- 傳感器：智能時代的“慧眼”
- 來源：稿件來源：人民日報 責任編輯：ICAC C 發表于 2024/1/26
如果把智能系統比作“人”，那么傳感器就是“人”的感覺器官。不同類型的傳感器，感知周圍環境并把數據傳遞給系統進行計算，對情況進行實時分析、判斷和應對。隨著數字化智能化不斷深入，各式各樣傳感器的用武之地大為拓寬，為人類創造美好生活發揮著巨大作用。
一部智能手機里有上百個傳感器：有用于攝像的CMOS圖像傳感器，有用于檢查環境明暗的環境光傳感器，還有用于導航的地磁傳感器、陀螺儀，等等。正是基于這些傳感器，手機里的各種應用軟件才能流暢工作，手機才能成為集工作、生活、娛樂于一體的便攜式智能設備，帶來人們生活方式的巨大變化。風云衛星上的可見和紅外光電傳感器，能夠不分晝夜地獲取大氣信息，精準預測天氣，甚至在月球上、火星上都有傳感器工作，幫助人類探索宇宙奧秘。
比人的感官更敏銳、更強大
傳感器是信息系統的“慧眼”。它就像人類的眼睛、耳朵、皮膚等器官一樣，感知周圍環境，幫助我們認識多姿多彩的世界。不同之處在于，傳感器比人的感官更敏銳、更強大。客觀世界所包含的信息多樣程度，遠遠超出我們感官的能力范圍。人的眼睛無法觀察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽不見次聲波和超聲波，對于“不見蹤影”卻時刻產生影響的磁場也無法感知。這些超出感官范圍的信息，傳感器都能“感受”到。
隨著生產力發展，人類越來越需要全方位地感知世界。1821年，科學家利用材料因溫差產生電壓的原理，研制出世界上第一個傳感器——溫度傳感器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應制備各種傳感器，這些傳感器尺寸大、靈敏度低、使用不方便。上世紀70年代，出現了將敏感元件與信號電路進行一體化設計的集成傳感器，如熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。這類傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，輸出模擬信號。上世紀末開始，數字化傳感器快速發展，通過“模擬/數字”轉換模塊，實現數字信號輸出。數字化傳感器集成智能化處理單元，可以自動采集、處理數據，并能根據環境自動調整工作參數，數碼相機中的光敏元件就是其代表產品。
總的來說，傳感器的工作原理是某些物質的電學特性會隨環境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，硅在可見光照射下電阻會減小，石英受到壓力后表面會產生電荷，等等。利用電阻與溫度的對應關系，可以制成溫度傳感器，進一步給敏感元件添加隔熱結構，依據敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關系，可以制成紅外傳感器。在此基礎上，還可以根據目標溫度與紅外輻射能量之間的關系，制造出非接觸測溫傳感器。人們熟悉的用來測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。借助豐富的物理和化學效應，人們制備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀察物體的紅外相機等種類豐富、功能強大的傳感器。
沒有傳感器就沒有數字化、智能化
數字化是對事物屬性的量化，并用數字將其表達為抽象結果。借助現代信息技術，人們可以存儲、處理、傳播各種數字化信息。傳感器可以將事物蘊含的各種信息轉換成電信號，并利用數模轉換電路將電信號用數字表達，是數字化的有效工具。當你拿出手機拍照片或視頻時，光敏傳感器會將接收的光強度信號轉換成電信號，再按一定的規則用數字表達、存儲，最終形成手機屏幕上的影像。
數字化基于傳感器獲取信息。數字化系統需要處理的信息量非常龐大，僅靠人工或者傳統設備無法獲取，憑借傳感器則能夠實時、高效、精準、快速地獲取，于是有了城市大數據、天氣大數據、醫療大數據、農業大數據等。利用各類傳感器，人們可以召開遠程會議、學習網絡課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發展出數字經濟業態。數字經濟涉及的云計算、物聯網、人工智能、5G通信等各類技術，都與傳感器息息相關。
沒有傳感器就沒有數字化和智能化。傳感器是智能化系統的第一關，它的水平決定了智能化系統及其儀器設備的水平。傳感器技術已經成為國際上信息高端器件領域的研究前沿，在人工智能、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等領域均發揮著不可替代的作用。比如一輛汽車會安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過100種傳感器，由車載電腦進行處理，幫助駕駛員作出判斷。對數據的智能化分析降低了駕駛汽車的難度，讓汽車變得更安全、更好開。更進一步，無人駕駛汽車通過傳感器實時獲取道路信息，一旦發現障礙物，便通過智慧分析及時避讓。城市中高樓大廈、橋梁、隧道等建筑，也需要通過視頻、溫度、壓力和煙霧等傳感器實時監控安全狀況，當數據匯總到一起，智能化系統便會及時分析，凝練出少量關鍵信息供使用者作出決策。甚至在未來，人類的感官也可以借助傳感器變得更加強大，構建起智能化系統。
智能傳感器開拓新應用場景
當前，各類傳感器都處在進一步提升性能、降低成本，向數字化、智能化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進化，呈現出蓬勃發展態勢。其中，智能傳感器、柔性傳感器、新原理傳感器的研發具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。
發展智能傳感器是重要趨勢。借助智能傳感技術，人們設計制造出具備獲取、存儲、分析信息功能的各種傳感單元及微系統，實現低成本、高精度信息采集。智能傳感器廣泛應用在機器人、無人駕駛、智能制造、運動定量監測等方面，還可用于開發無創或微創健康監測器件等。近年來流行的動態血糖儀是個很好的例子。糖尿病患者將柔性傳感器無痛置入身體，傳感器每5分鐘測一次血糖值，并傳送到手機應用中。患者可以觀察血糖曲線變化，及時通過飲食和運動等方法調節血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發可降解電子器件，讓智能傳感器更好助力低碳環保生活。
發展柔性傳感器是另一趨勢。許多應用場景要求傳感器制備在柔性基質材料上，并具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特點。目前制備柔性傳感器的常用傳感材料有碳基材料（炭黑、碳納米管和石墨烯等）、金屬納米材料（金屬納米線、金屬納米顆粒等）、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復能力的交聯超分子聚合物薄膜電極材料，可用于制造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將集成多功能的柔性傳感器與柔性印制電路結合，可以制成“智能帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實時監測與分析生理信息，幫助人們特別是感官退化的群體了解自身健康狀況。
新原理傳感器也在不斷出現。在基礎研究領域，新的規律陸續被發現，人們正利用這些科學新認知制備傳感器。同時，技術進步也對基礎研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機的像素、靈敏度、速度等性能參數；在高速實驗中，需要可以記錄飛秒尺度信息的條紋相機；在量子通信中，需要靈敏度達到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實現對高速運動物體和冷目標的探測，等等。這就要求科學家們進一步探索物理世界，發現新現象新規律，提升傳感器性能。
隨著科技快速發展，新材料新工藝不斷投入應用，性能更強、種類更豐富、智能化水平更高的傳感器將創造更多工作生活新場景，幫助人們“感受”美好生活。
（作者：褚君浩，系中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員）
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