“智能傳感器”是一個非常分散甚至被濫用的術(shù)語?,F(xiàn)在技術(shù)領(lǐng)域的幾乎所有事物都可以加上“智能”這個前綴。此外,由于智能傳感器越來越多地基于微電子設(shè)備的集成,因此在大多數(shù)專業(yè)文獻中普遍接受的定義是:
一般來說,智能傳感器一詞是在20世紀80年代中期提出的,而“智能”一詞則是由于集成了微控制器單元(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)以及其他設(shè)備所需的智能,以及應(yīng)用專用集成電路(ASIC)技術(shù),通過積極研究控制系統(tǒng)輸入和輸出側(cè)的智能硅器件而開發(fā)。后來,這個術(shù)語的含義被擴展到了微機電系統(tǒng)(MEMS),用來描述用半導(dǎo)體制造工藝制造傳感器和執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。
且從80年代末期到90年代中后期,隨著單片機技術(shù)的發(fā)展,將單片微處理器嵌入傳感器中實現(xiàn)溫度補償 、修正 、校準,同時A/D變換器直接將原來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 ,也讓傳感器更智能。
之后隨著PC與信息化技術(shù)的興起,智能傳感器產(chǎn)品開始出現(xiàn)及進入商業(yè)化——智能化測量技術(shù)有了進一步的提高,在傳感器一級水平實現(xiàn)智能化,使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯(lián)網(wǎng)通信功能等。
進入21世紀后,人類全面步入信息時代,從一定意義上講,也就是進入了傳感器時代。
由于MEMS技術(shù)、低能耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低能耗的無線射頻(RF)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展,使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種微傳感器一般裝備有:一個用于感知外界環(huán)境物理量的敏感組件(如壓力、溫度、濕度、光、聲、磁等),一個用于處理敏感組件采集信息的計算模塊,一個用于通信的無線電收發(fā)模塊,一個為微傳感器的各種操作提供能量的電源模塊。我們稱之為 “智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器”。
同時,物聯(lián)網(wǎng)大時代催熱智能傳感器。
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。簡而言之,物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)三大層次結(jié)構(gòu)之一的感知層的重要組成部分,將現(xiàn)實世界中的物理量、化學量、生物量等轉(zhuǎn)化成可供處理的數(shù)字信號,是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和前提,同時MEMS(微機電)技術(shù)作為支撐技術(shù),在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。
隨著人類步入智能時代,物聯(lián)網(wǎng)將駛?cè)肟燔嚨?,作為物?lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心以及數(shù)據(jù)的入口,智能傳感器產(chǎn)業(yè)將隨之被引爆。
據(jù)MRFR分析,到2023年,全球智能傳感器市場預(yù)計將從2017年的180億美元增長到472.0億美元,在預(yù)測期間的復(fù)合年增長率(CAGR)為18.20%。
目前推動智能傳感器市場增長的主要因素是傳感器在消費電子,汽車,物流,國防和醫(yī)療保健等各種垂直行業(yè)中的越來越多的使用。
比如,在智能手機、機器人、無人機、AR/VR設(shè)備和智能可穿戴設(shè)備等消費電子里應(yīng)用了大量的智能傳感器。
智能手機中比較常見的智能傳感器有距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、指紋識別傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤等;智能傳感器作為機器人的“五官”,在采集外界信息數(shù)據(jù)上發(fā)揮著重要作用;AR/VR需要用到大量用于追蹤動作的傳感器,比如FOV深度傳感器、攝像頭、陀螺儀、加速計、磁力計和近距離傳感器等;無人機的智能飛控系統(tǒng)需要用到各種智能傳感器,包括IMU、MEMS加速度計、電流傳感器、傾角傳感器和發(fā)動機進氣流量傳感器等;可穿戴設(shè)備最基本的功能就是通過傳感器實現(xiàn)運動傳感,包括MEMS加速度、心率傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風和脈搏傳感器等。
再比如在汽車領(lǐng)域,智能汽車與自動駕駛的火爆讓智能傳感器快速打開市場。
在智能汽車時代,主動安全技術(shù)成為備受關(guān)注的新興領(lǐng)域,需要改進現(xiàn)有的主動安全系統(tǒng),比如側(cè)翻(rollover)與穩(wěn)定性控制(ESC),這就需要MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來感測車身姿態(tài)。MEMS傳感器在汽車領(lǐng)域還有很多應(yīng)用,包括安全氣囊(應(yīng)用于正面防撞氣囊的高g值加速度計和用于側(cè)面氣囊的壓力傳感器)、汽車發(fā)動機(應(yīng)用于檢測進氣量的進氣歧管絕對壓力傳感器和流量傳感器)等。
而自動駕駛技術(shù)的興起,也進一步推動了MEMS傳感器進入汽車。雖然GPS接收器可以計算自身位置和速度,但在GPS信號較差的地方(地下車庫、隧道)和信號受到干擾的時候,汽車的導(dǎo)航會受到影響,這對自動駕駛來說是致命的缺陷。利用MEMS陀螺儀和加速度計獲取速度和位置(角速度和角位置),車輛任何細微的動作和傾斜姿態(tài),都被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,通過總線,傳遞給行車電腦。即便在最快的車速狀態(tài)下,MEMS的精度和反應(yīng)速度也能夠適應(yīng)。得益于硅體微加工、晶片鍵合等技術(shù)的發(fā)展,精度已經(jīng)上升到0.01.
現(xiàn)代高級轎車的電子化控制系統(tǒng)水平的關(guān)鍵就在于采用壓力傳感器的數(shù)量和水平,目前一輛普通家用轎車上大約安裝幾十到近百只傳感器,而豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達二百余只,種類通常達30余種,多則達百種。
2003年,在美國商業(yè)周刊“未來技術(shù)發(fā)展報告”中,傳感器列為21世紀最具影響和改變世界10個新技術(shù)之一。福布斯也將傳感器列為在今后幾十年內(nèi)影響和改變著世界經(jīng)濟格局和人們生活方式的科技產(chǎn)品之首。
未來相信在新興的科學技術(shù)推動下,包括MEMS技術(shù)、納米技術(shù)、AI技術(shù)等,智能傳感將保持持續(xù)的增長。
隨著自動化生產(chǎn)程度的提高,對智能傳感器的要求也在不斷提高。智能傳感器的發(fā)展將走向高精度、高可靠性、寬溫度范圍、微型化、微功耗及無源化、智能化數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化,以更好地應(yīng)用于消費電子、汽車、物流、工業(yè)、醫(yī)療等場景中,給人類打造一個美好且神奇的智能傳感電子世界。