标准化研究Standardization Research
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标准化研究
Standardization Research
压力传感器根据工艺和工作原理不同主要包括MEMS 压力传感器、陶瓷压力传感器、溅射薄膜压力传感器、微熔压力传感器、传统应变片压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电压力传感器、光纤压力传感器和谐振压力传感器等。
(1) MEMS 压力传感器
MEMS 压力传感器可分为压阻式和电容式两类，具有小型化、可量产、易集成等优点，是智能压力传感器的重要载体。汽车电子是MEMS 压力传感器的主要应用市场，在动力传动系统、安全系统、胎压监测系统、燃油系统等大量应用。消费电子是MEMS 压力传感器的第二大应用市场，主要应用于智能手机、无人机、可穿戴设备的高度计等。随着成本和功耗的降低，其在可穿戴设备、无人机和智能家居等领域需求迅速扩大。此外，MEMS 压力传感器在石油、电力、轨道交通工业过程控制和状态监测、航空航天气流压力检测等领域也广泛应用。
(2)其他压力传感器
从产品用量看，陶瓷压力传感器是除MEMS 压
力传感器外用量最大的种类，耐腐蚀的优点使其广泛应用于汽车电子和工业电子，如汽车的发动机系统、暖通空调系统等。溅射薄膜压力传感器和微熔压力传感器环境适应性较强，主要用于汽车电子和工业电子。传统应变片技术制作的压力传感器由于具备形状可变灵活应用的特点，目前在计量等一些有特殊要求的领域少量使用。此外，蓝宝石式、压电式、光纤式和谐振式压力传感器具备耐高温、耐恶劣环境等强环境适应性，一般多用于航空航天、石油勘探等领域。3.1.2 惯性传感器
惯性传感器是一种运动传感器，主要用于测量
物体在惯性空间中的运动参数[3]，依据敏感量的不同主要分为加速度计和陀螺仪两大类。
(1) 加速度计
加速度计按照自由度分为单轴、双轴、三轴加速度计，其中三轴加速度计市场占有率最高。加速度计和陀螺仪、磁力计多组合应用，构成惯性测量单元、电子罗盘等，以达到集成化、多功能的运动检测。加速度计的主要类型有MEMS 加速度计、石英挠性加速度计、压电加速度计和光纤加速度计。
a. MEMS 加速度计是智能加速度计的主要实现形式，消费电子是其最大的应用市场，广泛用于智能手机、可穿戴设备、无人机等。MEMS 加速度计在汽车的惯导系统、动力系统、防抱死刹车系统中也有着大量需求。
b.压电式加速度计具有测量范围广、耐高温、高频响等特点，主要用于工业过程测量控制、振动试验设备监测等。光纤加速度计的主要特点是一根光纤可布设多点，从而降低使用成本。石英挠性加速度计能达到较高的精度和稳定性，主要应用在航天航空的惯导制导等系统。
(2) 陀螺仪
陀螺仪按照工作原理和结构特点分为MEMS 陀螺、光纤陀螺、激光陀螺、压电陀螺、半球谐振陀螺等。同加速计类似，MEMS 陀螺是智能化陀螺仪的主要实现方式，其精度虽低于光纤陀螺、激光陀螺等高
图1
智能传感器产品体系架构
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端产品，但由于体积小、功耗低、易于数字化和智能化[4]，特别是成本低，易于批量生产，非常适合手机、汽车、医疗器材等大规模生产设备。
光纤陀螺、激光陀螺、压电陀螺、半球谐振陀螺等高精度陀螺用量小、成本高，主要用于航空航天等高端惯性领域[5]。
3.1.3 磁传感器
磁传感器是通过感测磁场强度、磁场分布、磁场扰动等来精确测量电流、位置、方向、角度等物理参数，广泛用于消费电子、现代工农业、汽车和高端信息化装备中。磁传感器主要实现技术包括霍尔技术(Hall Technology)、各项异性磁阻技术(AMR Technology)、巨磁阻技术(GMR Technology)、隧道结磁阻技术(TMR Technology)等。其中霍尔技术由于成本较低，是市场上大多数应用的优先选择，而AMR、TWR技术凭借其高灵敏度及精准度的优势，也逐渐拓宽其应用领域。
汽车市场是磁传感器最大的应用市场。磁传感器可用于位置和速度传感、开关控制、电流传感等，未来随着自动驾驶汽车可靠性要求的提高，动力总成系统和辅助无刷电机系统对磁传感器的可靠性提出了更高的需求。
磁传感器在工业控制、交通、智能家居、消费电子等领域的应用较汽车领域更为分散，且单价更高。但在可穿戴设备、无人机、机器人等新兴应用领域有着较高的市场潜力。
3.1.4 麦克风
近年来麦克风在智能终端的需求迅速扩大，核心技术发展方向包括语音识别、噪声消除、身份识别等。麦克风实现技术主要分为两类：MEMS麦克风和传统的驻极体麦克风(ECM)。
MEMS麦克风凭借微型化、低功耗等特性更好满足智能手机、智能音箱、智能耳机、机器人等应用的语音交互需求。相比之下，ECM尽管具有高信噪比、一致性好等特点，但成本优势渐弱。在全部智能传感器种类中，我国MEMS麦克风产业发展水平相对较高。3.1.5 光学传感器
光学智能传感器按照感测波段的不同分为可见光传感器、红外传感器等，其中图像传感器占据了最大的市场份额，也是智能传感器中价值较高的 产品。
汽车压力传感器(1)可见光传感器
可见光传感器主要包括化合物可见光传感器、硅PN结型可见光传感器和硅阵列型可见光传感器(即图像传感器)。其中化合物可见光传感器和硅PN 结型可见光传感器主要用于手机、电脑、仪表盘等显示设备的光线感知和自动调节，国内制造技术已较为成熟，年需求量在数亿只左右。
(2)图像传感器
图像传感器主要实现方式有CMOS和CCD两种技术，CCD技术具备成像质量高、灵敏度高、噪声低、动态范围大的优势，但由于成本较高、功耗大且读取速度较慢，主要用于航空航天、天文观测等成像质量需求较高的领域。CMOS图像传感器成本低、功耗低且读取方式简单，广泛应用于手机摄像头、数码相机、AR/VR设备、无人机、先进驾驶辅助系统、机器人视觉等领域。CMOS图像传感器在手机等移动设备广泛采用，制造商之间的竞争和差异化受到CMOS图像传感器的性能水平制约。
(3)红外传感器
红外传感器具有精度高、检测范围宽、不易受外界环境干扰等优点，随着技术的提高和成本的降低，在工业检测、疫情防控、智能家居、节能控制、气体检测、家庭安防等应用的需求迅速提升。红外传感器包括单元红外传感器、阵列红外传感器和焦平面红外传感器三大类别。
单元红外传感器主要为热传感器，成本较低使用简单，主要应用于自动感应、入侵报警、非散气体检测、工业测温、人体测温等领域。阵列红外传感器主要为热传感器，成本适中、可同时输出图像及温度数据。
焦平面红外传感器包括非制冷型和制冷型焦平面传感器(或称探测器)，非制冷型红外焦平面传感
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器具有体积小、重量轻、寿命长等特点，由于成本大幅降低，在工业测温热像仪、安防监控、汽车辅助驾驶等装备中大量应用，而制冷型焦平面红外传感器由于成本较高主要用于卫星等航空航天领域。3.1.6 温度传感器
目前国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。智能温度传感器技术发展方向为高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性等[6]。温度传感器的应用市场主
要有化工、石油天然气、消费电子、能源和电力、汽车电子、医疗保健、食品、金属矿业等。在医疗电子领域，随着先进的病人监护系统和便携式健康监测系统等技术的出现，对温度传感器的需求不断增加，小型化、高精度的温度传感器是推动医疗电子设备迅猛发展的巨大动力。在消费电子领域，温度传感器主要应用在如手机电池、笔记本主板、显示器、计算机微处理器的温度探测等通信类产品上。在汽车电子领域，温度传感器主要用于发动机、冷却系统、传动系统、空调系统等，其性能和可靠性水平对汽车的安全性、舒适性、智能性和节能性都有着重要影响。
3.1.7 指纹传感器
当前指纹识别等生物识别技术向着便捷、高效、低成本、微型化等方向发展，下游应用场景也从传统的门禁、考勤等领域向移动终端、智能家居、智能汽车等领域快速渗透。指纹传感器是指纹识别系统的核心模块，其通过采集指纹信息并同数据库中的指纹数据进行比对，达到指纹识别的功能[7]。
指纹传感器主要实现方式有三种：光学感应技术、电容感应技术和超声波感应技术。光学指纹传感器成本较低、体积较大，主要用于考勤机、门禁等设备。电容指纹传感器相对而言体积较小、精度较高，发出的信号能穿透手指表皮到达真皮层，获取的数据可靠性更强，是目前最为主流的指纹识别解决方案。超声波指纹传感器可以实现无接触的扫描指纹，精度不受污渍、油脂、汗水等影响，但由于成本较高，且目前技术和工艺尚未达到理想的穿透厚度，暂未在智能终端广泛使用。
3.2 化学量智能传感器
化学量智能传感器是指能够感受规定化学量并转换成可用输出信号的传感器，在智能传感器领域应用广泛的主要为气体传感器和颗粒物传感器。
在过去很长的一段时间，气体传感器与颗粒物传感器主要应用于工业生产领域，如石油、化工、钢铁、冶金、矿山等。随着互联网与物联网的高速发展，气体传感器在智能家居、可穿戴设备、智能移动终端、汽车电子等领域的应用突飞猛进。
智能气体传感器的技术发展方向集中在低功耗、低成本、无线通讯和支持多气体检测等，种类主要包括半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器和光学气体传感器四大类。
半导体气体传感器适用面广、简单易用、成本低，但线性范围小，易受背景气体和温度干扰，在家用、工业、商业可燃气体泄漏报警、防火安全探测、便携式气体检测器等领域广泛应用。
电化学气体传感器具有功耗低、体积小、重复性好、线性范围宽、易受干扰的特点，适合低浓度毒性气体检测，以及氧气、酒精等无毒气体检测，多用于石油、化工、冶金、矿山等工业领域和道路交通安全检测领域。
催化燃烧式气体传感器具有对可燃气体响应光谱性、温湿度不敏感、结构简单、精度较低的特点，多用
于工业现场的可燃气体浓度检测，以及有机溶剂蒸汽检测。
光学气体传感器主要包括红外气体传感器和紫外气体传感器，具有灵敏度高、分辨率高、响应时间快、功耗低、多种输出方式、技术难度较大、价格较高等特点，是智能气体传感器的重要载体，主要应用在暖通制冷与室内空气质量监控、新风系统、工业过程及安全防护监控、农业及畜牧业生产过程监控等领域。
3.3 生物量智能传感器
生物量智能传感器是指能够感受规定生物量并转换成可用输出信号的传感器，包括生化量传感器
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(上接第49页)
和生理量传感器。其中生化量传感器包括酶传感器、免疫传感器、微生物传感器、生物亲和性传感器和各种血液指标传感器等。生理量传感器包括血压传感器、脉搏传感器、心音传感器、呼吸传感器、体温传感器、血流传感器等。
生物量智能传感器具有较高的选择性，主要用于临床诊断检查、实施监控等。医疗系统对便携式、可穿戴医疗设备需求的提升，给能及时、按需实现患者体征指标监测的生物传感器带来了巨大的市场机遇。生物量传感器属高价值传感器，其设计与应用需考虑生物信号的特殊性、复杂性，兼顾生物相容性、可靠性、安全性等方面[8]，技术含量较高，目前我国尚未有成熟的产品系列，高度依赖进口。
4 结语
智能传感技术发展的共性需求集中在小型化、网络化、数字化、低功耗、高灵敏度和低成本。传感材料、MEMS 芯片、驱动程序和应用软件是智能传感器的核心技术，特别是MEMS 芯片由于具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高并能与微处理器集成等特点，成为智能传感器的重要载体。我国智能传感器市场空间广阔，创新能力不断增强，已初步形成涵盖芯片设计、晶圆制造、封装测试、软件
与数据处理算法、应用等环节的完整产业链，但也面临着关键技术缺失、高端产品依赖进口等问题，
推动智能传感技术发展任重而道远。参考文献
[1] 孙圣和. 现代传感器发展方向[J]. 电子测量与仪器
学报, 2009 (1) :1-10.
[2] 中国电子技术标准化研究院.智能传感器型谱体系
与发展战略白皮书[R/OL].[2021-01-20].si/201908/5426.html.
[3] 程军. 传感器及实用检测技术[M]. 西安: 西安电子
科技大学出版社, 2008.
[4] 李英. 微惯性传感器信号的自适应处理[D].青岛:
青岛大学, 2010.
[5] 王淑华. MEMS 传感器现状及应用[J]. 微纳电子技
术, 2011(8): 516-522.
[6] 赵民智，纪丽敏，万承军. 我国惯性仪器仪表的技术
特点及发展综述[J]. 传感器世界, 2009(7): 16-19. [7] 彭奇，田芃，蔡文龙, 等. 基于单片机的指纹采集与
识别系统设计与实现[J].电子技术, 2016, 45(6): 63-65.
[8] 钱文文，余晓芬，夏忠诚, 等. 光纤光栅传感技术在
医疗设备领域的应用[J]. 中国医学装备, 2019(10), 153-156.
(收稿日期：2021-01-21)
1316-1332.
[5] HAN J H, KIM J N. A lightweight authentication
mechanism between IoT devices[C]// IEEE 2017 International Conference on Information & Communication Technology Convergence. Jeju: IEEE, OFDM, 2017: 1153-1155.
[6] LU R, LIN X, LUAN T H, et al. Pseudonym
Changing at Social Spots: An Effective Strategy for Location Privacy in VANETs[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2012, 61(1): 86-96.[7] SHAO J, LIN X, LU R, et al. A Threshold
Anonymous Authentication Protocol for VANETs[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(3): 1711-1720.
[8] AZEES M, VIJAYAKUMAR P, DEBOARH L J.
EAAP: Efficient anonymous authentication with conditional privacy-Preserving scheme for vehicular ad hoc networks[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2017, 69(9):1-10.
(收稿日期：2021-01-11)
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