每年69億美元搞傳感器基礎研發！美國國家科學基金會發布：傳感器革命

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發布時間： 2023-04-13 08:33 更新時間： 2024-12-20 13:30

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據工信部電子元器件行業發展研究中心總工程師、中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長郭源生介紹，美國每年度財政預算約有69億美元，用于傳感器基礎技術與應用研究，稱其為“Sensor Revolution”（即：傳感器革命）。

美國國家科學發展基金會認為：

“80年代個人電腦把運算簡化到人們手指尖上；90年代互聯網技術把人們對信息的需求通過網絡變得全球化；本世紀的重大變革就是：通過網絡，把物質世界聯接起來，并賦予它一個電子神經系統，使它具有能夠感知信息的生命，而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。

本文即翻譯自美國國家科學基金會（簡稱NSF）作為特別報告發布的《傳感器革命》（The Sensor Revolution），NSF是美國獨立的聯邦機構，相當于中國國家自然科學基金委員會，擔負著促進國家科學進步的責任。

同時，NSF是美國大學、機構和智庫基礎研究的*大資金來源之一，因此NSF影響著美國基礎科學的研究動向。值得注意的是，《傳感器革命》發表于19年前的2004年，以每年約69億美元的投入粗略計算，在傳感器基礎技術與應用研究上美國至少投入了超過1300億美元（約8937億人民幣）。

美國今天能在全球傳感器產業中占據*高份額，與其高度重視不無相關。我們今天仍未對傳感器的關鍵作用有清醒的認識，沒有足夠的重視，這為我們敲響警鐘。

概述

在20世紀80年代，個人電腦革命將計算機置于我們的指尖。20世紀90年代，互聯網革命用網絡將我們與橫跨地球的另一端聯系在一起。

現在，下一場革命是將互聯網連接回現實中，我們生活在一個物質世界里，這是世界上第一個電子神經系統，我們稱之為傳感器革命：大量的設備以我們幾乎無法想象的方式監控我們周圍的環境，其中一些現在已經實現，其他的也將實現。

環境與民用基礎設施

無線濕度傳感器網絡監測偏遠森林的火災危險，硝酸鹽傳感器探測河流、溪流和井中的農業污染，而分布式地震傳感器為地震提供預警系統。同時，內置應力傳感器報告橋梁、建筑物和道路以及其他人造建筑物的結構完整性。

工商業

在工廠地面上，聯網的振動傳感器警報機器軸承開始出現故障，安排工人夜間維護，防止損失巨大的突然停機。在冷藏雜貨車內，溫度和濕度傳感器監測單個容器，減少易碎魚類或農產品的變質。

健康

嵌入衣服中的傳感器與其他體內傳感器聯網，持續監測我們的生命體征。對于即將發作的心臟病或危險的高血壓疾病，需要進行早期醫療干預。糖尿病患者血糖水平的飆升，由微型傳感器持續監測，觸發輸液泵輸送胰島素，完美模擬健康的胰腺作用。

安全和安保

消防隊員將無線傳感器分散在整個燃燒的建筑中，以繪制熱點和火焰。同時，傳感器提供緊急通信網絡。醫院、郵局和運輸中心的微型化學和生物傳感器在炭疽、天花、蓖麻毒素或其他有疑似恐怖分子出現的跡象時，就會發出警報。

傳感器技術：力量的匯聚

傳感器是任何能夠接受刺激（如熱、光、磁或暴露于特定化學物質）并將其轉換為特定信號的設備。

傳感器已經存在很長時間了，例如天平——重量傳感器——至少在9000年前就被蘇美爾人使用了。

溫度計——溫度傳感器是16世紀末伽利略等人開發的。幾十年后，伽利略的助手托里切利（Torricelli）發明了氣壓計——壓力傳感器。

*近，科學家和工程師們發明了用于感應光（光電管）、聲音（麥克風）、地面振動（地震計）和力（加速度計）的設備，以及用于磁場和電場、輻射、應變、酸度和許多其他現象的傳感器。

從我們在機場通過的金屬探測器到保護我們家園的煙霧探測器，我們的現代文明完全依賴于傳感器。雖然傳感器的概念并不新鮮，但傳感器技術正在經歷一場快速的變革。

事實上，曾經徹底改變世界的計算機、電子通信以及生物技術行業的趨勢，正在傳感器上展現：

1、更小：

納米技術和微機電系統（MEMS）等領域的快速發展促進了傳統傳感器的微型化，而且啟發了基于全新原理的傳感器的發明。

美國加州理工學院的化學家內森·S·劉易斯（Nathan S. Lewis）及其同事開發的電子鼻就是一個例子。另一種是懸臂梁傳感器，在國家科學基金會通過其納米技術優先領域資助的許多項目中，以及XYZ芯片項目等，還可以找到其他類似項目。

2、更智能：

微電子技術的能力呈指數級增長，使得制造具有內置“智能”的傳感器成為可能，至少在原則上，今天的傳感器可以存儲數據和處理數據，只選擇*相關和*關鍵的信息進行報告。

3、移動化程度更高：

無線網絡技術的迅速普及增強了聯系，如今，許多傳感器從遠方發回數據，無論它們正在進行什么運動。

然而，隨著這些力量的匯聚，傳感器對研究人員和社會都提出了嚴峻的新挑戰。

傳感器技術：野外生存

下一代傳感器需要由堅固的材料制成。畢竟，許多潛在應用場景需要大量的傳感器，這些傳感器分散在廣泛的目標區域內，因此不可能單獨使用。

同時，這些設備必須在沒有電源插座、沒有寬帶電纜連接、沒有技術支持，甚至有可能被浸泡、烘烤、冷凍、掩埋、踩踏、或者吃掉的地方，需要一次獨立運行數天、數周或數月。

這就帶來了一些令人棘手的工程挑戰，其中*困難的是電源：許多廉價且批量生產的傳感器是一種電池空間很小的傳感器。這就是為什么工程師們經常安排讓這些設備將在大部分時間中都處于睡眠模式下，在睡眠模式下，它們可以僅靠*微弱的電能工作。

傳感器只需要偶爾醒來一小段時間，就可以快速讀取儀器數據，如果需要的話，還可以回傳一些數據。

▲這種“智能塵埃”微塵是一種檢測環境光和加速度的傳感器，并包含一個用于通信的微型無線電天線（十字）（來自加州大學伯克利分校傳感器和致動器中心）

另一個挑戰是將這些信息帶回總部。在沒有互聯網的野外，*新的傳感器可以通過有效的無線網絡技術將數據從一個傳感器傳遞到另一個傳感器，形成自己的網絡。

但這聽起來很困難。一方面，連接通常限于非常低的功率、非常短的距離和非常低的數據速率。更糟糕的是，如果傳感器連接到車輛或動物上，它們將經常需要四處移動，并且有嚴重的環境噪聲干擾。

這就是為什么許多工程師都在強調自組織網絡（ad hoc networks），在這種網絡中，傳感器被編程尋找附近的傳感器，并在沒有人工干預的情況下自己形成網絡鏈接。如果這些鏈接中的任何一個被阻止或斷開，傳感器將自動尋找新的鏈接來替換它們。

此外，還有社會倫理方面的挑戰。例如，起到隱私保護的**方式是什么，這樣新一代傳感器就不會成為不良分子的工具？如何建立同樣強大的安全保障措施，使黑客無法竊聽無線數據流？

美國國家科學基金會資助的研究人員正在尋求解決所有這些挑戰的方法，并尋求獲得其他機構和行業研究人員的支持。

盡管如此，已經有許多傳感器技術支持大量應用。請繼續閱讀環境與民用基礎設施、工業與商業、健康與安全與安保方面的更多例子。

傳感器應用：環境和民用基礎設施

為了跟蹤沙漠、森林、海洋或大氣中不斷變化的氣象，環境傳感器必須穿越大雪、暴雨、酷熱和黑夜傳遞信息。

連接在橋梁、公路和其他結構上的傳感器如果需要在颶風和地震中發揮作用，將面臨類似的極端條件或更糟的情況。NSF資助的研究人員正在開發新的傳感器，可以在這些環境中可靠工作。他們還在傳感器系統方面努力工作，設計和部署傳感器網絡，為民用和環境監測帶來前所未有的細致數據。

在森林中植入傳感器

在加州大學洛杉磯分校嵌入式網絡傳感中心（CENS），William Kaiser 監測加利福尼亞州圣哈辛托山脈的脆弱生態系統。

通過將固定數據采集站和移動“信息機械系統”聯網的方式，Kaiser 的研究小組正在密切關注詹姆斯保護區（James Reserve），該保護區是50種瀕危物種的家園。

▲在華盛頓州，一個機器人傳感器組件懸掛在兩個樹梢之間。該儀器可以沿電纜上下移動，提供圖像和**的當地氣候數據。來源：加州大學洛杉磯分校嵌入式網絡傳感中心

該組織的移動設備沿著從一棵樹到另一棵樹的導線移動，部署傳感器，在森林地面以上不同高度測量溫度、濕度和光照水平。這些設備由太陽能電池組供電，*終將包括100個站點的網絡中，通過一個個節點傳遞數據。

該中心主任黛布拉·埃斯特林（DebraEstrin）和她的同事開發了協議和數據管理技術，使這種特殊的無線傳感器網絡，能夠在功率限制、不穩定的傳輸環境和不斷變化的節點數量等阻礙傳統網絡傳輸的情況下運行。

這些類似的傳感器網絡也被用于其他CENS項目，例如監測鳥類的筑巢棲息地，跟蹤農場通過沉積區流入河流的肥料污染。

建筑感知

加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員在Factor Health Sciences Building 的校園里建立了一個嵌入式傳感器網絡，他們必須調整自己的技術以應對一系列新的挑戰。

大樓的17層鋼框架對傳感器的無線傳輸網絡造成嚴重破壞。（想象一下在電梯里使用手機。）他們為該結構的可靠運行而開發了新的通信協議，幫助他們從連接到建筑物和橋梁的應變和振動傳感器收集數據，這是一種稱為結構健康監測的應用。

▲新墨西哥州阿爾伯克基市外的里奧普爾科大橋是用嵌入式光纖傳感器建造的，用于監測和磨損。

橋梁和公路感知

新墨西哥州立大學（NewMexico State University）的羅拉·伊德里斯（Rola Idriss）等土木工程師預計，有一天，嵌入在橋梁和道路上的傳感器，會在人類檢測人員發現異常磨損之前，定期報告其健康情況。與人類醫療保健一樣，早期發現結構性健康問題可以進行早期干預，*終節省資金，延長壽命，提高安全性。

伊德里斯（Idriss）和她的同事在國家科學基金會和聯邦公路管理局的支持下，在拉斯克魯斯州國際10號公路上一座20世紀70年代的橋梁上安裝了120個光纖傳感器。光纖傳感器為大學研究人員提供連續的數據流，記錄橋梁對交通、天氣和時間破壞的情況。

新墨西哥團隊對阿爾伯克基附近的新里約熱內盧-普爾科大橋（new Rio Puerco bridge）寄予了更高的期望，這是一種創新的高性能混凝土設計，在其橫梁上安裝了大量傳感器。

團隊將橋梁使用期間從內部傳感器獲取的數據，與標準檢測技術獲取的信息進行比較，將有助于他們制定更有效的監測和維護程序。

傳感器應用：工商業

從盤式制動器到磁盤驅動器，美國工業依賴其產品和工廠中的傳感器。通過采用新的傳感器技術，制造商可以為其產品帶來新的能力，同時提高性能和效率。同時，工業傳感器通過提高產品質量和減少停機時間，幫助保持美國工業的競爭力。

道路上的傳感器

在今天的汽車中，轉速傳感器將四個車輪的數據傳送到防抱死剎車系統（ABS）和牽引力控制系統。

燃燒和抗爆傳感器可幫助發動機計算調整燃油混合物，即使負載和條件發生變化，也能實現高效、清潔的燃燒效果。

碰撞感應加速計可以微妙地分析碰撞的真實性，使汽車的安全氣囊能夠以*小的沖擊力釋放。

▲安全氣囊展開由**但廉價的加速計控制，加速計是一種檢測突然碰撞的傳感器。這些器件是應用*廣泛的微機電系統（MEMS）中的一個領域。來源：美國公路安全保險協會

在過去幾年中，每輛車的傳感設備數量翻了一番，并且隨著復雜但廉價的傳感器越來越普及，傳感器數量也在不斷增加。

韋恩州立大學（WayneStateUniversity）的Le YiWang等工程師幫助汽車設計師優化傳感器數據。楊教授正在研究如何融合多個傳感器的信息，以有效控制發動機和動力系統，即使單個傳感器提供的數據不完善。

遠處的庫存

射頻識別（RFID）是發展*快的傳感器技術。RFID系統將電磁感應與無線電通信相結合。RFID標簽和Interrogators可用于跟蹤倉庫中的庫存或收集移動車輛的通行費。

德州儀器公司（TI）為新的半導體制造線配備射頻發射器，并在每一個載波上貼上ID標簽。晶圓流水線完成的每一個加工步驟現在都可以記錄在中心數據庫中，同時*大限度地減少人員搬運和相關污染。

加州大學伯克利分校的Vivek Subramanian等研究人員正在研究降低成本和提高RFID標簽功能的方法。他們預測有一天電子標簽在日常商業中將取代條形碼。

▲一塊硅晶圓上制造可以一次制造幾十個這樣微校的壓力傳感器。來源：密歇根大學NSF無線集成微系統工程研究中心

學校里的傳感器

在麻省理工學院，哈里·巴拉克里希南（HariBalakrishnan）、塞思·泰勒（SethTeller）、埃里克·德梅因（ErikDemaine）和邁克爾·斯通布雷克（MichaelStonebraker）都有宏偉的計劃。

他們將全球定位系統（GPS）、射頻標簽和超聲波信標相結合，以“激活”麻省理工學院校園。他們設想將該系統用于從監測和維護實體工廠到清點圖書館資產，再到幫助訪客在校園內找到自己的路等所有方面。

▲綁在跑步者鞋帶上的射頻識別標簽（插圖）準確記錄了每位參賽者穿過起跑線和終點線的時間，即使在人群中也是如此。來源：ChampionChip World

傳感器應用：健康

傳感器在醫療保健和診斷的每個階段都有應用。

醫生現在正在進行臨床測試，這些測試幾年前才被送到實驗室。檢測結果可以立即獲得，而且成本更低。

無線可穿戴傳感器可以在家中對老年人或慢性病患者進行持續監控。在緊急情況下，即使有多人傷亡，無線患者監護網絡仍然可以在急救人員和醫院急診室之間快速準確地傳輸信息。

皮下成像

在波士頓東北大學NSF地下傳感和成像系統中心（CENSIS），研究人員正在使用“基于物理的成像”方法從地下傳感技術中提取*大可用信息。

東北大學、波士頓大學和倫斯勒理工學院的科學家和工程師將*先進的制造技術與復雜的物理模型相結合，創造出能夠“穿透”皮膚、水或其他組織和液體的儀器。

他們正在使用這種方法來改進乳房X光檢查，并通過對胚胎的內部檢查來提高體外受精的成功率。它同樣適用于非醫學問題，如地雷探測和珊瑚礁監測。波多黎各大學馬亞圭茲分校正在研究這一應用程序。

▲一系列微小的金屬針可以抽血用于血糖監測或其他診斷測試，比普通針（顯示為對比信息）疼痛更小，來源：喬治理工學院

視覺修復

在韋恩州立大學，網絡無線傳感器實驗室的羅蘭·施維伯特（Loren Schwiebert）和他的同事正在利用他們的技術幫助視力受損者。

他們設計的人工視網膜和皮質植入物將信號從外部攝像頭傳輸到眼睛的感知神經。小組使用視網膜修復術來幫助患有視網膜炎、黃斑變性或其他疾病的患者，在這些疾病中，眼睛自身的傳感器（視桿和視錐）被破壞，但潛在的視網膜結構是完好的。

當視網膜本身受損且對電刺激無反應時，他們使用皮質植入物代替。Schwiebert 正在研究這些系統的網絡協議和電源管理，這些系統不能依賴內部電源，因為植入的電子設備必須通過無線電鏈路與高帶寬視頻數據一起供電。

早期心臟病預防

路易斯維爾大學（University of Louisville）的研究人員Kyung Kang和他的同事Chang Ahn在辛辛那提大學（University of Cincinnati）使用MEMS加工方法制造微流控設備，可以同時執行四個單獨的生化分析。通過同時測量四個心臟標記物，他們希望改善對疑似心臟病發作患者的護理。

Case Western Reserve University電氣工程師Darrin Young有另一種改善心臟健康的方法。Young的團隊正在研究用于心率、血壓和溫度的藥丸大小的植入式傳感器。

Young與Case醫學院的遺傳學家約瑟夫·納多（JosephNadeau）合作，希望能識別高危患者，在他們心臟病或癲癇發作前的關鍵階段被發現。

▲微型無線傳感器監測急診患者的心率、血氧水平和其他生命體征。傳感器數據被捕獲到一個記錄中，可以通過一個安全的無線網絡訪問該記錄，從而在每個階段幫助醫療決策者，從急救人員到救護車技術人員再到急診室醫生。來源：哈佛大學

護理阿爾茨海默癥

西北大學化學家Richard van Duyne 和神經生物學家 William Klein 的傳感器研究可能會使阿爾茨海默病患者受益。Van Duyne的研究小組利用表面等離子體共振來檢測分子附著時傳感器電子特性的微小位移。

通過微調傳感器的表面化學性質，可以研究不同分子的附著特性。克萊因有一個理論，稱為淀粉樣β衍生擴散配體（ADDL）的小蛋白是阿爾茨海默病病理學的關鍵因素，因此他與范杜因實驗室的研究人員合作開發了PSPR傳感器，用于監測ADDL與其抗體的結合。

傳感器應用：安全與安保

家用煙霧和一氧化碳探測器很常見；運動監測器觸發泛光燈照亮車道和停車場；金屬探測器和生物危害監測器守衛著港口和交通樞紐。泄漏傳感器保護工廠工人免受危險化學品的傷害。

我們的家庭、公共空間和工作場所的安全取決于快速感知危險并及時發出警告。在國家科學基金會資助下開發的新傳感技術，以及從分布式傳感器系統收集和處理數據的新方法，支持國家努力提高可靠和準確評估威脅安全狀況的能力。

納米技術傳感器

在西北大學納米尺度科學與工程中心（NSEC）的集成納米圖案化和檢測技術領域，化學家兼中心主任查德·米爾金（Chad Mirkin）使用蘸筆光刻技術在硅襯底上沉積“鎖定”生物分子。Mirkin和他的同事們只寫了幾納米寬的分子圖案，然后將修飾過的基底暴露在含有“關鍵”分子的溶液中。他們能夠觀察到兩者之間的結合，既具有高度的敏感性，又具有高度的特異性。

傳感器能夠檢測微小的有害物質。同樣的傳感器框架也可以通過改變分子“墨水”來適應，而分子“墨水”的模式是電子技術學家對傳感器發展的看法。

人造鼻

Nate Lewis的工作展示了一種不同于感知化學或生物制劑的方法。Lewis的技術使用了一組傳感器，每一個傳感器都感測的不是一個高度特異的分子，而是一組相關的化合物。

他利用計算機技術將來自幾個不同傳感器的信號進行融合，并將結果與已知的反應進行比較，從而創造出一種可以嗅出微量各種化學物質的人工鼻。

▲這些玻璃纖維是靈活耐用的中子和γ射線傳感器，應用于國家安全、醫學和材料研究。來源：太平洋西北國家實驗室

掌上實驗室

無線集成微系統中心（WIMS）是美國國家科學基金會（NSF）的一個工程研究中心，由微電子機械系統（microelectromechanical systems）先驅肯索爾·懷斯（Kensall Wise）領導，該中心正在整合制造可聯網、手表大小的化學分析儀所需的所有部件。來自密歇根大學、密歇根理工大學和密歇根州立大學的科學家和工程師參與了該項目，為微型儀器設計傳感器、泵、低功耗微處理器和射頻組件。

雖然WIMS的工作*終將成為許多不同類型傳感器和監測系統的一部分，但他們目前的工作集中在兩個試驗項目上：耳蝸植入和環境監測系統。

來自密歇根大學公共衛生學院的特德·澤勒（TedZellers）領導了一個團隊，該團隊設計了監控試驗臺，這是一種微尺度色譜儀，可以在國土安全應用或工業過程控制中同等有效地檢測有害氣體。

為了將化學分析的工作量縮小到1立方厘米，Zellers、Wise和他們的學生將一米長、100微米寬的色譜柱包裹成緊密的螺旋結構。他們設計和制造了微型泵、閥門和噴射器，以捕獲樣品氣體并通過儀器進行運輸。

他們構建的電子電路可以從電池中產生所有必要的電壓，并通過集成的微機械天線和射頻電路傳輸數據。在不影響性能的情況下，盡可能將尺寸和功耗降至*低。