传感器:智能时代的“慧眼”

       假如把智能系统比作“人”，那么传感器就是“人”的感觉器官。不同类型的传感器感知周围环境，并将数据传输给系统进行计算，实时分析、判断和处理情况。随着数字智能的不断深入，各种传感器的使用大大拓宽，为人类创造更美好的生活发挥了巨大的作用。

       智能手机有数百个传感器：CMOS图像传感器、环境光传感器、地磁传感器、陀螺仪等。基于这些传感器，手机中的各种应用软件可以顺利工作，手机可以成为集工作、生活、娱乐为一体的便携式智能设备，给人们的生活方式带来巨大的变化。风云卫星上的可见性和红外光电传感器可以日夜获取大气信息，准确预测天气，甚至在月球和火星上工作，帮助人类探索宇宙的奥秘。

       信息系统的“眼睛”是比人感官更敏锐、更强大的传感器。它感知周围的环境，帮助我们了解多彩的世界，就像人类的眼睛、耳朵、皮肤和其他器官一样。不同之处在于，传感器比人的感官更敏锐、更强大。在客观世界中，信息的多样性远远超出了我们的感官能力。人的眼睛无法观察红外辐射和紫外线辐射，耳朵听不到次声波和超声波，也无法感知“消失”但总是影响的磁场。传感器可以“感觉”这些超出感官范围的信息。随着生产力的发展，人类越来越需要全面感知世界。

       1821年，科学家利用温差产生电压的原理，开发出世界上第一个传感器——温度传感器。最初，人们直接利用光、热、电、力、磁等物理效应制备各种传感器，尺寸大、灵敏度低、使用不方便。20世纪70年代，集成传感器集成了敏感元件和信号电路，如热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。该传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件组成，输出模拟信号。

       自上世纪末以来，数字传感器发展迅速，通过“模拟/数字”转换模块实现数字信号输出。集成智能处理单元的数字传感器可以自动收集和处理数据，并可以根据环境自动调整工作参数。数码相机中的光敏元件是其代表性产品。

       一般来说，传感器的工作原理是某些物质的电学特性会随环境因素而变化。比如铂在不同温度下的电阻率不同，硅在可见光照射下的电阻会降低，石英受压后表面会产生电荷等。根据敏感元件的温度变化与红外辐射能之间的关系，可以制成温度传感器，进一步为敏感元件增加隔热结构，制成红外传感器。在此基础上，非接触测温传感器也可以根据目标温度与红外辐射能量的关系制造。

       额温枪是用来测量体温的熟悉原理。借助丰富的物理化学效应，人们制备了各种灵敏度比狗鼻高1000倍、能“闻”气体分子的“电子鼻”，以及能在夜间观察物体的红外摄像头等传感器。没有传感器，就没有数字化和智能化。数字化是对事物属性的量化，用数字表达为抽象结果。在现代信息技术的帮助下，人们可以存储、处理和传播各种数字信息。

       传感器可以将事物中包含的各种信息转换为电信号，并使用数模转换电路用数字表达电信号，是数字化的有效工具。当您拿出手机拍照或视频时，光敏传感器将接收到的光强信号转换为电信号，然后按照一定的规则进行数字表达和存储，最终在手机屏幕上形成图像。基于传感器获取信息的数字化。数字系统需要处理的信息量非常大，只能通过人工或传统设备获得，而传感器可以实时、高效、准确、快速地获取，因此有城市大数据、天气大数据、医疗大数据、农业大数据等。利用各种传感器，人们可以召开远程会议，学习网络课程，扫描代码支付，甚至直播商品，从而发展数字经济形式。

       云计算、物联网、人工智能、5G通信等与传感器密切相关的技术涉及数字经济。没有传感器，就没有数字化和智能化。传感器是智能系统的第一关，其水平决定了智能系统及其仪器设备的水平。传感器技术已成为信息高端设备领域的国际研究前沿，在人工智能、智能城市、5G通信、航空航天、生命健康等领域发挥着不可替代的作用。例如，汽车将安装100多个传感器，如压力、温度、位置、声音、光和电，由车载计算机处理，以帮助驾驶员做出判断。对数据的智能分析降低了驾驶汽车的难度，使汽车更安全、更容易驾驶。

       此外，无人驾驶汽车通过传感器实时获取道路信息。一旦发现障碍物，通过智能分析及时避免。城市中高层建筑、桥梁、隧道等建筑也需要通过视频、温度、压力、烟雾等传感器实时监控安全状况。当数据总结在一起时，智能系统会及时分析，为用户做出决策提供少量关键信息。即使在未来，人类的感官也可以在传感器的帮助下变得更强大，建立一个智能系统。

       目前，各种传感器正在进一步提高性能，降低成本，向数字化、智能化、小微型化、绿色低碳、可穿戴性等方向发展，呈现出蓬勃发展的趋势。其中，智能传感器、柔性传感器和新原理传感器的研发具有代表性，预计将创造新的工作和生活方式。

       智能传感器的发展是一个重要趋势。借助智能传感技术，人们设计制造了具有获取、存储和分析信息功能的各种传感单元和微系统，实现了低成本、高精度的信息收集。智能传感器广泛应用于机器人、无人驾驶、智能制造、运动定量监控等领域。动态血糖仪是近年来流行的一个很好的例子。糖尿病患者将柔性传感器无痛放入体内，每5分钟测量一次血糖值，并将其传输到手机应用程序中。患者可以观察血糖曲线的变化，通过饮食和运动及时调节血糖，有些患者甚至告别药物和胰岛素治疗。

       此外，人们还在开发可降解电子设备，使智能传感器能够更好地帮助低碳环保生活。柔性传感器的发展是另一种趋势。许多应用场景要求传感器在柔性基质材料上制备，具有透明、灵活、延展、自由弯曲甚至折叠、携带方便、可穿戴等特点。碳基材料(碳黑、碳纳米管、石墨烯等)是目前制备柔性传感器的常用传感材料、金属纳米材料(金属纳米粉、金属纳米颗粒等)、聚合物、蛋白纤维等。例如，一种具有拉伸、抗撕裂和自我修复能力的交联超分子聚合物薄膜电极材料，可用于制造下一代可穿戴和植入的柔性电子设备。

       将多功能柔性传感器与柔性印刷电路相结合，可制成“智能带”，穿戴在身体的不同部位，实时监控和分析生理信息，帮助人们了解自己的健康状况，特别是感官退化的群体。传感器的新原理也在不断出现。

       在基础研究领域，发现了新的规律，人们正在使用这些科学的新认知来制备传感器。与此同时，技术进步也对基础研究提出了新的要求。在生活中，人们希望提高相机的像素、灵敏度、速度等性能参数；在高速实验中，需要能够记录飞秒规模信息的条纹相机；在量子通信中，需要达到单光子灵敏度的光电探测器；在空间技术中，需要探测高速运动物体和冷目标等。这就要求科学家进一步探索物理世界，发现新现象、新规律，提高传感器性能。

       随着科学技术的快速发展，新材料、新工艺的不断应用，性能更强、品种更丰富、智能水平更高的传感器将创造更多新的工作和生活场景，帮助人们“感受”更好的生活。(作者:楚君浩，中国科学院院士，中国科学院上海技术物理研究所研究员)

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