全球智能传感器技术发展研究

柳柏杉

智能传感器技术广泛应用于医疗保健、汽车、环境、农业和能源等领域。全球技术市场的发展从20世纪80年代至21世纪最初10年的“摩尔时代”发展到2010—2030年的“扩展摩尔时代”，并有望在2030年以后进入“超越摩尔时代”。尖端云设备的作用和大数据的产生预计将推动智能传感器新生态系统的创建，到2030年将占世界经济的11%。智能传感器的路线图是广泛、复杂和多样化的，并导致可持续的、信息通信技术支持的战略。智能传感技术正从简单的传感转向集成多种功能、云应用、自供电系统和便携式和/或一次性设备的智能传感。

智能传感器系统开发靠“一刀切”的方法是不可能的，因为有无数不同的部署场景，从受控无菌环境（如医疗科技）到恶劣和激进的环境（如汽车、农业科技），并不是所有的传感器类型或方法都适用于每种部署类型。因此，必须开发或修改新的或现有的感知范式，使之适合于解决其特定的问题。虽然汽车和医疗技术行业（最广泛的意义上）存在着非常大的市场，但可持续农业食品和环境应用领域的小型新兴市场可能对中小企业更感兴趣。本文将针对智能传感器技术在各个领域未来几年需要解决的中长期挑战（表1）进行阐述分析。

1 传感器在医疗和医疗保健领域的应用

在医疗领域，传感器的主要应用是远程患者监测（不仅是疾病监测，还包括药物开发和临床操作）、家庭保健和健身/健康监测。根据应用程序的不同，最终用户可以是医疗保健提供商和参与者（医生、医院人员、制药公司），也可以是患者自己。医疗传感设备主要有可穿戴生理信号监测设备、可植入传感器和分子诊断传感器。这3种传感器的技术解决方案、要求和挑战在很大程度上取决于传感器的应用和类别。然而，一些共同的因素包括安全/安全要求、小型化潜力、可制造性和成本、可靠性和包装、生物相容性和生物稳定性以及多传感能力等。

1.1 生理信号监测

可穿戴式医疗设备广泛应用于连接人体从头到脚（眼镜、手表、帽子、鞋子等）监控不同的身体特征的变化区域和器官，如氧气，葡萄糖，胰岛素水平，心脏病、血压、大脑活动，水分、温度、数量和质量的睡眠，热量摄入量等。可穿戴医疗设备集成了基于移动应用、数据传输、报警等软件，使场景更加人性化。生理信号监测可以帮助提高健康的生活方式，预防心血管事故和改善慢性/急性疾病的管理。此外，生理传感器能够检测与污染有关的健康危害，填补了家庭监测和诊断的空白。这些技术解决方案涉及温度、压力、离子和/或生物标记物传感器。生理信号监测面临的一些具体挑战是信号质量好、免费或人工检测、高自主性、低功耗设计、个性化算法和实时反馈；无创，允许多参数监测。医疗器械的开发是非常困难的，因为长期的开发，高成本的临床验证和艰难的欧洲共同市场安全（CE）标签/FDA批准程序。因此，这一期限为10～15年，对于标准中小企业和衍生企业来说是难以承受的。此外，患者的安全和隐私应受到尊重，防止黑客攻击也至关重要。

1.2 可植入传感器

仿生学、生物医学植入物，是人工添加到身体，模仿功能（视觉、耳朵，、骨科、心脏、神经/大脑）失去或非功能的自然器官。然而，高昂的成本，相应的医疗，以及严格的审批程序是挑战和限制市场增长的主要制约因素。除了生物相容性、生物稳定性和极高的可靠性方面的挑战外，植入式生物传感器可实行的其他关键因素是植入式生物传感器的寿命及其自主性（能量收集系统、远程/无线电力传输、无线数据通信和设备控制）。

电生理学的全电子化设备可对生物进行电生理学检测，例如：一个紧密排列的微电极阵列（MEA）能够从一个大的细胞网络中进行高精度的细胞内记录，一直是生物工程、神经和心脏技术的主要追求。穿过细胞膜的离子电流对于可兴奋和非兴奋细胞都是至关重要的，它们的精确测量需要细胞膜和测量电极之间的有效耦合。迄今为止，业界最雄心勃勃的目标是通过互补金属氧化物半导体（CMOS）—MEA实现全电生理成像，允许大规模并行记录细胞网络。然而，這种技术与典型的微电子大规模集成技术的结合还没有被尝试过，因为将CMOS技术与小尺寸纳米电极所需的技术难以结合。新兴的纳米材料，如直接在现有设备表面生长硅纳米线，可以大大增加非常清晰的像素大阵列。这种集成电生理传感器作为基于患者疾病监测设备有巨大应用，如心脏颤动、神经元活动和视网膜视觉的活体监测。

1.3 分子诊断传感器

分子诊断学是通过检测脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）中的特定序列，在分子水平上分析生物标记物的技术。它还可以诊断各种传染病、癌症，并检查疾病的遗传易感性风险，这可能会降低成本，并简化诊断程序。然而，目前的分子诊断技术仅能检测到反应蛋白、降钙素原等最简单的生物学参数，对于复杂、威胁生命的传染病仍需借助重点实验室完成相应的检测分析。电化学传感器在分子诊断中也起着重要的作用。为了检测不同的目标，传感器被涂上不同的功能基团，如抗体或DNA，可以很容易地与便携式设备集成，并适用于更广泛的应用场景，如现场诊断。CMOS技术的不断进步使得传感器阵列的制造成为可能，例如用于DNA测序的离子敏感场效应晶体管的大矩阵。

智能传感器是近10年来快速发展的一种技术，它将与其他技术紧密结合。物联网不仅仅是智能设备的网络，它还包括数据收集、数据分析、系统集成、软件开发和服务。此外，传感器、包装和生态系统设计的能量支持对开发人员和制造商来说都是一个挑战。一些传感器，如运动传感器、压力传感器已经成熟，可能在3年内投入市场，而其他一些传感器，如量子空气监测传感器和快速复杂疾病诊断，正在功能研究，可能需要几十年的时间。此外，在过去的10年中，有证据表明，血液中MicroRNAs（一类进化上保守的非编码小分子RNA，具有在翻译水平调控基因表达的功能）的表达水平是可重复的，并指示了几种疾病。CMOS集成电路后端覆盖的二氧化硅层特别适合与生物分子结合实现相应的功能化，如肽核酸，它可以识别特定的miRNA序列，两者可固定在表面荧光团分子上。为实现这一目标，已经将硅基光学传感器作为医疗应用的关键部件，特别是应用于临床诊断。

2 運动和压力传感器

汽车市场引领着微机电机械系统（MEMS）器件的发展。运动传感器广泛应用于汽车、消费电子、航空航天、国防、医疗保健和工业应用等。预计到2023年，运动传感器市场将达到26亿美元。同样，加速度计和陀螺仪已经成为所有消费电子设备的组成部分，到2026年，这一市场预计将达到50亿美元。然而，运动传感器市场的增长受到低精度的限制，MEMS的平均价格被限制在小于1美元，导致利润非常低。目前，医疗、汽车和工业传感器的发展至关重要，并显示出潜在的利润空间。

压力传感器市场主要由汽车和医疗应用主导，并将在短期内（3～5年）快速增长。压力传感器监测、控制气体和液体的压力，以及其他压力，如真空、压力表和绝对压力。压力传感器作为汽车排放控制传感器的关键部件，有助于降低汽车的排放、油耗和空气污染。此外，它们在乘客安全系统中起着至关重要的作用。智能手机和可穿戴设备消费行业的利润率正在萎缩，有必要限制生产成本，提高生产效率，以限制市场衰退。一些策略可以是共享成本、改进流程或具有附加价值的新设备。

3 先进驾驶辅助系统

先进驾驶辅助系统（ADAS）集成了图像设备、雷达传感器、激光和超声波传感器，吸引了技术提供商的浓厚兴趣，以帮助确保道路安全。ADAS的开发将符合政府规定，并增强用户体验。安装的图像设备，包括摄像机、红外探测器、光探测和测距（LiDAR），可以为司机提供180°的道路和夜视，并可以集成到中央监控系统，以实现自动响应。图像传感器分为电荷耦合器件和CMOS，它们也可以用于医学成像的三维扫描、三维渲染、图像重建或三维建模手势识别。无论从短期还是长期来看，电荷耦合器件（CCD）都将被CMOS完全取代。红外探测器用于国防系统，医疗和汽车应用，如夜视和行人和/或动物检测。

目前的红外探测器是基于物体的温度变化，价格合理，但由于环境多尘和高湿度，存在精度不高的问题。激光雷达技术通过扫描激光，计算其与反射物的距离，形成环境图像。然而，尽管激光雷达是微型、低成本和硅基的，适用于包括自动驾驶在内的各种新应用，但由于需要大量的组件，成本仍然高于雷达等其他技术。此外，图像传感器可以连接到移动应用程序，并具有准确测试诊断的可视化潜力。到2022年，3D成像医疗保健应用主导全球市场份额。图像传感器的发展速度很快，关键技术几乎每隔一年就会更新一次，这将有助于设备的小型化，具有更高的测绘分辨率和更合理的价格。长程/中程雷达传感器可以通过监测车辆周围的环境（360°传感）来帮助防止碰撞，而且受天气和污染的影响更小。市场的驱动力是ADAS技术的发展，以及对安全和舒适驾驶系统的日益提高的意识。除了技术和封装，与电子控制单元和数据管理的集成也至关重要，这是市场所要求的。

4 环境传感器

二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等污染物主要来自汽车、工业和发电厂柴油发电机。另一方面，对室内/室外空气质量监测如可吸入颗粒物（PM2.5）、二氧化氮、臭氧、细颗粒物（PM2.5）、一氧化碳、二氧化硫等至关重要，因为它会影响我们的健康。不同的材料体系被广泛地研究，包括金属氧化物半导体、纳米金属氧化物、聚合物传感、碳材料、用于检测微粒子的纳米电容器阵列等。天然气传感器市场由美国主导，其次是欧洲，预计到2027年将增长超过30亿美元。低排放汽车（混合动力或全电动）将减少污染和对石油的依赖。除气敏技术外，利用电化学传感器进行水质监测也发展迅速。新型材料的研究、高集成传感器和软件的开发将环境传感技术发展成为一种易于操作和便携的系统。

5 农业食品传感器

通过限制温室气体的排放量和提高二氧化碳从大气中去除的速度来降低未来气候变化的程度，是一项重大的全球挑战。至2050年，全球人口预计将达到100亿人，关键的挑战是如何用越来越有限的资源可持续地生产粮食。根据《联合国气候变化框架公约》，发达国家有望在实现温室气体排放的大幅减少方面发挥主导作用。林业、农业和其他土地利用部门的二氧化碳排放量占全球总量的24%，因此，为了减少对气候变化的影响，显然需要有一个强有力的、可实现的缓解战略，降低这些部门的排放。这需要对新的数字技术进行投资，以智能监测传感器为助力，确保生产系统的可持续性，同时确保上述行业的经济、社会和环境效益最大化。

水路生物多样性和水质同时也增加了产量。这就要求社会及有关部门对生物的智能传感监测系统和基于科学的研究项目进行投资，以开发解决目前生产系统中被国外限制的尖端技术。当前，我国社会面临的一个关键挑战是很难将科学研究转化为商业回报，需要改进向供应链上所有参与者的知识转移，具有具备吸收新研究和创新能力的私营企业参与，并使新的研究成果得以转化进而形成商业产品并将其推出。

6 总结与展望

智能传感器的关键挑战仍然是开发适合最终应用目的的智能传感器系统。为此，传感器的开发、集成和封装需要由用户指定的问题来驱动。表1为传感器未来10年在技术发展中面临的主要挑战，其对灵敏度、选择性、可重复性、鲁棒性、精度和准确性方面等不同传感方法的改进提出了关键要求。边缘分析和边缘人工智能将是关键，不仅可以降低功耗，而且是实现这些要求的必要条件。将新兴的研究设备和系统从实验室成功地转化为现实世界的产品，即提高技术成熟度水平，将需要对新的和适当的基础设施试验台进行投资，并开发早期采用者/社会科学家生态系统。关于本文所述的挑战，可以预见纳米技术的使用将提高所有概念的总体性能。采用创新的电源管理电路、能源存储和发电，将提高部署的效率。虽然它承认“一刀切”的方法是不可能的传感器融合，明智的材料选择，加上最合适的传感模式和转导机制，再加上边缘分析，将为未来的传感挑战提供一条成功解决的途径。最后，必须开展对颠覆性传感方法和技术的研究，如量子传感器，为迄今为止未解决的挑战提供解决方案。预计非COMS纳米技术和新兴材料科学的研究将推动功能性、特异性/灵敏度和鲁棒性的提高。材料、加工和颠覆性技术的发展，将使越来越多的可能的应用和产品进入市场。

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