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(kuò)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(xì)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、光譜學(xué)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(jìn)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(jī)、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(zhǔn)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(jìn)行數(shù)字補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)，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(bǔ)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(jìn)行數(shù)學(xué)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(qiáng)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