近10年，智能手機、智能手錶、無人機等技術迅速進入我們的生活，而未來10年，各種可穿戴設備、物聯網設備、機器人、自動駕駛等將融入我們的生活。
這其中，作為這些科技的技術基石之一，感測器技術既推動著科技的發展，而這些科技也重新定義了對未來感測器技術的需求：更微型、更集成、更智能、更低功耗……
未來，哪些技術推動著感測器繼續往前發展？本文總結了感測器發展的8大關鍵技術，或許有所啟發。
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1、採用新原理、新效應的感測技術
感測器是眾多高科技的結晶，是眾多學科知識交叉的成果，我們基於各種物理、化學、生物的效應和定律，開發了力敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等敏感元件後，形成了今天全球多達2.6萬餘種感測器種類。
因此，開發具有新原理、新效應的敏感元件和感測元件，並以此研製新型感測器，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化感測器的重要途徑。
以慣性感測器為例，慣性感測器是應用慣性原理和測量技術，檢測和測量加速度、傾斜、衝擊、振動、旋轉和多自由度（DOF）運動的感測器，由加速度計和陀螺儀組成的慣性系統可實現對載體位置及運動信息的實時監測。
不同類型的陀螺儀，由不同的物理原理驅動，如機械式乾式、液浮、半液浮、氣浮角速率陀螺，撓性角速率陀螺，MEMS 硅、石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺）等，主要是利用科里奧利效應（Coriolis effect，指一種在旋轉坐標系中移動的物體發生偏轉的現象（科氏力正比於輸入角速率）。
而在於光纖角速率陀螺、激光角速率陀螺等感測器技術，主要利用另一種原理：薩格納（Sagnac）原理，也稱薩氏效應（相位差正比於輸入角速率）。
這些新原理、新效應對促進感測技術發展，以及開拓更多感測器應用領域起到關鍵作用。
同時，交叉學科新技術，也對感測技術發展起到重要作用。譬如集成電路技術對感測器的發展，在MEMS感測器中，高性能專用集成電路（ASIC）可將成千上萬的晶體管電路集成於一塊晶元，降低環境因素及寄生參數對感測器性能的影響，大幅度提升 MEMS 感測器的精度。
▲MEMS聲學感測器構造圖（來自歌爾微招股書）
量子感測器是量子技術的重要應用場景之一，此前，美國國家科學和技術委員會(NSTC)就發布了關於量子感測器的國家戰略《將量子感測器付諸實踐》（詳情可參看《地球最強科技大國發布量子感測器戰略，寫了4個字：國家利益！》內容。）
利用量子力學中的有關效應，可設計、研製量子敏感器件，像共振隧道二極體、量子阱激光器和量子干涉部件等，具有高速（比電子敏感器件速度提高 1000倍〕、低耗（比電子敏感器件能耗降低 1000 倍）、高效、高集成度、經濟可靠等優點。
而納米電子學的發展，也將會在感測技術領域中引起一次新的技術革命。利用納米技術製作的感測器，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，納米感測器是站在原子尺度上，從而極大地豐富了感測器的理論，推動了感測器的製作水平，拓寬了感測器的應用領域。
2、感測器微型化和晶元化技術
感測器微型化和晶元化技術，主要有MEMS工藝和新一代固態感測器微結構製造工藝等，其中，MEMS工藝已在感測器廣泛應用。
微機電系統（MEMS）是集微機構、微感測器、微執行器、控制電路、信號處理、通信、介面、電源等於一體的微型系統或器件，是對微/納米材料進行設計、加工、製造、測量和控制的技術。
MEMS 材料包括功能材料（通常是以硅為主體的半導體材料）、結構材料（如壓電材料、超磁致材料、光敏材料等）和智能材料（以形狀記憶合金為主）。
MEMS 工藝的關鍵技術包括：深反應離子刻蝕、LIGA 技術、分子裝配技術、體微加工、表面微加工、激光微加工和微型封裝技術等。
其中，硅微機械加工工藝是 MEMS 主流技術，它是一種精密三維加工技術，是研製感測器、微執行器、微作用器、微機械系統的核心技術，已成功用於製造各種微感測器以及多功能的敏感元陣列，如微硅電容感測器、微硅質量流量感測器，航空航天用動態感測器、微感測器，汽車專用壓力、加速度感測器，環保用微化學感測器等。
深反應離子刻蝕（DRIE）是 MEMS 結構加工的重要工序之一，主要用於多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜及金屬膜的刻蝕，屬一種微電子干法腐蝕工藝。
LIGA 技術即光刻、電鑄和注塑，是利用深度 X 射線刻蝕，通過電鑄成型和塑料鑄模，形成深層三維微結構的方法。
▲MEMS陀螺儀結構
當前，為了適應 MEMS 技術的發展，已開發了許多新的 MEMS 封裝技術和工藝，如陽極鍵合、硅熔融鍵合、共晶鍵合等。MEMS 封裝通常分為以下幾個層次：裸片級封裝、器件級封裝、硅圓片級封裝、單晶元封裝和系統級封裝。
單晶元封裝（SCP）屬於器件級封裝的範疇，是指在一塊晶元上製作保護層，將易損壞的元器件和電路屏蔽起來，避免環境對其造成不利的影響，並製作有源感測器/制動器的通路，實現與外部的電接觸，以滿足器件對電、機械、熱和化學等方面的技術要求。
多晶元組件（MCM）是電子封裝技術的一大突破，屬於系統級封裝。MCM 把兩個及以上的 IC/MEMS 晶元或 CSP 組裝在一塊電路板上，構成功能電路板，即多晶元組件，為組件中的各個晶元（構件）提供信號互連、I/O 管理、熱控制、機械支撐和環境保護等。MCM 具有在同一襯底上支持多種晶元的能力，而不需要改變 MEMS 和電路的製造工藝。
3、感測器陣列和多感測參數複合的集成技術
此類集成技術，包括集成工藝和多變數複合感測器微結構集成製造工藝，工業控制用多變數複合感測器等，如壓力、靜壓、溫度三變數感測器，氣壓、風力、溫度、濕度四變數感測器，微硅複合應變壓力感測器，陣列感測器。
集成化是指多種感測功能與數據處理、存儲、雙向通信等的集成，可全部或部分實現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，具有低成本、高精度信息採集、可數據存儲和通信、編程自動化和功能多樣化等特點。
感測器集成化有兩種：一種是通過微加工技術在一個晶元上構建多個感測模塊，組成線性感測器（如 CCD 圖像感測器）；一種是將不同功能的敏感元器件製作在同一矽片上，製成集成化多功能感測器，集成度高、體積小，容易實現補償和校正。
微加工技術和精密封裝技術對感測器的集成化有重大的影響。
多感測器信息融合綜合了感測器應用技術、數據處理技術、計算機軟硬體技術和工業化控制技術。
它採用計算機技術進行分析，消除多感測器信息之間可能存在的冗餘和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，具有容錯性、互補性、實時性、經濟性等優點。
4、感測器數字化和智能化技術
智能化技術與智能感測器信號有線或無線探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊、自診斷等智能化技術；智能多變數感測器，智能電量感測器和各種智能感測器、變送器。
數字感測器包括調節和處理信號的電路及一個網路通訊的界面。它們通常以模塊形式製成，包含感測器、DSP（數字信號處理器）、DSC（數字信號控制器）或 ASIC（特定用途集成電路），另外也有以系統封裝或系統晶元的方式製成。用於驅動數字輸出的電子元件通常有三種：機械繼電器、晶體管和雙向 FET 器件。
智能化感測器是指採用硬體軟化、軟體集成、虛擬現實、軟測量等人工智慧技術研發的具有擬人智能特性或功能的感測器，同時是一種具有獨立探測和信號處理與轉換能力的、能夠自檢的、有通信功能的主動式感測系統。
智能感測器的典型代表是高性能的智能工業變送器。如日本橫河電機的 EJA系列智能變送器，ABB 公司的 MV2000T 系列多功能差壓/壓力變送器，Rosemount公司的 3095MV 多參數質量流量變送器，分別採用硅諧振感測器、複合微硅固態感測器和高精度電容感測器作為敏感元件，精度達到 0.1075%，具有很高的穩定性和可靠性，十年內不用調零。
5、感測器的強環境適應性技術
我們知道，從汽車到工業，從醫療到航空航天，從家電到測試和測量，感測器無處不在，很多行業應用都對感測器的環境適應性有著很高的要求。譬如，2004年被用於火星探測車「勇氣號」和「機遇號」的德國某公司生產的磁阻感測器，能在+270℃到-133℃的溫度範圍之內正常工作。
感測器產品的強環境適應性測試包括電氣安全實驗、失效分析實驗、腐蝕性氣體實驗、環境性能實驗、材料實驗等。
感測器封裝材料與技術的進步，使得感測器的環境適應能力越來越強。
金屬基複合材料封裝（AI/Si Cp），通過改變增強體的種類、排列方式或改變基體的合金成分，或改變熱處理工藝等，來實現材料的物理性能設計；或者通過改變熱處理工藝，來改變基體與增強體的界面結合狀況，進而影響材料的熱性能。該類材料熱膨脹係數較低，既能做到與電子元器件材料的熱膨脹係數相匹配，又具有高導熱性和低密度。
塑料封裝 90%以上使用環氧樹脂，具有大規模生產、可靠性與金屬或陶瓷材料相當的優點。經過硫化處理的環氧樹脂還具有較快的固化速度、較低的固化溫度和吸濕性、較高的抗濕性和耐熱性等特點。
陶瓷封裝是用粘接劑或焊料將一個或多個晶元安裝在陶瓷底板或管座上，採用倒裝焊方式與陶瓷金屬圖形層進行鍵合，再對封裝體進行封蓋密封，同時提供合適的電氣連接。
陶瓷具有很高的楊氏模量、較高的絕緣性能和優異的高頻特性，有良好的可靠性、可塑性且易密封，其線性膨脹係數與電子元器件的非常相近，化學性能穩定且熱導率高，被用於多晶元組件、焊接陣列等封裝中。
6、無線感測器網路技術
無線感測器網路（WSN），是由大量靜止或移動的具有感知、無線通信與計算能力的感測器構成的多跳自組織網路系統，能根據環境自主完成指定任務。
大量感測器通過網路構成分散式、智能化信息處理系統，從多種視角、以多種模式協作地對網路覆蓋區域內的事件、現象和環境實時進行監測、感知、採集、分析，獲得豐富的、高解析度的信息，並對這些信息進行處理和傳輸，發送給觀察者。
感測器、感知對象和觀察者構成了無線感測器網路的三個要素。無線感測器網路（WSN）包含感測器單元、控制器和無線通信模塊，實現數據採集、近距離通信、數據計算和遠距離無線通信等功能。
WSN 綜合了感測器技術、嵌入式操作系統技術、分散式信息處理技術、無線通信技術、能量收集技術、低功耗技術、多跳自組織網路的路由協議、定位技術、時間同步技術、數據融合和數據管理技術、信息安全技術、網路傳輸技術，關鍵是克服節點資源限制（能源供應、計算及通信能力、存儲空間等），並滿足感測器網路擴展性、容錯性等要求。
該技術被美國麻省理工學院（MIT）的《技術評論》雜誌評為對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術之首。
7、感測器數字通信匯流排技術
現場匯流排技術是一種集計算機技術、通信技術、集成電路技術及智能感測技術於一身的新興控制技術，是安裝在製造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串列、多點通信的數據匯流排，是一種全數字化、開放式、雙向傳輸、多分支、多站的通信系統，是現場通信網路和控制系統的集成。
▲基於現場匯流排的智能感測技術簡圖
現場匯流排的關鍵標誌是支持全數字通信，在控制現場建立一條高可靠性的數據通信線路，實現各智能感測器之間及智能感測器與主控機之間的數據通信，把單個分散的智能感測器變成網路節點。
現場匯流排智能感測器需有以下功能：共用一條匯流排傳遞信息，具有多種計算、數據處理及控制功能，從而減少主機的負擔；取代 4-20mA 模擬信號傳輸，實現傳輸信號的數字化，增強信號的抗干擾能力；採用統一的網路化協議，成為 FCS的節點，實現感測器與執行器之間信息交換；系統可對之進行校驗、組態、測試，從而改善系統的可靠性；介面標準化，具有即插即用特性。
現場匯流排智能感測器是未來工業過程式控制制系統的主流儀錶。
8、感測器的應用技術
感測器的應用技術是指將感測器應用於下游器件、場景的各種技術的統稱，單獨的感測器往往並不能發揮應有的作用。
這些技術包括：信號處理和介面技術；降噪與抗干擾技術；顯示與調節儀錶；測量及誤差處理；感測器的選擇與安裝調整技術；位移、力、扭矩、荷重、速度、加速度等機械量的檢測技術；溫度、壓力、流量、物位等過程量的檢測技術；濕度檢測與氣體分析技術；探測、成像與安全防範技術；智能化與自動測試技術；接近感測器、壓力感測器、感應同步器的安裝技術；紅外、超聲波、微波探測防盜報警器的安裝技術等等。
對於消費類應用來說，傳感器融合的主要技術難度是如何控制產品的尺寸，合理測試每個感測器的性能，控制整個晶元的良品率並降低成本。
對於工業、軍工、汽車、醫療等領域的感測器融合來說，還要考慮如何保證在各種工作情況下的精度、可靠性，利用融合的特性來實現感測器之間的補償校正等。
感測器電路的內部雜訊包括電路板電磁元件干擾、低頻、高頻熱、半導體器件散粒晶體管、電阻器、集成電路雜訊等，外部干擾包括電源、地線、長線信號傳輸、空間電磁波等。
因此，在電路設計中需要根據不同的工作頻率合理選擇低噪半導體元器件，並根據不同的工作頻段、參數選擇適當的放大電路。
結語
我國中高端感測器90%以上需要進口，感測技術已成為我國亟需解決的關鍵卡脖子領域之一。感測器雖小，但其背後卻撬動著工業自動化、機器人、自動駕駛、物聯網等等數萬億級的市場，是真正關係國計民生的關鍵技術領域！
文中的8項感測器關鍵共性技術，是未來感測技術發展的重要基石，透過這些技術方向，搶佔產業發展主導權，縮小我國與國外感測器技術差距。
但同時，我們更應注意到，我國感測產業里技術與產業脫節的情況，即技術研發在高校在研究所，而落實感測器產業發展的是廣大中小感測器企業，如何將實驗室里的技術與廣大中小感測器企業聯合，做好技術產業化，與感測器技術的研發同樣重要。
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