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　　报告指出，中国虽然是全球智能传感器重要的市场，但在产能方面，欧美地区在智能传感器领域的产能占据全球主要地位。其中，北美占比最高，达43.3%，欧洲占比29.1%，日本占比19.7%，亚太地区（除日本）占比6.9%，其他国家/地区占比1%。

　　中国在全球智能传感器产业的产能份额仅6.9%不到——这里面包含了韩国、新加坡等多个亚太地区国家份额，与中国自身的传感器需求规模远远不能匹配——这也意味着众多传感器产品需要进口。

　　赛迪顾问在报告中呼吁，世界主要工业强国均已在智能传感器领域占领高地，国际知名企业凭借强大的技术实力和稳定的产品品质，占据了国内智能传感器的主要市场份额，几乎垄断了“高、精、尖”智能传感器市场，中国智能传感器发展已刻不容缓。

　　那么，什么是智能传感器？智能传感器有什么重要作用？对未来我国高科技产业发展有什么影响？本文来自中国工程院院士尤政数年前发表的一篇论文，关于智能传感器技术研究和发展探索，尤政院士是我国传感器领域的重磅专家。文中预测未来智能传感器的数个主要应用领域，其中就有如今蓬勃发展的人形机器人、智能驾驶等领域。

　　尤政院士认为：中国应该抓住智能时代带给传感器产业发展的历史机遇，全面提升智能传感器的基础研究和产业化水平，为智能时代的到来提供有力的技术支持。

　　智能传感器（smart sensor）指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器。

　　相对于仅提供表征待测物理量的模拟电压信号的传统传感器，智能传感器充分利用集成技术和微处理器技术，集感知、信息处理、通信于一体，能提供以数字量方式传播的具有一定知识级别的信息。

　　自美国宇航局（NASA）在 20 世纪80年代提出智能传感器的概念以来，经过几十年的发展，智能传感器已成为传感器技术的一个主要发展方向，代表着一个国家的工业及技术科研能力。

　　在当前智能时代的推动下，传感器的重要性更加凸显，不仅在《中国制造2025》、《德国 2020 高技术战略》及欧盟、美国、韩国、新加坡等推进的智慧城市等战略方面发挥着重要的支撑作用，而且也在物联网、虚拟现实（VR）、机器人、智能家居、自动驾驶汽车等产业发展中发挥着关键作用。

　　高性能、高可靠性的多功能复杂自动、测控系统以及基于射频识别技术的物联网的兴起与发展，愈发凸显了具有感知、认知能力的智能传感器的重要性及其大力、快速发展的迫切性。

　　随着与 CMOS 兼容的MEMS技术的发展，微型智能传感器的发展得到了有力的技术支撑，智能传感器产业面临着一个非常重要的历史发展契机。

　　本文综述不同种类智能传感器技术及应用的发展现状，并对今后的发展趋势做出展望。

　　为满足各种智能化的应用需求，传感器类别非常多样化，例如：环境传感器、惯性传感器、模拟类传感器、磁性传感器、生物传感器、红外传感器、振动传感器、压力传感器、超声波传感器等。

　　环境传感器，主要有气体传感器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器等。气体传感器可以应用于空气净化器、酒驾监测器、家装中甲醛等有毒气体的检测器以及工业废气的检测装置等。随着人们对环境问题的重视，环境传感器的重要性越来越凸显，未来有很大的发展空间。

　　惯性传感器，主要应用在可穿戴产品上，比如智能手环、智能手表、VR头盔等。通过惯性传感器来检测运动的跟踪、识别，告知佩戴者当天的运动量、消耗的卡路里及运动的效果。

　　磁性传感器，主要用在家用电器上，比如咖啡机、热水器、空调等，用来检测角度转了多少或者行程多少，通常显示在仪表盘上。此外，门磁和窗磁等方面采用的也是磁性传感器，机器人的智能化和精准度也需要磁性传感器做支撑。

　　模拟类传感器，主要应用在智慧医疗设备上，可以作为心跳、心电图等信号的输入，并将健康数据进行可视化的输出，让用户了解自身第一手健康、运动数据。

　　下面以常用的温度、压力、惯性、生化和RFID传感器为例，介绍智能传感技术的研究进展。

　　温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：传统分立式温度传感器、模拟集成温度传感器和智能温度传感器。

　　进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等方向迅速发展。

　　目前的智能温度传感器包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器和接口电路，有的产品还带有多路选择器、中央控制器、随机存取储存器和只读存储器。

　　智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器，并且是在硬件的基础上通过软件实现测试功能，其智能化程度取决于软件开发水平。

　　最早的智能温度传感器始于20世纪90年代中期，采用8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨率只能达到1℃。

　　目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，使用9~12位A/D 转换器，分辨率可以达到0.5~0.625℃。由美国 Dallas 半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，分辨率高达 0.03℃，测温精度为±0.2℃。

　　为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27 ms、9 ms。

　　在高精密温度测量方面，有学者设计了高性能数字温度传感器，该传感器由石英音叉谐振器，数字接口电路和基于现场可编程门阵列的传感器重置控制算法构成，传感器的灵敏度可以达到10 -6 ℃的数量，即测温分辨率为0.001℃，响应时间1 s，测量精度为0.01℃。

　　新型智能温度传感器的测试功能不断增强。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式。

　　对于某些智能温度传感器，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器设定其A/D转换速率、分辨率及最大转换时间。

　　另外，智能温度传感器正从单通道向多通道方向发展，这就为研发多路温度测控系统创造了良好条件。

　　目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（-Wire）总线 C总线、SMBus总线）可靠性及安全性设计

　　为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在一些智能温度传感器的内部，设置了一个可编程的故障排队计数器，专用于设定允许被测温度值超过上下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到所设定的次数才能触发中断端口，避免了偶然噪声干扰对温控系统的影响。

　　智能压力传感器是微处理器与压力传感器的结合，因此它们的实现途径可以分为：非集成化智能压力传感器、集成化智能压力传感器和混合型智能压力传感器。

　　非集成化的智能压力传感器是把传统的压力传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合成一体的智能压力传感器系统。

　　这种非集成化的压力传感器实际上是传统压力传感器系统上增加了微处理器的连接。因此，这是一种实现智能压力传感器系统最快的途径和方式。

　　集成化智能压力传感器是将压力敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，

　　随着微电子技术的飞速发展以及微纳米技术的应用，由此制成的智能压力传感器具有微型化、结构一体化、精度高、多功能、阵列式、全数字化、使用方便、操作简单等特点。

　　惯性传感器，是MEMS传感器中得到最广泛应用的一类传感器，包括加速度计、陀螺仪和方位传感器。

　　现在的惯性测量模块（IMU）可以在 10 mm×10mm×4 mm的尺寸内，集成三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁强计，而成本在1美元以内。这种惯性测量模块可应用于智能手机、可穿戴设备上，实现包括步态监测、步数统计、跌倒检测、睡眠监测、室内导航等运动、健康方面的功能，同时也可以实现手势识别、方向感知等娱乐方面的功能 。

　　应用于可穿戴设备上的智能惯性传感器，需要具有更小的尺寸，更低的功耗，作为体域网的一个节点实现数据的无线传输，最终实现柔性化。

　　考虑到MEMS传感器体积小、成本低，可以利用多传感器集成与数据融合技术来提高精度，即通过多个传感器的信息融合实现优于单个传感器的性能。

　　提高现有MEMS传感器性能的另一个方法是发现新的敏感机理。西北工业大学的微纳实验室在2015年展示了世界第一个基于模态局部化的谐振式加速度计。改变了传统谐振式加速度计通过检测谐振频率变化敏感加速度的方式，而是通过检测2个弱耦合谐振器振幅比的变化敏感加速度，将灵敏度提升300倍，为高精度惯性传感器的研制开辟了一条新的道路。

　　射频识别技术（RFID），是利用无线电信号进行自动识别特定目标并读写相关数据的通信技术，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

　　无源标签又称为被动式标签，从RFID读取器的询问无线电波中获得能量。而有源标签，又称为主动式标签和半无源标签，均具有内部电源，可在距离RFID读取器数百米的范围被识别。

　　RFID的核心技术包括RFID天线技术、数据的完整性与安全性、RFID中间件技术以及RFID的标准体系。

　　随着当前新材料、新原理以及新集成技术的不断发展，特别是MEMS技术、生物芯片（bio-chip）技术的出现，目前生化传感器的研究已经逐渐发展为以微型化、集成化、智能化为特征的生化系统研究。

　　在过去，传感器研究仅仅专注于提升自身性能，如灵敏度、动态范围、响应时间、可靠性等，而随着MEMS技术与标准CMOS技术的不断融合，传感器与读出电路的集成已成为可能，并且随着混合集成技术的不断进步，更多的功能电路，包括将通信模块、能量收集、电源管理模块集成于智能生化传感器当中，为传感器的微型化、多功能化以及智能化奠定了技术基础。

　　随着新材料、新结构、新原理的不断发展，基于悬臂梁的 DNA 传感器、基于多晶硅纳米线的蛋白质/DNA传感器 、基于水凝胶的血糖传感器、基于离子敏场效应管的pH值传感器及基于带隙基准的温度传感器已经可以与其相应的读出电路、无线通信等模块，集成于同一芯片上，具备自校准功能，并可在一定范围内实现自调整、自适应功能。

　　近年来许多研究专注于攻克混合集成中的难点，也取得了许多成果，如图1所示为一种无线可重构多传感器片上系统原理，为实现实时监测多个生理参数，4种生化检查中常用的传感器（包括基于多晶硅纳米线的蛋白质传感器、基于水凝胶的血糖传感器、基于离子敏场效应管的pH值传感器以及基于带隙基准的温度传感器）被集成于同一芯片上。

　　为实现智能多传感器的微型化，模拟电路部分采用可重构的多传感器接口、可编程增益放大器以及10位SAR ADC的结构，显著缩小了芯片面积。

　　随着可穿戴传感器的发展，传感器直接接触人体肌肤的部分，已逐渐使用轻质柔性材料作为衬底，以消除器件穿戴的异物感。

　　可穿戴式传感器具有诊断及监测功能，可监测包括生理、生化信号以及动作感应 。

　　生理、生化信号监测有助于对神经疾病（如癫痫）、心血管疾病（如高血压）、肺部疾病（如哮喘）等进行诊断，并对治疗过程进行不间断的监测。对重要生命体征（如心率及呼吸速度等）的不间断监测，可以为慢性疾病的早期诊断及临床干预提供重要数据支持。

　　一种新的血氧饱和度及生物电信号检测传感器系统如图3所示，有机光电二极管（OLED）、有机光检测器（OPD）、生物电信号电极、以及包含肢 体 通 信（body channel communica⁃tion，BCC）电路的片上系统，被混合集成于柔性PET衬底上，整体面积为2.5cm×5.5 cm，包含电池质量为2 g，系统功耗为 141 μW。

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　　该智能传感器光学检测部分，具有自校准回路，系统具有自动数据采集和数据处理能力，传感器节点所采集到的血氧饱和度数据以及心电信号数据，通过肢体通信（BCC）收发器传输至中枢传感器，另外，时钟信号由中枢传感器发送至各传感器节点，从而去除了各节点外接的片外晶振，该系统构架在实现传感器间双向通信的同时，提高了系统的集成度。

　　2016年，欧洲微电子研究中心（IMEC）与三星电子共同展示了一种多参数生理信号记录平台，其内置了并发心电（ECG）、生物阻抗（BIO-Z）、皮肤流电反应（GSR）以及光电容积描记（PPG）脉搏波传感器，实现了多参数同步采集，该系统可以为可穿戴电子产品提供更精确、更可靠以及更广泛的健康评估。

　　又可以对创新应用进行推动，比如机器人、VR/AR（虚拟现实/增强现实）、无人机、智慧家庭、智慧医疗和养老等领域。3.1 对传统产业升级的助力

　　在工业领域，传统企业面临人力成本提高、市场需求下降等问题，传统企业开始从劳动密集型转向自动化、智能化。在整个转型中，传感器发挥着至关重要的作用，助力“中国制造”转向“中国智造”。

　　近几年，家电企业业绩下滑严重。据工业与信息化管理部相关数据显示，2015年家用电子电器产品的出口总金额同比下滑0.6%；家电进口总金额同比下滑5%。

　　众所周知，全球手机业已经进入饱和状态。中国智能手机市场 GFK 预测，2016 年手机市场增长仅约 3.1%。手机业能否迎来转机，很大程度上取决于传感器的发展。

　　在传感器的创新应用中，最为典型的是机器人、虚拟现实/增强现实（VR/AR）、无人机等新型应用领域。

　　当下，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）可谓是最为热门和最受关注的应用领域之一。这两项技术之所以如此吸引眼球，在于VR虚拟现实能够给人身临其境的感受，AR增强现实可以让人对现实的体验更加形象、强烈和直观。而这些感受，离不开传感器的支撑。

　　机器人 ，是一种可编程和多功能的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统 ，一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

　　传感器集成化有几个优势：一是实现产品功能更加强大，满足多样化需求；二是成本优势，1个集成传感器比2个单独的传感器更加具有成本优势。三是降低尺寸，可以满足更多可穿戴式智能产品的发展需求。

　　传统传感器存在诸多制约因素，最为突出的是供电方式。传统传感器主要通过电池或电力线供电，这种供电方式除了存在布设成本外，还会有定期维护和更换成本。

　　随着细分应用需求的增多，传感器之上的软件算法和方案重要性越来越凸显。在算法上，比如生物传感器在医疗健康产业上的应用。在心电算法上，除了心率、心脏负荷率、压力、睡眠指数等，还包括通过FDA认证的医疗应用。此外，依托传感器的解决方案开始不断推出。

　　传感器行业入门门槛高、壁垒高；投资大、风险大。在传感器领域，全球具有原创力、产品体量大的国家，主要集中在美国、德国、意大利和法国。

　　智能传感器的研究方向，一方面是探索新材料、新原理、新技术以提高传感器自身性能；另一方面，随着传感器工艺与标准 CMOS 工艺的融合，微型化、多功能化及智能化将是未来发展的必然趋势。