到2027年，智能傳感器將達到1435.5億美元，智能傳感器擁有巨大的市場成長空間。
其中，物聯網是智能傳感器的強勁增長引擎之一，小型化、智能化的智能傳感器加速推動物聯網落地，同時物聯網也為傳感器帶來更多的發展需求。本文來自電子工程專輯，著眼整個物聯網電子行業的發展，探討物聯網智能傳感器應用的新一輪變革。MEMS傳感器將占據超過50%，還有那些傳感器在物聯網中獲得巨大收益？
物聯網真的來了，這個世界從未如此渴望這些傳感器！
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傳感器與智能傳感器
傳感器是一種可以將特定物理量（如光、聲音、壓力、溫度、振動、濕度、速度、加速度、特定化學成分或氣體的存在、運動、灰塵顆粒的存在等）轉換為電信號來檢測、測量或指示它們的裝置。當傳感器感知并發送信息時，執行器被激活并開始運作。執行器接收信號并設置其所需的動作，以便能在環境中采取行動。
智能傳感器是指能夠對外界環境信息進行感知、采集并自主判斷、分析和處理的智能化傳感器件。智能傳感器具有信息采集、處理、交換、存儲和傳輸功能的多元件集成電路，是集傳感器、通信模塊、微處理器、驅動與接口，以及軟件算法于一體的系統級器件，具有自學習、自診斷和自補償能力，以及感知融合和靈活的通信能力。與一般傳感器相比，智能傳感器具有如下優點：
- 自檢、自校準和自診斷：自診斷功能在接通電源時進行自檢，并通過診斷測試來確定組件是否出現故障。此外，還可以根據使用時間在線修正，微處理器利用存儲的測量特性數據進行比對驗證。
- 感應融合：智能傳感器可同時測量多個物理量和化學量，給出能更全面反映物質運動規律的信息。例如，融合液體傳感器可以同時測量介質的溫度、流量、壓力和密度。如何機械傳感器可以同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移等。
- 精度高：智能傳感器具有信息處理功能，不僅可以通過軟件校正各種確定性系統誤差，還可以適當補償隨機誤差、降低噪聲，從而大大提高傳感器精度。
- 可靠性高：集成的傳感器系統消除了傳統結構的一些不可靠因素，提高了整個系統的抗干擾性能。同時還具有診斷、校準和數據存儲功能，穩定性好。
- 性價比高：在同等精度要求下，多功能智能傳感器的性價比明顯高于功能單一的普通傳感器，尤其是在集成更便宜的微控制器之后。
- 功能多樣化：智能傳感器可實現多傳感器多參數綜合測量，通過編程擴大測量和使用范圍；具有一定的自適應能力，可根據檢測對象或條件的變化，相應地改變輸出數據的范圍形式；具有數字通訊接口功能，可直接發送到遠程計算機進行處理；具有多種數據輸出形式，適用于各種應用系統。
- 信號歸一化：傳感器的模擬信號通過放大器歸一化，然后通過模數轉換器轉換成數字信號。微處理器又以串行、并行、頻率、相位和脈沖等多種數字傳輸形式進行數字歸一化。
- 智能手機中各種傳感器的用量越來越多（比如CMOS圖像傳感器）
- 根據Allied Market Research報告，從2020到2027年，智能傳感器市場將以18.6%的復合年增長率（CAGR）增長，2027年將達到1436.5億美元。其中汽車行業是智能傳感器的應用市場，約占四分之一。在2020-2027年的預測期內，汽車智能傳感器市場增長率預計將達到21.7%。此外，可穿戴設備和健康醫療應用將為智能傳感器帶來短期的增長機遇。
- 從技術角度看，微機電系統（MEMS）占據了超過50%的。在預測期內，納米機電系統（NEMS）有望成為增長的產品類型，但是MEMS技術仍將保持主導地位。阻礙市場增長的因素之一是，設備中的集成智能傳感器會縮短這些設備的使用壽命。
物聯網應用的智能傳感器技術趨勢
物聯網的快速增長和普及帶動了智能傳感器的強勁需求，下面我們列出物聯網應用場景，來探討一下智能傳感器在每個應用領域的技術趨勢。
智能可穿戴設備
在很多可穿戴設備中，傳感器都是核心器件，也是設備的主要價值訴求。例如，智能手表和智能手環是圍繞提供人體健康追蹤和運動數據而構建的產品，并逐漸朝著與醫療保健相關的方向發展。虛擬現實、增強現實和混合現實（VR/AR/MR）設備依靠一整套傳感器（包括RGB攝像頭、慣導、3D攝像頭、力度/壓力傳感器等組合），使得用戶能夠與周圍環境及虛擬內容進行交互。其它可穿戴產品類別（例如電子皮膚貼片、TWS耳機、智能服裝等）也都相似，需要一套核心傳感器實現人與環境交互。
智能可穿戴設備包括五大模塊：處理器和存儲器、電源、無線通信、傳感器、執行器。其中，傳感器是五大模塊的創新要素，是人與物溝通的“芯"。得益于傳感器技術的進步，可穿戴設備現在可以實現更精準的數據監測。
可穿戴設備中集成了很多種傳感器，其中主要包括：
- 運動型傳感器：包括陀螺儀、加速度計、壓力傳感器和磁力計等。它們主要用在手環等設備中，主要功能是在智能設備中完成運動監測、導航和人機交互。通過運動型傳感器隨時記錄和分析人體活動情況，用戶就可以知道自己跑步的步數、騎車的距離、睡眠時間和能量的消耗等運動和身體數據。
- 生物型傳感器：包括血糖傳感器、血壓傳感器、心電傳感器、、腦電波傳感器、肌電傳感器等。主要用于醫療電子設備中，例如等。這里設備利用生物傳感器采集人體信號，經過信號處理來完成健康預警和病情的監控功能。
- 環境傳感器：包括溫濕度傳感器、紫外線傳感器、顆粒物傳感器、氣體傳感器、pH傳感器、氣壓傳感器等，可用于PM2.5便攜式檢測儀、口罩、便攜式個人綜合環境監測終端等設備中，通過測試環境數據完成環境監測、天氣預報和健康提醒。
智能家居
智能家居（Smart Home）是以住宅為載體，將安防監控、家電控制、燈光控制、背景音樂、語音聲控融為一體，通過綜合布線、網絡通信、安全防范、自動控制和音視頻等技術將家居生活有關的設備智能地聯系起來，以集中管理，從而提供更具便捷性、舒適性、安全性、節能性的家庭生活環境。這些智能家居設備都離不開一個重要的配件，就是傳感器。智能家居系統由傳感器、執行器、控制中樞、通信網絡等部分組成，通過各種類型的傳感器獲取室內環境的各種數據，目前在家庭中使用比較多的傳感器有以下幾種：- 溫度傳感器：在智能家居中可以保證室溫的恒定。溫度傳感器可以根據季節的變化或者用戶的需求來調整溫度。通過溫度傳感器可以采集溫度信息，將溫度的信息傳遞給計算機系統，繼而通過控制體系傳輸給空調，實現智能家居的溫度控制。
- 圖像傳感器：在智能家居系統中，通過PC端的監控，可以將信息發送給用戶的手機或者電腦，實現遠程監控。在智能監控中，利用圖像傳感器可以進行光電轉換。攝像頭主要由CCD或CMOS傳感器組成，實現對智能家居的全面控制。
- 光電傳感器：通過光電傳感器可以實現對智能家居的全面控制。利用光阻可以設計自動照明燈，通過紅外線感應系統，可以實現對居家的便利化照明，不需要人為進行控制。另外，在光電傳感器的運用中，通過紅外線傳感器可以實現對水龍頭、溫度計濕度等多種條件的控制，這樣可以節約相應的資源，且會提升用戶的享受。
- 空氣傳感器：空氣傳感器則可以為用戶實時監測監控的環境，一旦超出安全指標即可觸發家中的空氣凈化設備來凈化空氣，為家人營造健康的空氣環境。空氣傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關的儀器儀表或環境改善設備，實時監測空氣質量。
智慧城市
智慧城市是指使用信息和通信技術（ICT）框架來改善城市管理并鼓勵經濟增長的城市。ICT與連接的網絡（IoT）進行交互，它可以接收，分析和傳輸有關當前狀況和事件的數據。物聯網包括可城市更高效或更易訪問的任何設備，包括手機、智能車輛、安全攝像機，以及嵌入在道路中的傳感器等。智慧城市的三個主要特征是：物理和技術基礎設施、環境監測和響應能力，以及為公民提供的智慧服務。
一個智慧的城市由三個層次構成。首先是技術基礎，其中包括大量的智能手機和通過高速通信網絡連接的傳感器；第二層由特定應用組成，要將原始數據轉換為警報、洞察和行動都需要適當的工具；第三層是城市、企業和公眾的利用情況。許多應用只有在被廣泛采用并設法改變行為的情況下才能成功，比如引導人們在下班時間使用公共交通、改變路線、減少能源和水的消耗，或在一天中的不同時間段使用，以及通過預防性自我保健減少醫療保健系統的壓力等。
在智慧城市中，傳感器、攝像頭、無線設備和數據中心的網絡構成了關鍵的基礎架構。其中傳感是智能基礎架構的核心，傳感器是城市景觀中隱藏但無處不在的組成部分，是任何智能控制系統的重要組成部分。
傳感器網絡包括聲學、激光雷達、雷達、3D攝像頭傳感器、環境傳感器、流量傳感器、氣體傳感器以及濕度和溫度傳感器等。集成的傳感器系統有助于與應用和集中式平臺建立無縫互連的網絡。為特定目的而建立的傳感器網絡（例如路燈）可以啟用其他幾個連接的應用，例如環境監控、公共安全，這種集中式網絡將有助于減少重復的投資成本，并且不需要多個單獨的復雜網絡。未來智慧城市主要利用四大傳感器技術來擴展其智慧功能——電子傳感器、紅外傳感器、熱傳感器以及接近傳感器和激光雷達傳感器。- 電子傳感器：電子傳感器部署在環境監視傳感器和速度計傳感器中，這些傳感器通常部署在智慧城市網絡中以執行各種任務，例如監視電源和電流水平以進行故障檢測。
- 紅外傳感器：紅外傳感器有助于在動態和不穩定的環境中無偏見地生成數據，從而有助于智慧城市中的決策。
- 雷達傳感器可利用復雜的計算機數據來分析重要的現場信息。
- 熱傳感器：熱傳感器對能量分布進行精確跟蹤，而其他智能傳感器則可以管理需求側能量。因此，智能電網傳感器有助于提高能源效率。
- 接近傳感器和激光雷達傳感器：幫助開發自動車輛系統，這對于使城市智能化至關重要。
智能交通
智能交通就是利用各種智能技術和裝備，推動交通的數字化、網聯化和智能化。其中，網聯化對于智能交通的發展至關重要。利用物聯網，可以讓交通各環節和各方面成功聯網，不僅能有效增強交通監管、升級交通服務，同時還能進一步完善現有交通業態。
智能交通系統(ITS)應用在城市交通中主要體現在微觀的交通信息采集、交通控制和誘導等方面，通過提高對交通信息的有效使用和管理來提高交通系統的效 率，主要是由信息采集輸入、策略控制、輸出執行、各子系統間數據傳輸與通信等子系統組成。
信息采集子系統通過傳感器采集車輛和路面信息，策略控制子系統根據設定的目標(如通行量、或平均候車時間最短等)運用計算方法(例如模糊控制、遺傳算法等)計算出方案，并輸出控制信號給執行子系統(一般是交通信號控制器)，以引導和控制車輛的通行，達到預設的目標。 在智能交通系統里，傳感器就如同人的五官一樣，發揮著不可替代的重要作用，并且在交通運輸的各個領域有著廣泛的應用。例如，由無線傳感器構成的傳感網絡具備優良特性，可以為智能交通系統的信息采集提供一種有效手段，而且可以檢測路口各個方向上的車輛，并根據監測結果，改進簡化、改進信號控制算法并提高交通效率。此外，無線傳感器網絡還可以應用于執行子系統中的控制子系統和引導子系統等方面，如改進信號控制器，實現智能交通系統的公交優先功能。而位置傳感器能夠有助實現節能、減排等功能。傳感器除了能幫助追蹤高速公路實時路況之外，還能提供駕駛行駛時間的預測數據，這些數據將會以動態消息標志(DMS)陳列在高速公路的上方供駕駛參考。大量數據亦有助于交通規劃，為未來的高速公路改善計劃與決策提供更多有利信息，助力智能交通行業的建設。智能電網
智能電網是通過信息化手段實現能源資源開發、轉換（發電）、輸電、配電、供電、售電及用電的電網系統，通過智能管理可以實現精確供電、互補供電、提高能源利用率、供電安全，以及節省用電的目標。智能電網的好處在于減少二氧化碳排放、節約能源和減少停電，而建立智能電網所需的主要投入都花費在終端電力分布系統上，以及電力設施上的終端信息系統，其中很大一部分投資在傳感器網絡上面。IHS報告顯示，智能電網相關傳感器的市場從2014年到2021年增長近10倍，達到3.5億美元。傳感器網絡建設是智能電網改造的重要組成部分，關鍵是傳感器引入各級網格的層次結構。WSN（無線傳感器網絡）的感知層、網絡層和應用層是智能電網構成的三個層面。其中，感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、各種傳感器、傳感器網絡（指由大量各類傳感器節點組成的自治網絡，具有自組織、自愈合的特點），WSN感知層的主要作用是感知和識別物體，采集并捕獲信息。智能樓宇
智能樓宇不同于智能家居，專指辦公大樓、購物中心和酒店等非住宅建筑。這些建筑物中的設備都連有傳感器，可以提供能源消耗信息，并自動做出優化運營的決策。一系列聯網傳感器可收集環境信息，以及與樓宇運行和使用情況有關的數據。
這些信息既可在邊緣（邊緣計算）處進行處理，也可發送到到本地或云端運行的BMS系統。這些信息再被用于觸發自動操作，以便對建筑物內的HVAC系統、照明系統、百葉窗和許多其他設備做出調整。利用傳感器、執行器和控制器在不同子系統之間建立交叉互聯，建筑物即可實現“智能化"。如果把互聯比作智能樓宇的骨架，那么實際設備和控制裝置則相當于建筑物的肌肉和大腦。
智能組件之間的這種交互，能夠根據室內空氣質量（IAQ）和室內二氧化碳濃度來控制通風系統。照明系統也可根據是否有人存在及室內亮度等附加因素予以自動調整，這樣可以顯著降低能源消耗，同時提高使用者的舒適度和幸福感。
傳感器在設備狀態監測中起著決定性的作用。安裝在設備內部或外部的傳感器，可以收集反映設備運行狀況的各種參數的數據。例如，在HVAC設備中使用氣壓傳感器進行氣流監測，在電機驅動器中使用電流傳感器進行電流測量，或者使用微機電系統（MEMS）麥克風進行聲音異常和振動測量。這些傳感器可以實時地檢測出偏離預定狀態的狀況。HVAC設備只是作為一個例子來說明傳感器如何能夠幫助實現狀態監測和預測性維護，從而為樓宇經營者、租戶和設備制造商發掘更多附加價值。對于電梯、閥門和照明等其他關鍵的子系統而言，相關半導體解決方案和的軟件智能可解決維護問題并提供深入洞見。智能制造
智能傳感在制造過程中的典型應用之一，體現在機械制造行業廣泛采用的數控機床中。現代數控機床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面均部署了高性能傳感器，能夠對加工狀態、刀具狀態、磨損情況以及能耗等過程進行實時監控，以實現靈活的誤差補償與自校正，實現數控機床智能化的發展趨勢。此外，基于視覺傳感器的可視化監控技術的采用，使得數控機床的智能監控變得更加便捷。
汽車制造行業應用智能傳感也較多。以基于光學傳感的機器視覺為例，在工業領域的三大主要應用有視覺測量、視覺引導和視覺檢測。
在汽車制造行業，視覺測量技術通過測量產品關鍵尺寸、表面質量、裝配效果等，可以確保出廠產品合格；視覺引導技術通過引導機器完成自動化搬運、匹配裝配、精確制孔等，可以顯著提升制造效率和車身裝配質量；視覺檢測技術可以監控車身制造工藝的穩定性，同時也可以用于保證產品的完整性和可追溯性，有利于降低制造成本。裝備行業的傳感器多應用在設備運維與健康管理環節。如航空發動機裝備的智能傳感器，使控制系統具備故障自診斷、故障處理能力，提高了系統應對復雜環境和精確控制的能力。基于智能傳感技術，綜合多領域建模技術和新型信息技術，可以構建出可精確模擬物理實體的數字孿生體，該模型能反應系統的物理特性和應對環境的多變特性，實現發動機的性能評估、故障診斷、壽命預測等，同時基于全生命周期多維反饋數據源，在行為狀態空間迅速學習和自主模擬，預測對安全事件的響應，并通過物理實體與數字實體的交互數據對比，及時發現問題，激活自修復機制，減輕損傷和退化，有效避免具有致命損傷的系統行為。在工業電子領域，生產、搬運、檢測和維護等方面均涉及智能傳感器，如機械臂、AGV導航車、AOI檢測等裝備。在消費電子和醫療電子產品領域，智能傳感器的應用更具多樣化。如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、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤等。
可穿戴設備最基本的功能就是通過傳感器實現運動傳感，通常內置MEMS加速度計、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風等多種傳感器。智能家居（如掃地機器人、洗衣機等）涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環境監測、安防感應等傳感器等技術。
智慧農業
智慧農業也稱為精準農業，可以使用最少的資源（例如水、肥料和種子）來實現產量。通過部署傳感器和測繪田地，農業工作者開始從微觀角度了解農作物生長過程、科學地節約資源并減少對環境的影響。
精確農業中使用了許多傳感技術，它們提供的數據可幫助監測和優化農作物，并適應不斷變化的環境因素，其中包括：- 位置傳感器：使用來自GPS衛星的信號來確定緯度、經度和高度。三角定位至少需要三顆衛星。精確定位是精準農業的基石。
- 光學傳感器：使用光來測量土壤特性。傳感器在近紅外、中紅外和偏振光譜中測量不同頻率的光反射率，可以放置在諸如無人機甚至衛星之類的車輛或高空平臺上來測量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數據只是光學傳感器的兩個變量，可以進行匯總和處理。目前已經開發出光學傳感器來確定土壤中的粘土，有機物和水分含量。
- 電化學傳感器：可提供精密農業所需的關鍵信息，比如pH值和土壤養分水平。傳感器電極通過檢測土壤中的特定離子來工作。當前，安裝在專門設計的“滑板"上的傳感器可幫助收集，處理和繪制土壤化學數據。
- 機械傳感器：可測量土壤壓實度或“機械阻力"。傳感器使用一個探頭，該探頭可穿透土壤并通過稱重傳感器或應變儀記錄電阻。這種技術的類似形式用于大型拖拉機，以預測地面接合設備的牽引要求。像霍尼韋爾 FSG15N1A這樣的張力計可檢測根系在吸水過程中所使用的力，這對于灌溉干預非常有用。
- 土壤濕度傳感器：通過測量土壤中的介電常數（電特性隨存在的水分含量而變化）來評估水分含量。
- 氣流傳感器：測量土壤的透氣性。測量可以在單個位置進行，也可以在運動時動態進行。期望的輸出是將預定量的空氣以預定深度推入地面所需的壓力。各種類型的土壤特性，包括壓實度，結構，土壤類型和濕度，都會產生的識別特征。
智慧醫療
醫療傳感器經常被用于造價高昂的，因此醫療電子傳感器是具有高價值的一類傳感器。傳感器主要按工作原理和應用形式進行分類。按照工作原理，主要分為：物理傳感器、 化學傳感器、生物傳感器，以及生物電極傳感器。按照應用形式，主要分為：植入式傳感器、暫時植入式傳感器、體外傳感器、用于外部設備傳感器、可食用傳感器。隨著材料技術和電子技術的發展，柔性基質材料以其柔韌、可彎曲、延展、可穿戴等優勢逐步進入醫療市場。柔性傳感器兼具柔性基質材料的優點與人體相適應，不論是可穿戴設備還是植入設備都有著非常好的適應性。柔性傳感器可用于智能、智能繃帶、柔性血氧計，以及柔性可穿戴離子型濕度傳感器等。可植入傳感器是近年來出現的新型傳感器，具有體積小、重量輕、生物相容性強等特征。可植入傳感器一般自己供電并利用無線技術傳輸。與可消化傳感器不同的是，可植入傳感器通常植入皮下或器官中，獲取用戶的電生理或化學信號進行傳輸，重要用途在于精準監控生理信號有助于實現個性化醫療。傳統的可植入傳感器的難點是傳感器本身不可降解長期存在體內損害體內周圍組織或細胞造成二次感染，手術取出也會造成二次傷害，近年來生物降解的可植入傳感器也開始被采用。環境檢測
傳感器技術在環境檢測中的應用體現在兩個方面：與檢測物質中的污染物發生物理或化學反應，判斷檢測物質中是否存在污染物；把化學信號轉化為電信號。傳感器技術的應用在很大程度上提升了環境檢測結果的可信度。根據檢測方式的不同，可將傳感器技術分為光學傳感器和電化學傳感器；根據反應機理的不同，可分為生物傳感器和免疫傳感器；根據檢測對象的不同，可分為液體傳感器和氣體傳感器。生物傳感器的基本原理是將功能基因、抗體等生物材料作為敏感材料，利用信號采集裝置采集生物化學信息，分析轉化為電信號的生物化學信息。隨著生物傳感器技術的不斷發展，敏感材料和傳感器元件越來越多，有助于準確識別環境中更多的污染物質。與常規傳感器相比，生物傳感器具有更強的選擇性，操作也更加便捷，測試速度更加快速，結果也更為準確。生物傳感器技術大多應用在大氣環境檢測中，包括：- 二氧化硫檢測。利用氧電極與含有亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體構筑生物傳感器，以雨水為對象，通過測定亞硫酸鹽濃度檢測大氣環境中二氧化硫的含量。傳感器中設置的微粒體能夠氧化亞硫酸鹽，消耗一定的氧氣后，可降低低氧電極周圍的溶解氧濃度，帶動傳感器內電流的波動，以間接方式反映亞硫酸鹽濃度，該方法在重現性和準確性方面有明顯優勢。
- 二氧化氮檢測。多孔氣體滲透膜與固定消化細菌和氧電極配合構建生物傳感器，硝化細菌對亞硝酸鹽進行硝化，使生物傳感器具備呼吸活性，保證了檢測效果的可靠性和準確性。
水體環境的檢測是通過液體傳感器技術實現的，液體傳感器技術能夠檢測水體中的各種污染物。目前來看，水環境污染的主要污染物有兩種：有機物污染和無機物污染。這些污染物絕大多數是人類生產生活中產生的，污染物排放超出環境承受能力，引起水體污染。液體傳感器技術在水環境檢測中的應用主要體現在以下兩個方面：- 重金屬離子檢測：水環境污染中重金屬污染問題尤其突出，比較常見的重金屬物污染物有鉛、汞等，這些污染物對人體危害巨大，且無法去除，一旦進入水體，將會引起嚴重后果。
- 農藥殘留物檢測：農藥中有多種有害化學成分，發生殘留后，會通過食物進入到人體，對人體產生嚴重影響。液體傳感器技術通過鈷-苯二甲藍染料同三嗪類除草劑的化學反應，檢測水體中是否存在農藥。
氣體傳感器能夠檢測大氣環境中的氮氧化物以及含硫氧化物，該方法操作簡單，檢測效果良好。氣體傳感器的基本原理：氣體通過傳感器探頭時，探頭收集和分析氣體的相關信息，將獲得的氣體體積分數轉化為電信號，通過分析判斷是否存在污染物質。以氮氧化物為例，利用氣體傳感器技術檢測氮氧化物時，通常利用金屬氧化物半導體對其進行檢測，目前研究人員又提出了更為的技術，例如傳感器將鉑作為電極，離子轉換器采用的是氧化釔和氧化鋯，檢測廢氣時，只需將其放在排放口位置，待數據收集后，便可準確檢測出氮氧化物的含量。結語
動感傳感認為物聯網的發展為傳感器帶來了海量的需求，這個世界從來沒有一個時代像現在這樣渴望各種傳感器。
物聯網時代剛剛開始，傳感器開始走向制造的舞臺。
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