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　　編者語：在科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下以及我國走新型工業(yè)化迫切要求下，工業(yè)信息化、自動化前進(jìn)的步伐進(jìn)一步加快。新興控制技術(shù)和傳感器技術(shù)更是為我國工業(yè)的改革、轉(zhuǎn)型增添了一對騰飛的翅膀。在微處理器和傳感器變得越來越便宜的今天，全自動或半自動（通過人工指令進(jìn)行高層次操作，自動處理低層次操作）系統(tǒng)可以包含更多智能性功能，能從其環(huán)境中獲得并處理更多不同的參數(shù)。尤其是MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，它使數(shù)字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低。以納米碳管或其它納米材料制成的納米傳感器同樣具有巨大的潛力。市場分析機(jī)構(gòu)NanoMarketsLC估計(jì)在2008年，納米傳感器在全球的市場將達(dá)到二百八十萬美金，到2012年會增至一千七百二十萬美金。

　　“靈敏傳感器”(smartsensor)或“數(shù)字傳感器”(digitalsensor)指的是高級傳感器，它包括調(diào)節(jié)和處理信號的電路及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊的界面。它們通常以模塊（modules）形式制成，包含一個(gè)傳感器、DSP（數(shù)字信號處理器）、一個(gè)DSC（數(shù)字信號控制器）或一個(gè)ASIC（特定用途集成電路）；另外也有以系統(tǒng)封裝（SysteminPackage）或系統(tǒng)芯片(SystemonChip)的方式制成。在微處理器和傳感器變得越來越便宜的今天，全自動或半自動（通過人工指令進(jìn)行高層次操作，自動處理低層次操作）系統(tǒng)可以包含更多智能性功能，能從其環(huán)境中獲得并處理更多不同的參數(shù)。尤其是MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，它使數(shù)字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低。以納米碳管或其它納米材料制成的納米傳感器同樣具有巨大的潛力。市場分析機(jī)構(gòu)NanoMarketsLC估計(jì)在2008年，納米傳感器在全球的市場將達(dá)到二百八十萬美金，到2012年會增至一千七百二十萬美金。    

　　即使在萌芽階段，人們?nèi)匀徽J(rèn)為在不久的將來數(shù)字傳感器對電子市場具有重要的推動作用。制作數(shù)字傳感器的接口以及支持用于數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式多樣的通訊協(xié)議都是對技術(shù)工藝的巨大挑戰(zhàn)。傳感器的非均質(zhì)特性和其操作條件的多樣化也對技術(shù)工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前在全世界有超過3000家傳感器制造商正在運(yùn)作，Intechno咨詢公司估計(jì)它們在2008年的總銷售額將會超過500億美金。

　　數(shù)字傳感器不僅能夠感知所測量的物理參數(shù)，諸如位置、溫度、照度、壓力、電壓或電流等；它們還能處理接收到的信號并將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。因此一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了傳感器本身，還包括信號獲取、處理、通訊及能耗管理等等的一整套電路系統(tǒng)。    

　　現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)所包含的傳感器和處理器越來越多。隨著傳感器和處理器價(jià)格的不斷降低，取代機(jī)械控制結(jié)構(gòu)的閾值也在不斷變化。在系統(tǒng)中選擇正確的傳感器組合和處理算法可以顯著地降低原材料及能耗的費(fèi)用并提高系統(tǒng)的總體性能。目前，不斷提高操作的簡化程度和延長能源的使用壽命變得越來越重要，尤其是如今越來越多的傳感器網(wǎng)絡(luò)動輒就配置1000或更多的傳感器節(jié)點(diǎn)。

　　傳感器越來越多地被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，包括軍事、汽車、工業(yè)、醫(yī)藥、家居的安全與警戒、環(huán)境監(jiān)測等等，甚至被應(yīng)用到消費(fèi)領(lǐng)域。在大型家用電器尤其是洗衣機(jī)和冰箱中，集成傳感器的使用顯著增長。

　　傳感器技術(shù)在現(xiàn)代汽車的重大改進(jìn)中起到了主要作用?？勾判裕ň艽牛﹤鞲衅鳎∕agnetoresistive?sensors）在汽車中用于決定機(jī)械系統(tǒng)的角度、速度或位置，汽車的防滑系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)和變速箱的控制需要這些數(shù)據(jù)。在汽車中還有其它各種各樣的傳感器，像雷達(dá)、紅外線、視頻、慣性和超聲傳感器等等，它們的設(shè)計(jì)是以防鎖煞車系統(tǒng)（antilockbraking）、可遙控自動駕駛儀、電壓穩(wěn)壓控制器（electronic-stabilitycontrol）、換道并線及盲點(diǎn)探測系統(tǒng)、牽引控制、防撞系統(tǒng)以及氣囊調(diào)節(jié)等等為目標(biāo)的。

　　汽車發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)是一個(gè)富含傳感器的系統(tǒng)。除了監(jiān)控司機(jī)與踏板之間的接觸狀況，此系統(tǒng)還測量許多變量，諸如系統(tǒng)中的空氣、燃料和尾氣的溫度、壓力以及化學(xué)成分等，并綜合所有這些信息，以便優(yōu)化發(fā)動機(jī)的輸出功率、燃料效率、排放性能、傳動經(jīng)驗(yàn)甚至是適應(yīng)不同的燃料類型。    

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　　數(shù)字傳感器的新興標(biāo)準(zhǔn)

　　如今傳感器網(wǎng)絡(luò)使用多種技術(shù)來為不同的工業(yè)服務(wù)。用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種專屬協(xié)議的數(shù)量激增。這就需要在傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入綜合翻譯途徑，它是一個(gè)復(fù)雜而又昂貴的體系。因此人們需要更大程度的標(biāo)準(zhǔn)化。

　　工程任務(wù)組（TheInternetEngineeringTaskForce－IETF）正在為以藍(lán)牙、Wi-Fi和802.15.4網(wǎng)等為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開列一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以便能將傳感器節(jié)點(diǎn)連接到更寬廣的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上。IETF的目標(biāo)是在傳感器之間建立一種通訊方式，這種通訊方式不需要專屬的翻譯途徑。這項(xiàng)協(xié)議將在2009年六月制定出臺。IEEEP1451.4標(biāo)準(zhǔn)極大地簡化了傳感器的布線以及更換故障傳感器的問題。它同時(shí)也免除了傳感器在設(shè)置和校準(zhǔn)方面的人工干預(yù)，這種干預(yù)即費(fèi)時(shí)又易出錯(cuò)。這樣傳感器就成了即插即用的裝置。在國家儀器網(wǎng)站（NationalInstruments’website）中有一個(gè)有效TEDS的數(shù)據(jù)庫，它包括了可以在IEEEP1451網(wǎng)絡(luò)中使用的各種老式的或沒有EEPROM的傳感器的專門資料。IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)仍在審核階段，它規(guī)定的是將TEDS連接到無線網(wǎng)絡(luò)中的必要條件，如與802.11、藍(lán)牙或ZigBee等的連接。最近又提出了IEEE1451.6標(biāo)準(zhǔn)議案，它定義TEDS和CAN總線的接口。    

　　無線數(shù)字傳感器新應(yīng)用

　　幾十億的有線傳感器被廣泛地用于電子系統(tǒng)中，從簡單的熱電偶到更復(fù)雜的專用系統(tǒng)。它們被用于測量和監(jiān)控物理參數(shù)。許多工程師正在考慮改用無線傳感器，因?yàn)樗鼈兙哂幸恍╋@著的優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格低廉、適應(yīng)性好，即使在不良環(huán)境中也易于安裝和使用。根據(jù)市場分析機(jī)構(gòu)CahnersInstat的估計(jì)，到2010年，將有超過1600億個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被賣出。

　　傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)將在一定區(qū)域內(nèi)分布的各種傳感器連接在一起并結(jié)合智能電路進(jìn)行信號處理和數(shù)據(jù)傳輸。其可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事、環(huán)境及道路交通的監(jiān)控、安全與警戒、家庭與工業(yè)自動化、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)和汽車。

　　在工業(yè)環(huán)境中，建立一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用有80%花在布線上，而且建立這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)甚至是不可能的。在汽車方面，傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用是用于遙控開鎖系統(tǒng)（RKE－RemoteKeylessEntrySystems），以無線代替了CAN總線，這樣做大大節(jié)省了成本及空間，去除了昂貴而粗大的電纜。根據(jù)CahnersInstat最近的預(yù)測，到2010年將有超過1600億個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被賣出；而且建立包含一萬至十萬個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)也是非?？赡艿氖?。這樣，可測量性成為了一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。此外，傳感器必須可以現(xiàn)場編程和自行設(shè)置；網(wǎng)絡(luò)必須能夠在有一個(gè)或多個(gè)故障傳感器存在的情況下正常運(yùn)行。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是能耗，因?yàn)闊o線傳感器也可能被設(shè)置在偏遠(yuǎn)地區(qū)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，一個(gè)非常有前途的無線技術(shù)是ZigBee，它是按照IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的，能確保低能耗和低成本。ZigBee聯(lián)盟的發(fā)起公司有深圳的華威科技、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、TexasInstruments、Samsung和Siemens。WestTechnology，一個(gè)定向于無線電技術(shù)市場調(diào)查的公司預(yù)測，利用ZigBee技術(shù)制作的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的傳感器芯片組的銷售量將從今年的三千一百萬組上升至2012年的三億一千二百萬組，其增長為稍高于100%的復(fù)合比。其它應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線技術(shù)還有由CypressSemiconductor推出的無線－USB；以及z-Wave，一種由Zensys公司研發(fā)的技術(shù)，有超過160家公司組成了一個(gè)z-Wave聯(lián)盟來共同推廣這一技術(shù)。    

　　應(yīng)用于住宅方面的傳感器在全球具有60億個(gè)節(jié)點(diǎn)的潛在市場，用于以無線傳感器為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)，它是無線傳感器用途的一個(gè)重要體現(xiàn)。到2012年，用于智能住宅（smarthouse）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會有價(jià)值二十八億美金的全球市場；相比較而言，其在2007年的市場只有四億七千萬美金。傳感器最被看好的用途有照明控制、節(jié)能系統(tǒng)、保安模塊、娛樂系統(tǒng)和遠(yuǎn)程就醫(yī)（telemedicine）。無線傳感器比有線傳感器更易安裝并且免除了昂貴而粗大的電纜。這種優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域尤為重要，電纜在其傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝費(fèi)用中占80%。無線傳感器在惡劣環(huán)境中使用具有優(yōu)勢，在這些環(huán)境中傳感器要經(jīng)得起震動、高溫和電子噪聲甚至是爆炸性氣體。在如此惡劣的環(huán)境中安裝有線傳感器是不現(xiàn)實(shí)、昂貴甚或是不可能的。過去阻礙無線傳感器在工業(yè)領(lǐng)域中使用的原因是保安問題以及工廠中不同無線電網(wǎng)絡(luò)之間可能存在的干擾問題。無線傳感器在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以作為參照來解決其在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用所遇到的這些問題。例如，解碼技術(shù)被用來保護(hù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拒絕非法訪問。

　　無線傳感器應(yīng)用的另一個(gè)強(qiáng)勢領(lǐng)域是由汽車氣體力學(xué)中的輪胎壓力傳感器產(chǎn)生的。根據(jù)2001年頒發(fā)的一項(xiàng)法律，美國強(qiáng)制性要求每一種新款汽車都必須配備這種輪胎壓力傳感器。TheYoleDéveloppement，一家法國市場分析公司預(yù)計(jì)，到2012年這種傳感器的市場將達(dá)到1830億美金，相對于2007年的一億六千八百萬美金，由于價(jià)格不斷下跌的緣故其復(fù)合增長率僅為2%。從銷售量的角度分析，德國的WichtTechnologie公司預(yù)計(jì)，在市場上此類無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將會由2011年的十萬組增加到2015年的超過六千萬組。如果類似美國的輪胎壓力傳感器法也在歐洲和亞洲通過的話，到2012年其市場可能會超過三億美金。

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　　微型機(jī)電傳感器正在占領(lǐng)陣地

　　我們每天都在不知不覺中與微型機(jī)電傳感器（MEMS－micromechanicalsensor）打交道：壓力、臨近與運(yùn)動傳感器（proximityandmovementsensor）、陀螺儀、加速計(jì)、麥克風(fēng)和壓電裝置等等?，F(xiàn)如今，MEMS技術(shù)在以下四個(gè)領(lǐng)域取得了商業(yè)性的成功：用于氣囊控制的加速計(jì)；用于監(jiān)測汽車耗油量的壓力傳感器；噴墨打印機(jī)頭和用于投影顯示的反射鏡。根據(jù)iSuppli的預(yù)測，微型機(jī)電傳感器的全球市場將會由2006年的61億美金增長到2012年的88億美金。到2012年為止，MEMS儀器的單位出貨量的年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)為6.4%，其同期年銷售額的復(fù)合增長率預(yù)計(jì)為5.5%。

　　雖然產(chǎn)品總需求量的增長相對緩慢，但某些單項(xiàng)產(chǎn)品的市場卻成長得非常迅速；例如，iSuppli預(yù)言手機(jī)的平均復(fù)合增長率將為22.9％，到2012年，僅此一項(xiàng)產(chǎn)品的市場將達(dá)到九億二千五百萬美金。事實(shí)上MEMS傳感器正在越來越多地被用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。MEMS肯定會被大量地應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，最大的MEMS制造商們都把賭注押在了這塊市場上。STMicroelectronics公司MEMS事業(yè)部門的總監(jiān)BenedettoVigna認(rèn)為，MEMS技術(shù)的用戶化將為此項(xiàng)技術(shù)開辟新的領(lǐng)域，它也將會受到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主體配置的影響。MEMS傳感器也可以被整合到游戲控制器中，使它們能夠在便攜式終端上跟蹤操縱者手部的運(yùn)動，并以此來調(diào)節(jié)顯示屏上的畫面變化或進(jìn)行目錄瀏覽。

　　在汽車領(lǐng)域，MEMS用于麥克風(fēng)、加速計(jì)和MEMS陀螺儀，如導(dǎo)航儀、信息娛樂設(shè)備和駕駛員記錄儀等。這后幾種應(yīng)用被嵌入CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）照相機(jī)，它們可以登記在事故發(fā)生前幾秒鐘內(nèi)所發(fā)生的事件。STMicroelectronics為日本和韓國的一些客戶研發(fā)了類似的解決方案。

　　市場研究公司YoleDéveloppement認(rèn)為，在汽車市場中，陀螺儀、加速計(jì)和壓力傳感器是最重要的MEMS應(yīng)用項(xiàng)目。例如許多國家立法要求在汽車的氣囊和座椅中安裝壓力傳感器。到2011年為止，MEMS在運(yùn)輸領(lǐng)域的市場預(yù)計(jì)將以12.5%的速率增長，銷售額將達(dá)到十三億五千萬美金。

　　在汽車用MEMS的經(jīng)銷商中Bosch是第一名，其2007年的銷售額為四億三千萬美金，其次是STMicroelectronics(三億二千萬美金)，F(xiàn)reescaleSemiconductor（二億三千五百萬美金），AnalogDevices(二億一千萬美金)，Denso(一億七千六百萬美金)，Infineon(由其分公司Sensonor帶來的一億三千萬美金的年收入)，Delphi（一億一千六百萬美金）和ContinentalAG(五千六百萬美金)。

　　其它被認(rèn)為很具有前途的應(yīng)用是防盜系統(tǒng)和LBS（LocationBasedServices－定位服務(wù)）系統(tǒng)。其中包括定向廣告信息（以地區(qū)為基礎(chǔ)的廣告業(yè)）以及無線多人游戲，這種游戲可以把游戲參加者的地理位置考慮在內(nèi)。MEMS也是將GPS功能整合入手機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵裝置。GPS定位需要在高電流（約為50mM）下進(jìn)行；這種特性使其非常難于整合入像手機(jī)一類的便攜式終端，因?yàn)樵诖祟惤K端中一般都采用能耗優(yōu)化來延長電池的使用壽命。與之相反的是MEMS陀螺儀和磁力傳感器所需的電流比GPS低兩個(gè)數(shù)量級。一旦用戶的位置被確定下來，MEMS傳感器就可以代替GPS，因此可以在移動網(wǎng)絡(luò)中定期地短暫使用GPS來修正用戶的位置，以便糾正MEMS傳感器可能引起的誤差。

　　在家居自動化中，MEMS傳感器可用于降低洗衣機(jī)等的水電消耗量。像自動吸塵器和自動割草機(jī)等小型家用電器會以適當(dāng)?shù)臄?shù)量打入市場，因?yàn)樗鼈兊哪芎男什皇呛芨摺EMS傳感器另一些引人注目的應(yīng)用是在醫(yī)療領(lǐng)域，例如用于監(jiān)控患者的各種重要生理指標(biāo)，或用于對老年人進(jìn)行遠(yuǎn)程就醫(yī)等。    

　　生行測定傳感器在保安方面的應(yīng)用

　　一些公司正在著手把生物測定傳感器納入其現(xiàn)有的保安基礎(chǔ)設(shè)施中。用于訪問授權(quán)控制（accesscontrol）的硬件與軟件銷售額高達(dá)四十億美金。國際生物測定集團(tuán)（InternationalBiometricGroup）預(yù)計(jì)到2009年，僅生物測定訪問授權(quán)控制系統(tǒng)一項(xiàng)將會占據(jù)整個(gè)生物測定系統(tǒng)市場的30%；到2010年，銷售額將達(dá)到五十七億美金。含有多種生物測定傳感技術(shù)的綜合生物測定系統(tǒng)將占總市場的5%。

　　生物測定傳感器和讀出器通常被整合到大宗電子產(chǎn)品中，諸如個(gè)人電腦、筆記本電腦、DVD、手機(jī)、USB存儲器以及硬盤等，用來防止在此類物品被盜或丟失后其中的文件被非法用戶讀取。其它重要的應(yīng)用有公共行政管理、移動交易（如電子商務(wù)或郵遞商務(wù)）以及機(jī)場和在醫(yī)院中控制患者的病歷等。

　　雖然目前生物測定傳感器的單位價(jià)格已經(jīng)低于五美元，但是為了進(jìn)一步降低它們的價(jià)格，奧地利的Nanoident公司研制出了由聚合物半導(dǎo)體制成的光學(xué)傳感器，它的價(jià)格比其同類的硅半導(dǎo)體傳感器要低廉得多。使用這種傳感器能制出柔軟易曲的指紋掃描器并能將其嵌入到智能卡中。每個(gè)傳感器帶有256個(gè)50μ×50μ的像素，所產(chǎn)生圖像的分辨率為250dpi。

　　圖像傳感器：用CCD還是CMOS？

　　對保安問題日益增加的關(guān)注導(dǎo)致了人們在監(jiān)視系統(tǒng)上的投資越來越多。事實(shí)上視頻監(jiān)視領(lǐng)域正在不斷地?cái)U(kuò)大。根據(jù)市場分析機(jī)構(gòu)RNCOS的預(yù)測，人們對視頻監(jiān)視系統(tǒng)的需求量將從目前的10%增加到2009年的36%；在今后的五年里，其總銷售額將從目前的七十億美金增至一百三十億美金。監(jiān)視產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場重大變革。據(jù)估計(jì)超過90%的監(jiān)視錄像機(jī)是模擬型的。模擬監(jiān)視系統(tǒng)通過同軸電纜將CCTV（Closed-circuittelevision-閉路電視）攝像機(jī)連接到中央磁帶錄像機(jī)或硬盤上。如今模擬錄像正逐步地被數(shù)字化、壓縮并按照Internet協(xié)議做成數(shù)據(jù)包送到Internet的服務(wù)器上。

　　最新一代智能攝像機(jī)可以對捕捉到的圖像進(jìn)行高等分析。監(jiān)視錄像可以在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)上直接被編譯成H.264碼并以較低的位速率在Ethernet上傳送。   據(jù)ICInsights估計(jì)，2008年圖像傳感器的市場總銷售額將會達(dá)到七十六億美金，比2007年多10%。CMOS圖像傳感器的銷售額于2007年降低了12%之后，在2008年預(yù)計(jì)會上升19%，達(dá)到四十四億美金；同時(shí)CCD（電荷耦合裝置）的銷售額在2008年會達(dá)到三十二億美金，下降1%，相比之下，其2007年的銷售額與以往持平。OmniVision在2007年成為CMOS圖像傳感器的最大供應(yīng)商，其次是MicronTechnology、STMicroelectronics、Toshiba和Sony。

　　多虧有了Sharp公司的微型精加工技術(shù)（micro-finishingtechnology），這項(xiàng)技術(shù)起源于高分辨率小型數(shù)碼相機(jī)，使入射光的采集率和光電轉(zhuǎn)化率得到了非常大的提高，敏感度比以前的類型高1.6倍。因?yàn)樗鼈兊倪@些優(yōu)良性能，新的CCD傳感器很適合用于保安攝像機(jī)系統(tǒng)，即使在夜間光線很差的情況下它們也能攝出清晰的圖像。RJ2311CA0PB傳感器產(chǎn)生的NTSC信號的分辨率為270,000像素；而RJ2321CA0PB產(chǎn)生的PAL信號的分辨率為320,000像素。