本文綜述不同種類智能傳感器技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，并對今后的發(fā)展趨勢做出展望。
1 豐富多樣的智能傳感器
為滿足各種智能化的應(yīng)用需求，傳感器類別非常多樣化，例如：環(huán)境傳感器、慣性傳感器、模擬類傳感器、磁性傳感器、生物傳感器、紅外傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器等。
其中，以下傳感器比較常用。
環(huán)境傳感器，主要有氣體傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。氣體傳感器可以應(yīng)用于空氣凈化器、酒駕監(jiān)測器、家裝中甲醛等有毒氣體的檢測器以及工業(yè)廢氣的檢測裝置等。隨著人們對環(huán)境問題的重視，環(huán)境傳感器的重要性越來越凸顯，未來有很大的發(fā)展空間。
慣性傳感器，主要應(yīng)用在可穿戴產(chǎn)品上，比如智能手環(huán)、智能手表、VR頭盔等。通過慣性傳感器來檢測運(yùn)動的跟蹤、識別，告知佩戴者當(dāng)天的運(yùn)動量、消耗的卡路里及運(yùn)動的效果。
磁性傳感器，主要用在家用電器上，比如咖啡機(jī)、熱水器、空調(diào)等，用來檢測角度轉(zhuǎn)了多少或者行程多少，通常顯示在儀表盤上。此外，門磁和窗磁等方面采用的也是磁性傳感器，機(jī)器人的智能化和精準(zhǔn)度也需要磁性傳感器做支撐。
模擬類傳感器，主要應(yīng)用在智慧醫(yī)療設(shè)備上，可以作為心跳、心電圖等信號的輸入，并將健康數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的輸出，讓用戶了解自身第一手健康、運(yùn)動數(shù)據(jù)。
紅外傳感器常應(yīng)用于紅外攝像頭、掃地機(jī)器人等智能家居方面。
2 智能傳感器的技術(shù)研究進(jìn)展
一個真正意義的智能傳感器應(yīng)具有如下功能：
1）自校準(zhǔn)、自標(biāo)定和自動補(bǔ)償功能；
2）自動采集數(shù)據(jù)、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理功能；
3）自調(diào)整、自適應(yīng)功能；
4）一定程度的存儲、識別和信息處理功能；
5）雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化輸出或者符號輸出功能；
6）算法判斷、決策處理的功能。
下面以常用的溫度、壓力、慣性、生化和RFID傳感器為例，介紹智能傳感技術(shù)的研究進(jìn)展。
2.1 智能溫度傳感器
溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個階段：傳統(tǒng)分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器和智能溫度傳感器。
進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等方向迅速發(fā)展。
目前的智能溫度傳感器包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器和接口電路，有的產(chǎn)品還帶有多路選擇器、中央控制器、隨機(jī)存取儲存器和只讀存儲器。
智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器，并且是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件實現(xiàn)測試功能，其智能化程度取決于軟件開發(fā)水平。
1）提高測量精度和分辨率
最早的智能溫度傳感器始于20世紀(jì)90年代中期，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨率只能達(dá)到1℃。
目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，使用9~12位A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率可以達(dá)到0.5~0.625℃。由美國 Dallas 半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，分辨率高達(dá) 0.03℃，測溫精度為±0.2℃。
為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為 27 ms、9 ms。
在高精密溫度測量方面，有學(xué)者設(shè)計了高性能數(shù)字溫度傳感器，該傳感器由石英音叉諧振器，數(shù)字接口電路和基于現(xiàn)場可編程門陣列的傳感器重置控制算法構(gòu)成，傳感器的靈敏度可以達(dá)到10 -6 ℃的數(shù)量，即測溫分辨率為0.001℃，響應(yīng)時間1 s，測量精度為0.01℃。
2）增強(qiáng)測試功能
新型智能溫度傳感器的測試功能不斷增強(qiáng)。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式。
對于某些智能溫度傳感器，主機(jī)（外部微處理器或單片機(jī)）還可通過相應(yīng)的寄存器設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率、分辨率及最大轉(zhuǎn)換時間。
另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道方向發(fā)展，這就為研發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。
3）總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化
目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線（-Wire）總線、I 2 C總線、SMBus總線和SPI總線。
4）可靠性及安全性設(shè)計
為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產(chǎn)生誤動作，在一些智能溫度傳感器的內(nèi)部，設(shè)置了一個可編程的故障排隊計數(shù)器，專用于設(shè)定允許被測溫度值超過上下限的次數(shù)。僅當(dāng)被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達(dá)到所設(shè)定的次數(shù)才能觸發(fā)中斷端口，避免了偶然噪聲干擾對溫控系統(tǒng)的影響。
為了防止因人體靜電放電而損壞芯片，一些智能溫度傳感器還增加了靜電保護(hù)電路，一般可以承受1~4 kV的靜電放電電壓。
例如TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較信號輸出端和地址輸入端均可承受1 kV的靜電放電電壓。LM83型智能溫度傳感器則可承受4 kV的靜電放電電壓。
2.2 智能壓力傳感器
智能壓力傳感器是微處理器與壓力傳感器的結(jié)合，因此它們的實現(xiàn)途徑可以分為：非集成化智能壓力傳感器、集成化智能壓力傳感器和混合型智能壓力傳感器。
非集成化的智能壓力傳感器是把傳統(tǒng)的壓力傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合成一體的智能壓力傳感器系統(tǒng)。
這種非集成化的壓力傳感器實際上是傳統(tǒng)壓力傳感器系統(tǒng)上增加了微處理器的連接。因此，這是一種實現(xiàn)智能壓力傳感器系統(tǒng)最快的途徑和方式。
集成化智能壓力傳感器是將壓力敏感元件與信號處理、校準(zhǔn)、補(bǔ)償、微控制器等進(jìn)行單片集成，主要采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基體材料制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理單元，并集成在一塊芯片上。
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及微納米技術(shù)的應(yīng)用，由此制成的智能壓力傳感器具有微型化、結(jié)構(gòu)一體化、精度高、多功能、陣列式、全數(shù)字化、使用方便、操作簡單等特點。
混合式智能壓力傳感器是根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同組合方式集成在2~3塊芯片上，并封裝在一個外殼中。
混合集成實現(xiàn)智能化是一種非常適合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的智能化途徑。在智能壓力傳感器系統(tǒng)中，微處理器能夠按照給定的程序?qū)鞲衅鲗崿F(xiàn)軟件控制，把傳感器從單一功能變?yōu)槎喙δ?。智能壓力傳感器一般具有以下基本功?。
1）數(shù)據(jù)處理功能。智能壓力傳感器不僅對各個被測參數(shù)進(jìn)行測量，而且根據(jù)已知被測量參數(shù)，能夠自動調(diào)零、自動平衡、自動補(bǔ)償?shù)取?/p>
2）自動診斷功能。這是智能壓力傳感器的主要功能，智能壓力傳感器通過其故障診斷軟件和自檢測軟件，自動對傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期和不定期的檢測、測試，及時發(fā)現(xiàn)故障，協(xié)助診斷發(fā)生故障的原因、位置，并給予操作提示。
3）軟件組態(tài)功能。智能壓力傳感器由于采用了微處理器，所以不僅有必要的硬件組成，例如檢測、放大、A/D、D/A、通信接口等，而且還有軟件資源用于控制和處理數(shù)據(jù)。在智能壓力傳感器中，設(shè)置有多模塊化的硬件和軟件，用戶可以通過微處理器發(fā)送命令，完成不同的功能，增加了傳感器的靈活性和可靠性。
2.3 智能慣性傳感器
慣性傳感器，是MEMS傳感器中得到最廣泛應(yīng)用的一類傳感器，包括加速度計、陀螺儀和方位傳感器。MEMS技術(shù)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢實現(xiàn)了慣性傳感器的小型化并且降低了成本。
現(xiàn)在的慣性測量模塊（IMU）可以在 10 mm×10mm×4 mm的尺寸內(nèi)，集成三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁強(qiáng)計，而成本在1美元以內(nèi)。這種慣性測量模塊可應(yīng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備上，實現(xiàn)包括步態(tài)監(jiān)測、步數(shù)統(tǒng)計、跌倒檢測、睡眠監(jiān)測、室內(nèi)導(dǎo)航等運(yùn)動、健康方面的功能，同時也可以實現(xiàn)手勢識別、方向感知等娛樂方面的功能 。
1）更小、更靈活、更節(jié)能、高性能、高集成。
應(yīng)用于可穿戴設(shè)備上的智能慣性傳感器，需要具有更小的尺寸，更低的功耗，作為體域網(wǎng)的一個節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最終實現(xiàn)柔性化。
目前全球最小的三軸加速度計是博世公司在2014年發(fā)布的BMA355，采用晶圓級封裝，尺寸僅為1.2 mm×1.5 mm×0.8 mm，功耗極低，工作電流僅為130 μA，而在低功耗模式下，電流可降低到1/10。
此外，BMA355還具有強(qiáng)大的智能終端引擎，中斷模式包括數(shù)據(jù)就緒同步、運(yùn)動喚醒、敲擊感測、方向識別、水平和豎直切換開關(guān)、低g值/高g值沖擊檢測、自由落體檢測、節(jié)電管理等，可用于健康追蹤器、計步器（智能手表和手環(huán)）、珠寶首飾等可穿戴設(shè)備 。
除了可穿戴設(shè)備的應(yīng)用外，慣性傳感器在軍事領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，不同于可穿戴設(shè)備上的要求，軍事方面的應(yīng)用對傳感器精度、可靠性以及在極端條件下的穩(wěn)定性提出了更高的要求。
慣性傳感器，利用質(zhì)量塊的慣性來對待測量進(jìn)行測量，而MEMS傳感器質(zhì)量塊小，以陀螺儀為例，其精度一般不如傳統(tǒng)陀螺，在航空、航天等高端領(lǐng)域難以被直接應(yīng)用。
根據(jù)現(xiàn)階段的工藝水平，采用單個MEMS陀螺的精度已經(jīng)接近現(xiàn)階段的極限，需要通過新的方法來提高M(jìn)EMS陀螺儀的精度。
2）多傳感器集成與數(shù)據(jù)融合。
考慮到MEMS傳感器體積小、成本低，可以利用多傳感器集成與數(shù)據(jù)融合技術(shù)來提高精度，即通過多個傳感器的信息融合實現(xiàn)優(yōu)于單個傳感器的性能。
NASA在2003年提出了虛擬陀螺的概念，即使用多個MEMS陀螺組成陣列，對同一信號進(jìn)行冗余檢測并輸出多個檢測值，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對這些檢測值進(jìn)行分析綜合，將陀螺陣列融合成一個虛擬陀螺，得到對輸入角速率的最優(yōu)估計值，大大提高了陀螺精度。
其后，西北工業(yè)大學(xué)的微納實驗室對3個零偏穩(wěn)定性為35.00（°）/h的微陀螺進(jìn)行濾波處理，得到的虛擬陀螺漂移性能提高了200多倍，論證了虛擬陀螺概
念的可行性，也為采用陣列化傳感器提高精度提供了新方法、新思路。
3）新的敏感機(jī)理。
提高現(xiàn)有MEMS傳感器性能的另一個方法是發(fā)現(xiàn)新的敏感機(jī)理。西北工業(yè)大學(xué)的微納實驗室在2015年展示了世界第一個基于模態(tài)局部化的諧振式加速度計。改變了傳統(tǒng)諧振式加速度計通過檢測諧振頻率變化敏感加速度的方式，而是通過檢測2個弱耦合諧振器振幅比的變化敏感加速度，將靈敏度提升300倍，為高精度慣性傳感器的研制開辟了一條新的道路。
同時，該課題組基于強(qiáng)迫熱對流現(xiàn)象設(shè)計出了一種多軸慣性傳感器“射流轉(zhuǎn)子陀螺” ，最多可以同時敏感3個方向的角速度與3個方向的線加速度。利用流體粒子代替固體質(zhì)量塊，也開創(chuàng)了一個相對較新的MEMS研究領(lǐng)域。
流體慣性傳感省略了可動部件，具有器件結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性高的特點。隨著敏感機(jī)理的新發(fā)現(xiàn)、微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展以及新型材料的應(yīng)用，MEMS慣性傳感器將進(jìn)一步實現(xiàn)種類的多樣化與精細(xì)化，在可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品、慣性導(dǎo)航及自動控制的軍用領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。
