柳柏杉

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

智能傳感器系統(tǒng)開發(fā)靠“一刀切”的方法是不可能的，因為有無數(shù)不同的部署場景，從受控無菌環(huán)境（如醫(yī)療科技）到惡劣和激進的環(huán)境（如汽車、農(nóng)業(yè)科技），并不是所有的傳感器類型或方法都適用于每種部署類型。因此，必須開發(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題。雖然汽車和醫(yī)療技術(shù)行業(yè)（最廣泛的意義上）存在著非常大的市場，但可持續(xù)農(nóng)業(yè)食品和環(huán)境應用領(lǐng)域的小型新興市場可能對中小企業(yè)更感興趣。本文將針對智能傳感器技術(shù)在各個領(lǐng)域未來幾年需要解決的中長期挑戰(zhàn)（表1）進行闡述分析。

1 傳感器在醫(yī)療和醫(yī)療保健領(lǐng)域的應用

在醫(yī)療領(lǐng)域，傳感器的主要應用是遠程患者監(jiān)測（不僅是疾病監(jiān)測，還包括藥物開發(fā)和臨床操作）、家庭保健和健身/健康監(jiān)測。根據(jù)應用程序的不同，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)療傳感設備主要有可穿戴生理信號監(jiān)測設備、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用和類別。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 生理信號監(jiān)測

可穿戴式醫(yī)療設備廣泛應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，水分、溫度、數(shù)量和質(zhì)量的睡眠，熱量攝入量等?？纱┐麽t(yī)療設備集成了基于移動應用、數(shù)據(jù)傳輸、報警等軟件，使場景更加人性化。生理信號監(jiān)測可以幫助提高健康的生活方式，預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與污染有關(guān)的健康危害，填補了家庭監(jiān)測和診斷的空白。這些技術(shù)解決方案涉及溫度、壓力、離子和/或生物標記物傳感器。生理信號監(jiān)測面臨的一些具體挑戰(zhàn)是信號質(zhì)量好、免費或人工檢測、高自主性、低功耗設計、個性化算法和實時反饋；無創(chuàng)，允許多參數(shù)監(jiān)測。醫(yī)療器械的開發(fā)是非常困難的，因為長期的開發(fā)，高成本的臨床驗證和艱難的歐洲共同市場安全（CE）標簽/FDA批準程序。因此，這一期限為10～15年，對于標準中小企業(yè)和衍生企業(yè)來說是難以承受的。此外，患者的安全和隱私應受到尊重，防止黑客攻擊也至關(guān)重要。

1.2 可植入傳感器

仿生學、生物醫(yī)學植入物，是人工添加到身體，模仿功能（視覺、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，相應的醫(yī)療，以及嚴格的審批程序是挑戰(zhàn)和限制市場增長的主要制約因素。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)、遠程/無線電力傳輸、無線數(shù)據(jù)通信和設備控制）。

電生理學的全電子化設備可對生物進行電生理學檢測，例如：一個緊密排列的微電極陣列（MEA）能夠從一個大的細胞網(wǎng)絡中進行高精度的細胞內(nèi)記錄，一直是生物工程、神經(jīng)和心臟技術(shù)的主要追求。穿過細胞膜的離子電流對于可興奮和非興奮細胞都是至關(guān)重要的，它們的精確測量需要細胞膜和測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是通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）—MEA實現(xiàn)全電生理成像，允許大規(guī)模并行記錄細胞網(wǎng)絡。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)合還沒有被嘗試過，因為將CMOS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)有設備表面生長硅納米線，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)測設備有巨大應用，如心臟顫動、神經(jīng)元活動和視網(wǎng)膜視覺的活體監(jiān)測。

1.3 分子診斷傳感器

分子診斷學是通過檢測脫氧核糖核酸（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險，這可能會降低成本，并簡化診斷程序。然而，目前的分子診斷技術(shù)僅能檢測到反應蛋白、降鈣素原等最簡單的生物學參數(shù)，對于復雜、威脅生命的傳染病仍需借助重點實驗室完成相應的檢測分析。電化學傳感器在分子診斷中也起著重要的作用。為了檢測不同的目標，傳感器被涂上不同的功能基團，如抗體或DNA，可以很容易地與便攜式設備集成，并適用于更廣泛的應用場景，如現(xiàn)場診斷。CMOS技術(shù)的不斷進步使得傳感器陣列的制造成為可能，例如用于DNA測序的離子敏感場效應晶體管的大矩陣。

智能傳感器是近10年來快速發(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)不僅僅是智能設備的網(wǎng)絡，它還包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)和服務。此外，傳感器、包裝和生態(tài)系統(tǒng)設計的能量支持對開發(fā)人員和制造商來說都是一個挑戰(zhàn)。一些傳感器，如運動傳感器、壓力傳感器已經(jīng)成熟，可能在3年內(nèi)投入市場，而其他一些傳感器，如量子空氣監(jiān)測傳感器和快速復雜疾病診斷，正在功能研究，可能需要幾十年的時間。此外，在過去的10年中，有證據(jù)表明，血液中MicroRNAs（一類進化上保守的非編碼小分子RNA，具有在翻譯水平調(diào)控基因表達的功能）的表達水平是可重復的，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)合實現(xiàn)相應的功能化，如肽核酸，它可以識別特定的miRNA序列，兩者可固定在表面熒光團分子上。為實現(xiàn)這一目標，已經(jīng)將硅基光學傳感器作為醫(yī)療應用的關(guān)鍵部件，特別是應用于臨床診斷。

2 運動和壓力傳感器

汽車市場引領(lǐng)著微機電機械系統(tǒng)（MEMS）器件的發(fā)展。運動傳感器廣泛應用于汽車、消費電子、航空航天、國防、醫(yī)療保健和工業(yè)應用等。預計到2023年，運動傳感器市場將達到26億美元。同樣，加速度計和陀螺儀已經(jīng)成為所有消費電子設備的組成部分，到2026年，這一市場預計將達到50億美元。然而，運動傳感器市場的增長受到低精度的限制，MEMS的平均價格被限制在小于1美元，導致利潤非常低。目前，醫(yī)療、汽車和工業(yè)傳感器的發(fā)展至關(guān)重要，并顯示出潛在的利潤空間。

壓力傳感器市場主要由汽車和醫(yī)療應用主導，并將在短期內(nèi)（3～5年）快速增長。壓力傳感器監(jiān)測、控制氣體和液體的壓力，以及其他壓力，如真空、壓力表和絕對壓力。壓力傳感器作為汽車排放控制傳感器的關(guān)鍵部件，有助于降低汽車的排放、油耗和空氣污染。此外，它們在乘客安全系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。智能手機和可穿戴設備消費行業(yè)的利潤率正在萎縮，有必要限制生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，以限制市場衰退。一些策略可以是共享成本、改進流程或具有附加價值的新設備。

3 先進駕駛輔助系統(tǒng)

先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）集成了圖像設備、雷達傳感器、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的開發(fā)將符合政府規(guī)定，并增強用戶體驗。安裝的圖像設備，包括攝像機、紅外探測器、光探測和測距（LiDAR），可以為司機提供180°的道路和夜視，并可以集成到中央監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)自動響應。圖像傳感器分為電荷耦合器件和CMOS，它們也可以用于醫(yī)學成像的三維掃描、三維渲染、圖像重建或三維建模手勢識別。無論從短期還是長期來看，電荷耦合器件（CCD）都將被CMOS完全取代。紅外探測器用于國防系統(tǒng)，醫(yī)療和汽車應用，如夜視和行人和/或動物檢測。

目前的紅外探測器是基于物體的溫度變化，價格合理，但由于環(huán)境多塵和高濕度，存在精度不高的問題。激光雷達技術(shù)通過掃描激光，計算其與反射物的距離，形成環(huán)境圖像。然而，盡管激光雷達是微型、低成本和硅基的，適用于包括自動駕駛在內(nèi)的各種新應用，但由于需要大量的組件，成本仍然高于雷達等其他技術(shù)。此外，圖像傳感器可以連接到移動應用程序，并具有準確測試診斷的可視化潛力。到2022年，3D成像醫(yī)療保健應用主導全球市場份額。圖像傳感器的發(fā)展速度很快，關(guān)鍵技術(shù)幾乎每隔一年就會更新一次，這將有助于設備的小型化，具有更高的測繪分辨率和更合理的價格。長程/中程雷達傳感器可以通過監(jiān)測車輛周圍的環(huán)境（360°傳感）來幫助防止碰撞，而且受天氣和污染的影響更小。市場的驅(qū)動力是ADAS技術(shù)的發(fā)展，以及對安全和舒適駕駛系統(tǒng)的日益提高的意識。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自汽車、工業(yè)和發(fā)電廠柴油發(fā)電機。另一方面，對室內(nèi)/室外空氣質(zhì)量監(jiān)測如可吸入顆粒物（PM2.5）、二氧化氮、臭氧、細顆粒物（PM2.5）、一氧化碳、二氧化硫等至關(guān)重要，因為它會影響我們的健康。不同的材料體系被廣泛地研究，包括金屬氧化物半導體、納米金屬氧化物、聚合物傳感、碳材料、用于檢測微粒子的納米電容器陣列等。天然氣傳感器市場由美國主導，其次是歐洲，預計到2027年將增長超過30億美元。低排放汽車（混合動力或全電動）將減少污染和對石油的依賴。除氣敏技術(shù)外，利用電化學傳感器進行水質(zhì)監(jiān)測也發(fā)展迅速。新型材料的研究、高集成傳感器和軟件的開發(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降低未來氣候變化的程度，是一項重大的全球挑戰(zhàn)。至2050年，全球人口預計將達到100億人，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何用越來越有限的資源可持續(xù)地生產(chǎn)糧食。根據(jù)《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，發(fā)達國家有望在實現(xiàn)溫室氣體排放的大幅減少方面發(fā)揮主導作用。林業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他土地利用部門的二氧化碳排放量占全球總量的24%，因此，為了減少對氣候變化的影響，顯然需要有一個強有力的、可實現(xiàn)的緩解戰(zhàn)略，降低這些部門的排放。這需要對新的數(shù)字技術(shù)進行投資，以智能監(jiān)測傳感器為助力，確保生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性，同時確保上述行業(yè)的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益最大化。

水路生物多樣性和水質(zhì)同時也增加了產(chǎn)量。這就要求社會及有關(guān)部門對生物的智能傳感監(jiān)測系統(tǒng)和基于科學的研究項目進行投資，以開發(fā)解決目前生產(chǎn)系統(tǒng)中被國外限制的尖端技術(shù)。當前，我國社會面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是很難將科學研究轉(zhuǎn)化為商業(yè)回報，需要改進向供應鏈上所有參與者的知識轉(zhuǎn)移，具有具備吸收新研究和創(chuàng)新能力的私營企業(yè)參與，并使新的研究成果得以轉(zhuǎn)化進而形成商業(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)仍然是開發(fā)適合最終應用目的的智能傳感器系統(tǒng)。為此，傳感器的開發(fā)、集成和封裝需要由用戶指定的問題來驅(qū)動。表1為傳感器未來10年在技術(shù)發(fā)展中面臨的主要挑戰(zhàn)，其對靈敏度、選擇性、可重復性、魯棒性、精度和準確性方面等不同傳感方法的改進提出了關(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，而且是實現(xiàn)這些要求的必要條件。將新興的研究設備和系統(tǒng)從實驗室成功地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實世界的產(chǎn)品，即提高技術(shù)成熟度水平，將需要對新的和適當?shù)幕A設施試驗臺進行投資，并開發(fā)早期采用者/社會科學家生態(tài)系統(tǒng)。關(guān)于本文所述的挑戰(zhàn)，可以預見納米技術(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、能源存儲和發(fā)電，將提高部署的效率。雖然它承認“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)導機制，再加上邊緣分析，將為未來的傳感挑戰(zhàn)提供一條成功解決的途徑。最后，必須開展對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。預計非COMS納米技術(shù)和新興材料科學的研究將推動功能性、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，將使越來越多的可能的應用和產(chǎn)品進入市場。

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