未来，传感器技术要如何演进？

作者|Daniele Valanzuolo

译者|透镜

传感器推广了现有的机械测量技术。然而，在过去的20年里，传感器制造商一直在研究创新的测量原理。这些结果使我们能够在有线和无线领域使用高集成、低成本的传感器。

对于快速变化的市场来说，开发与需求紧密匹配的创新传感器是一件令人兴奋的事情，但也会遇到很大的困难。随着可穿戴设备的快速发展和与智能手机的结合，精度高、功耗低的微型传感器应运而生，也支持物联网(IoT)其他领域的数字化需求。更安全的车辆和自动驾驶技术已经专注于雷达和激光雷达技术。最终，传感器技术将在医疗领域大大提升采集和分析个人健康数据的能力。许多传感器将逐渐集成到无线传感器网络中(WSN)中。

过去十年初，微机电系统(MEMS)这是人们关注的热点。将芯片技术与机械技术相结合是一项伟大的成就。一个新的微世界产生了许多创新发明和实验。目前，这些看似创新的成果已经融入到人们的日常生活中。随着智能手机和工业机器的惯性传感器MEMS随着技术的不断发展，这些技术随处可见。

MEMS行业饱和了吗？

作为一种传感器技术，MEMS毫无疑问，它是成功的，有提升的潜力。可靠性和环境适应性是其成功的保证。MEMS不断创新不仅降低了尺寸和成本，而且有很大的优化和改进空间。此外，成熟技术将广泛应用于一些新领域。也许，到2030年，我们可以讨论它未来是否会被淘汰。但就目前而言，MEMS技术仍然是许多公司投入大量研发成本的核心技术之一。

举例来说，ST 2019年，公司宣布开发具有高稳定性、高精度和化学兼容性的防水工业应用MEMS压力传感器 LPS33HW。当然，MEMS还有许多问题需要解决，包括优化制造工艺、开发更集成的传感器、解决校准问题、进一步降低功耗等。因此，在主要相关厂商(尤其是消费电子和汽车领域)的总体市场规划中，MEMS传感器的创新仍然很重要。

从微观世界进入纳米世界

如果微观世界的一切都完成了，为什么不进入纳米级呢？ 为了应对极端小型化的挑战，新的研究正在评估纳米和有机技术。随之而来的种具有更高灵敏度和更好测量范围选择性和稳定性的传感器。这些挑战的应用之一是使用纳米FET 医学领域的传感器。这些纳米传感器可以集成到细胞中，提供细胞测量、局部检测活细胞和其他与肿瘤或肿瘤相关的细胞。凭借近乎一维的半导体纳米结构，利用对电场存在的敏感性来检测分子电荷。

除了nano FETs外，纳米领域基本涵盖了维度小于100 nm 所有材料。与传统传感器相比，纳米材料具有较高的表面积或体积比，提高了光学、机械、电气、结构和磁性能。大量的应用程序将从这些技术中受益，例如：

◆检测气体中的化学成分。这有助于提高化学过程中使用的产品质量，必须符合质量标准或污染监测。

◆对基本物理参数的检测进行了改进。这些通常用于本地测试，如温度、流量和压力。

◆植物生物学监测。通常用于监测农业和其他领域的环境。

光纤传感器

光纤相关开发在过去十年激增。这种传感器具有独特的特性（如几何通用性、高灵敏度、抗电噪声、电绝缘和温度），通常适用于腐蚀性或压力环境。一般来说，这些传感器分为两类：振幅传感器和干涉仪（相位传感器）。振幅传感器对光纤相互作用的物理变化非常敏感，这种测量技术的简单性使其非常适合在复杂的环境中使用；干器依赖于高精度，需要基于几何通用性，几乎可以测量接近理论水平的小变化。虽然光纤技术取得了重大进展，但在应用、降噪和涂层优化方面仍有很大的发展空间。

3D 传感器

摄像机现在无处不在，我们很少考虑摄像机2D如何消除渲染3D世界的某个维度。自从与游戏机结合使用以来，捕捉第三维传感器的技术能力一直在发展。与普通相机不同，3D传感器获取并存储深度信息。从架构上看，3D可分为以下几类(如图1所示):

◆标准2用光源照射物体(如激光)D传感器获取数据。采用三角测量算法和反射光计算深度测量。

◆飞行时间(ToF)环境深度可根据光发射和检测之间的时间延迟（照明光束的飞行时间）进行估计。

◆人类的视觉是通过两个偏移室的立体视觉复制的。

图1 3D 传感器分类

3D传感器广泛应用于自动驾驶、监控和工业制造中的物体检测。这种传感器在鲁棒性方面存在一系列挑战，包括其他光源或昼夜采集引起的干扰、温度范围变化和反射表面变化。

防水传感器

海洋探索伴随着尖端和成熟的传感技术。随着对环境问题的日益关注，可以帮助研究气候变化、污染和可持续性的传感器越来越受到关注。这些传感器必须防水，并能在海洋深处的高压下运行。科学团队还建议在海底开发传感器网络。然而，这些想法面临着水下数据交换的一系列挑战。到目前为止，声学技术的发展在带宽、多路径现象和影响延迟方面仍有明显的限制。

此外，防水传感器网络供电仍然是一个悬而未决的问题。海底可以使用哪些传感器？ 目前，有一系列低成本传感器可以测量系统中的传统参数，如压力、温度或亮度。然而，该测量领域还需要一个特殊的传感器来评估水的浊度，以及观察海底物体的声纳、二氧化碳传感器和荧光计。

IO -Link标准

如果不能收集和分析数据，所有传感器都将失去价值。虽然无线传感器在物联网领域越来越流行，但有线传感器仍然在工业应用领域脱颖而出IO-Link。目前，几乎所有传感器制造商都提供配备双向通信总线的智能传感器。它的流行源于经典I/O的支持，需要有一个主设备(通常是PLC)智能查询可用传感器。IO-Link如图2所示，标准连接器和引脚排列。

图2 IO-Link标准连接器和引脚排列

IO-Link它解决了信号干扰和模拟传感等常见问题EMC兼容性。这种数字技术也可以实现更简单的布线安装。兼容性保证IO-Link传感器可用于现有设备，也可支持复杂的工业4.0。

无线传感器网络(WSN)

近年来，无线传感器网络(WSN)因其在细分市场的普遍性而备受关注。无线传感器网络示意图如图3所示。由于案例范围广，无线传感器网络(WSN)功能的研究还在进行中。其中，大部分都集中在功耗和通信上，例如大气对通信可靠性的影响。针对不同的项目应用，物理尺寸和重量也很重要。

图3 无线传感器网络示意图

鉴于无线传感器网络可以覆盖广泛的领域，它已广泛应用于监测环境（陆地和海洋）和跟踪野生动物（或繁殖动物）的健康状况。技术挑战是，无线通信的服务质量仍然保持在失去一个或多个节点的情况下(QoS)。

未来的挑战是什么？

传感器是新数字时代不可缺少的元素，广泛应用于工业、电子医疗、环境应用等专业领域，以及休闲、可穿戴、自动驾驶和游戏领域。事实上，传感器的使用可以被视为技术对美丽世界的贡献，广泛应用于电子医学、灾害预防、优化制造等领域。

传感器的研发正在不断推进，以满足不同传感需求的创新解决方案。我们正在开发更小、更专业的传感器，以覆盖更广泛的领域，并在极端条件下运行（如水下、污染物和腐蚀性化学物质等）。

此外，从消费电子到汽车电子，再到可穿戴设备，在低功耗和低成本方面也面临着一些挑战。事实上，传感器将继续融入人们的日常生活，为我们的健康和安全做出巨大贡献，并促进外部环境的不断改善。

本文授权本杂志的合作伙伴Elektor如果媒体集团想免费订阅Elektor 请访问英语在线内容https://www.elektormagazine.com/。(本文最初是由ElettronicaOpen Source以意大利语发表(https://it.emcelettronica.com)，Elektor经授权翻译。)

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