文將針對(duì)智能傳感器技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域未來(lái)幾年需要解決的中長(zhǎng)期挑戰(zhàn)（表1）進(jìn)行闡述分析。

1 傳感器在醫(yī)療和醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域，傳感器的主要應(yīng)用是遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)（不僅是疾病監(jiān)測(cè)，還包括藥物開(kāi)發(fā)和臨床操作）、家庭保健和健身/健康監(jiān)測(cè)。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，最終用戶可以是醫(yī)療保健提供商和參與者（醫(yī)生、醫(yī)院人員、制藥公司），也可以是患者自己。醫(yī)療傳感設(shè)備主要有可穿戴生理信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備、可植入傳感器和分子診斷傳感器。這3種傳感器的技術(shù)解決方案、要求和挑戰(zhàn)在很大程度上取決于傳感器的應(yīng)用和類(lèi)別。然而，一些共同的因素包括安全/安全要求、小型化潛力、可制造性和成本、可靠性和包裝、生物相容性和生物穩(wěn)定性以及多傳感能力等。

1.1 生理信號(hào)監(jiān)測(cè)

可穿戴式醫(yī)療設(shè)備廣泛應(yīng)用于連接人體從頭到腳（眼鏡、手表、帽子、鞋子等）監(jiān)控不同的身體特征的變化區(qū)域和器官，如氧氣，葡萄糖，胰島素水平，心臟病、血壓、大腦活動(dòng)，水分、溫度、數(shù)量和質(zhì)量的睡眠，熱量攝入量等?？纱┐麽t(yī)療設(shè)備集成了基于移動(dòng)應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警等軟件，使場(chǎng)景更加人性化。生理信號(hào)監(jiān)測(cè)可以幫助提高健康的生活方式，預(yù)防心血管事故和改善慢性/急性疾病的管理。此外，生理傳感器能夠檢測(cè)與污染有關(guān)的健康危害，填補(bǔ)了家庭監(jiān)測(cè)和診斷的空白。這些技術(shù)解決方案涉及溫度、壓力、離子和/或生物標(biāo)記物傳感器。生理信號(hào)監(jiān)測(cè)面臨的一些具體挑戰(zhàn)是信號(hào)質(zhì)量好、免費(fèi)或人工檢測(cè)、高自主性、低功耗設(shè)計(jì)、個(gè)性化算法和實(shí)時(shí)反饋；無(wú)創(chuàng)，允許多參數(shù)監(jiān)測(cè)。醫(yī)療器械的開(kāi)發(fā)是非常困難的，因?yàn)殚L(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)，高成本的臨床驗(yàn)證和艱難的歐洲共同市場(chǎng)安全（CE）標(biāo)簽/FDA批準(zhǔn)程序。因此，這一期限為10～15年，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中小企業(yè)和衍生企業(yè)來(lái)說(shuō)是難以承受的。此外，患者的安全和隱私應(yīng)受到尊重，防止黑客攻擊也至關(guān)重要。

1.2 可植入傳感器

仿生學(xué)、生物醫(yī)學(xué)植入物，是人工添加到身體，模仿功能（視覺(jué)、耳朵，、骨科、心臟、神經(jīng)/大腦）失去或非功能的自然器官。然而，高昂的成本，相應(yīng)的醫(yī)療，以及嚴(yán)格的審批程序是挑戰(zhàn)和限制市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要制約因素。除了生物相容性、生物穩(wěn)定性和極高的可靠性方面的挑戰(zhàn)外，植入式生物傳感器可實(shí)行的其他關(guān)鍵因素是植入式生物傳感器的壽命及其自主性（能量收集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程/無(wú)線電力傳輸、無(wú)線數(shù)據(jù)通信和設(shè)備控制）。

電生理學(xué)的全電子化設(shè)備可對(duì)生物進(jìn)行電生理學(xué)檢測(cè)，例如：一個(gè)緊密排列的微電極陣列（MEA）能夠從一個(gè)大的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行高精度的細(xì)胞內(nèi)記錄，一直是生物工程、神經(jīng)和心臟技術(shù)的主要追求。穿過(guò)細(xì)胞膜的離子電流對(duì)于可興奮和非興奮細(xì)胞都是至關(guān)重要的，它們的精確測(cè)量需要細(xì)胞膜和測(cè)量電極之間的有效耦合。迄今為止，業(yè)界最雄心勃勃的目標(biāo)是通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）—MEA實(shí)現(xiàn)全電生理成像，允許大規(guī)模并行記錄細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。然而，這種技術(shù)與典型的微電子大規(guī)模集成技術(shù)的結(jié)合還沒(méi)有被嘗試過(guò)，因?yàn)閷MOS技術(shù)與小尺寸納米電極所需的技術(shù)難以結(jié)合。新興的納米材料，如直接在現(xiàn)有設(shè)備表面生長(zhǎng)硅納米線，可以大大增加非常清晰的像素大陣列。這種集成電生理傳感器作為基于患者疾病監(jiān)測(cè)設(shè)備有巨大應(yīng)用，如心臟顫動(dòng)、神經(jīng)元活動(dòng)和視網(wǎng)膜視覺(jué)的活體監(jiān)測(cè)。

1.3 分子診斷傳感器

分子診斷學(xué)是通過(guò)檢測(cè)脫氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）中的特定序列，在分子水平上分析生物標(biāo)記物的技術(shù)。它還可以診斷各種傳染病、癌癥，并檢查疾病的遺傳易感性風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)降低成本，并簡(jiǎn)化診斷程序。然而，目前的分子診斷技術(shù)僅能檢測(cè)到反應(yīng)蛋白、降鈣素原等最簡(jiǎn)單的生物學(xué)參數(shù)，對(duì)于復(fù)雜、威脅生命的傳染病仍需借助重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成相應(yīng)的檢測(cè)分析。電化學(xué)傳感器在分子診斷中也起著重要的作用。為了檢測(cè)不同的目標(biāo)，傳感器被涂上不同的功能基團(tuán)，如抗體或DNA，可以很容易地與便攜式設(shè)備集成，并適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，如現(xiàn)場(chǎng)診斷。CMOS技術(shù)的不斷進(jìn)步使得傳感器陣列的制造成為可能，例如用于DNA測(cè)序的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管的大矩陣。

智能傳感器是近10年來(lái)快速發(fā)展的一種技術(shù)，它將與其他技術(shù)緊密結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是智能設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，它還包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)集成、軟件開(kāi)發(fā)和服務(wù)。此外，傳感器、包裝和生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能量支持對(duì)開(kāi)發(fā)人員和制造商來(lái)說(shuō)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。一些傳感器，如運(yùn)動(dòng)傳感器、壓力傳感器已經(jīng)成熟，可能在3年內(nèi)投入市場(chǎng)，而其他一些傳感器，如量子空氣監(jiān)測(cè)傳感器和快速?gòu)?fù)雜疾病診斷，正在功能研究，可能需要幾十年的時(shí)間。此外，在過(guò)去的10年中，有證據(jù)表明，血液中MicroRNAs（一類(lèi)進(jìn)化上保守的非編碼小分子RNA，具有在翻譯水平調(diào)控基因表達(dá)的功能）的表達(dá)水平是可重復(fù)的，并指示了幾種疾病。CMOS集成電路后端覆蓋的二氧化硅層特別適合與生物分子結(jié)合實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能化，如肽核酸，它可以識(shí)別特定的miRNA序列，兩者可固定在表面熒光團(tuán)分子上。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，已經(jīng)將硅基光學(xué)傳感器作為醫(yī)療應(yīng)用的關(guān)鍵部件，特別是應(yīng)用于臨床診斷。

2 運(yùn)動(dòng)和壓力傳感器

汽車(chē)市場(chǎng)引領(lǐng)著微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）器件的發(fā)展。運(yùn)動(dòng)傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、消費(fèi)電子、航空航天、國(guó)防、醫(yī)療保健和工業(yè)應(yīng)用等。預(yù)計(jì)到2023年，運(yùn)動(dòng)傳感器市場(chǎng)將達(dá)到26億美元。同樣，加速度計(jì)和陀螺儀已經(jīng)成為所有消費(fèi)電子設(shè)備的組成部分，到2026年，這一市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到50億美元。然而，運(yùn)動(dòng)傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)受到低精度的限制，MEMS的平均價(jià)格被限制在小于1美元，導(dǎo)致利潤(rùn)非常低。目前，醫(yī)療、汽車(chē)和工業(yè)傳感器的發(fā)展至關(guān)重要，并顯示出潛在的利潤(rùn)空間。

壓力傳感器市場(chǎng)主要由汽車(chē)和醫(yī)療應(yīng)用主導(dǎo)，并將在短期內(nèi)（3～5年）快速增長(zhǎng)。壓力傳感器監(jiān)測(cè)、控制氣體和液體的壓力，以及其他壓力，如真空、壓力表和絕對(duì)壓力。壓力傳感器作為汽車(chē)排放控制傳感器的關(guān)鍵部件，有助于降低汽車(chē)的排放、油耗和空氣污染。此外，它們?cè)诔丝桶踩到y(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備消費(fèi)行業(yè)的利潤(rùn)率正在萎縮，有必要限制生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，以限制市場(chǎng)衰退。一些策略可以是共享成本、改進(jìn)流程或具有附加價(jià)值的新設(shè)備。

3 先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）集成了圖像設(shè)備、雷達(dá)傳感器、激光和超聲波傳感器，吸引了技術(shù)提供商的濃厚興趣，以幫助確保道路安全。ADAS的開(kāi)發(fā)將符合政府規(guī)定，并增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。安裝的圖像設(shè)備，包括攝像機(jī)、紅外探測(cè)器、光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR），可以為司機(jī)提供180°的道路和夜視，并可以集成到中央監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)響應(yīng)。圖像傳感器分為電荷耦合器件和CMOS，它們也可以用于醫(yī)學(xué)成像的三維掃描、三維渲染、圖像重建或三維建模手勢(shì)識(shí)別。無(wú)論從短期還是長(zhǎng)期來(lái)看，電荷耦合器件（CCD）都將被CMOS完全取代。紅外探測(cè)器用于國(guó)防系統(tǒng)，醫(yī)療和汽車(chē)應(yīng)用，如夜視和行人和/或動(dòng)物檢測(cè)。

目前的紅外探測(cè)器是基于物體的溫度變化，價(jià)格合理，但由于環(huán)境多塵和高濕度，存在精度不高的問(wèn)題。激光雷達(dá)技術(shù)通過(guò)掃描激光，計(jì)算其與反射物的距離，形成環(huán)境圖像。然而，盡管激光雷達(dá)是微型、低成本和硅基的，適用于包括自動(dòng)駕駛在內(nèi)的各種新應(yīng)用，但由于需要大量的組件，成本仍然高于雷達(dá)等其他技術(shù)。此外，圖像傳感器可以連接到移動(dòng)應(yīng)用程序，并具有準(zhǔn)確測(cè)試診斷的可視化潛力。到2022年，3D成像醫(yī)療保健應(yīng)用主導(dǎo)全球市場(chǎng)份額。圖像傳感器的發(fā)展速度很快，關(guān)鍵技術(shù)幾乎每隔一年就會(huì)更新一次，這將有助于設(shè)備的小型化，具有更高的測(cè)繪分辨率和更合理的價(jià)格。長(zhǎng)程/中程雷達(dá)傳感器可以通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境（360°傳感）來(lái)幫助防止碰撞，而且受天氣和污染的影響更小。市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力是ADAS技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)安全和舒適駕駛系統(tǒng)的日益提高的意識(shí)。除了技術(shù)和封裝，與電子控制單元和數(shù)據(jù)管理的集成也至關(guān)重要，這是市場(chǎng)所要求的。

4 環(huán)境傳感器

二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等污染物主要來(lái)自汽車(chē)、工業(yè)和發(fā)電廠柴油發(fā)電機(jī)。另一方面，對(duì)室內(nèi)/室外空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)如可吸入顆粒物（PM2.5）、二氧化氮、臭氧、細(xì)顆粒物（PM2.5）、一氧化碳、二氧化硫等至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響我們的健康。不同的材料體系被廣泛地研究，包括金屬氧化物半導(dǎo)體、納米金屬氧化物、聚合物傳感、碳材料、用于檢測(cè)微粒子的納米電容器陣列等。天然氣傳感器市場(chǎng)由美國(guó)主導(dǎo)，其次是歐洲，預(yù)計(jì)到2027年將增長(zhǎng)超過(guò)30億美元。低排放汽車(chē)（混合動(dòng)力或全電動(dòng)）將減少污染和對(duì)石油的依賴(lài)。除氣敏技術(shù)外，利用電化學(xué)傳感器進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)也發(fā)展迅速。新型材料的研究、高集成傳感器和軟件的開(kāi)發(fā)將環(huán)境傳感技術(shù)發(fā)展成為一種易于操作和便攜的系統(tǒng)。

5 農(nóng)業(yè)食品傳感器

通過(guò)限制溫室氣體的排放量和提高二氧化碳從大氣中去除的速度來(lái)降低未來(lái)氣候變化的程度，是一項(xiàng)重大的全球挑戰(zhàn)。至2050年，全球人口預(yù)計(jì)將達(dá)到100億人，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何用越來(lái)越有限的資源可持續(xù)地生產(chǎn)糧食。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，發(fā)達(dá)國(guó)家有望在實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放的大幅減少方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。林業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他土地利用部門(mén)的二氧化碳排放量占全球總量的24%，因此，為了減少對(duì)氣候變化的影響，顯然需要有一個(gè)強(qiáng)有力的、可實(shí)現(xiàn)的緩解戰(zhàn)略，降低這些部門(mén)的排放。這需要對(duì)新的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行投資，以智能監(jiān)測(cè)傳感器為助力，確保生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性，同時(shí)確保上述行業(yè)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益最大化。

水路生物多樣性和水質(zhì)同時(shí)也增加了產(chǎn)量。這就要求社會(huì)及有關(guān)部門(mén)對(duì)生物的智能傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于科學(xué)的研究項(xiàng)目進(jìn)行投資，以開(kāi)發(fā)解決目前生產(chǎn)系統(tǒng)中被國(guó)外限制的尖端技術(shù)。當(dāng)前，我國(guó)社會(huì)面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是很難將科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為商業(yè)回報(bào)，需要改進(jìn)向供應(yīng)鏈上所有參與者的知識(shí)轉(zhuǎn)移，具有具備吸收新研究和創(chuàng)新能力的私營(yíng)企業(yè)參與，并使新的研究成果得以轉(zhuǎn)化進(jìn)而形成商業(yè)產(chǎn)品并將其推出。

6 總結(jié)與展望

智能傳感器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)仍然是開(kāi)發(fā)適合最終應(yīng)用目的的智能傳感器系統(tǒng)。為此，傳感器的開(kāi)發(fā)、集成和封裝需要由用戶指定的問(wèn)題來(lái)驅(qū)動(dòng)。表1為傳感器未來(lái)10年在技術(shù)發(fā)展中面臨的主要挑戰(zhàn)，其對(duì)靈敏度、選擇性、可重復(fù)性、魯棒性、精度和準(zhǔn)確性方面等不同傳感方法的改進(jìn)提出了關(guān)鍵要求。邊緣分析和邊緣人工智能將是關(guān)鍵，不僅可以降低功耗，而且是實(shí)現(xiàn)這些要求的必要條件。將新興的研究設(shè)備和系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室成功地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的產(chǎn)品，即提高技術(shù)成熟度水平，將需要對(duì)新的和適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行投資，并開(kāi)發(fā)早期采用者/社會(huì)科學(xué)家生態(tài)系統(tǒng)。關(guān)于本文所述的挑戰(zhàn)，可以預(yù)見(jiàn)納米技術(shù)的使用將提高所有概念的總體性能。采用創(chuàng)新的電源管理電路、能源存儲(chǔ)和發(fā)電，將提高部署的效率。雖然它承認(rèn)“一刀切”的方法是不可能的傳感器融合，明智的材料選擇，加上最合適的傳感模式和轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，再加上邊緣分析，將為未來(lái)的傳感挑戰(zhàn)提供一條成功解決的途徑。最后，必須開(kāi)展對(duì)顛覆性傳感方法和技術(shù)的研究，如量子傳感器，為迄今為止未解決的挑戰(zhàn)提供解決方案。預(yù)計(jì)非COMS納米技術(shù)和新興材料科學(xué)的研究將推動(dòng)功能性、特異性/靈敏度和魯棒性的提高。材料、加工和顛覆性技術(shù)的發(fā)展，將使越來(lái)越多的可能的應(yīng)用和產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.004