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作者褚君浩肖像畫(huà)。張武昌繪如果把智能系統比作“人”，那么傳感器就是“人”的感覺(jué)器官。不同類(lèi)型的傳感器，感知周?chē)h(huán)境并把數據傳遞給系統進(jìn)行計算，對情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、判斷和應對。隨著(zhù)數字化智能化不斷深入，各式各樣傳感器的用武之地大為拓寬，為人類(lèi)創(chuàng )造美好生活發(fā)揮著(zhù)巨大作用。一部智能手機里有上百個(gè)傳感器：有用于攝像的CMOS圖像傳感器，有用于檢查環(huán)境明暗的環(huán)境光傳感器，還有用于導航的地磁傳感器、陀螺儀……正是基于這些傳感器，手機里的各種應用軟件才能流暢工作，手機才能成為集工作、生活、娛樂(lè )于一體的便攜式智能設備，帶來(lái)人們生活方式的巨大變化。風(fēng)云衛星上的可見(jiàn)和紅外光電傳感器，能夠不分晝夜地獲取大氣信息，精準預測天氣，甚至在月球上、火星上都有傳感器工作，幫助人類(lèi)探索宇宙奧秘。超越感官傳感器是信息系統的“慧眼”。它就像人類(lèi)的眼睛、耳朵、皮膚等器官一樣，感知周?chē)h(huán)境，幫助我們認識多姿多彩的世界。不同之處在于，傳感器比人的感官更敏銳、更強大?？陀^(guān)世界所包含的信息多樣程度，遠遠超出我們感官的能力范圍。人的眼睛無(wú)法觀(guān)察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽(tīng)不見(jiàn)次聲波和超聲波，對于“不見(jiàn)蹤影”卻時(shí)刻產(chǎn)生影響的磁場(chǎng)也無(wú)法感知。這些超出感官范圍的信息，傳感器都能“感受”到。隨著(zhù)生產(chǎn)力發(fā)展，人類(lèi)越來(lái)越需要全方位地感知世界。1821年，科學(xué)家利用材料因溫差產(chǎn)生電壓的原理，研制出世界上第一個(gè)傳感器——溫度傳感器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應制備各種傳感器，這些傳感器尺寸大、靈敏度低、使用不方便。上世紀70年代，出現了將敏感元件與信號電路進(jìn)行一體化設計的集成傳感器，如熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。這類(lèi)傳感器由半導體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構成，輸出模擬信號。上世紀末開(kāi)始，數字化傳感器快速發(fā)展，通過(guò)“模擬/數字”轉換模塊，實(shí)現數字信號輸出。數字化傳感器集成智能化處理單元，可以自動(dòng)采集、處理數據，并能根據環(huán)境自動(dòng)調整工作參數，數碼相機中的光敏元件就是其代表產(chǎn)品?？偟膩?lái)說(shuō)，傳感器的工作原理是某些物質(zhì)的電學(xué)特性會(huì )隨環(huán)境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，硅在可見(jiàn)光照射下電阻會(huì )減小，石英受到壓力后表面會(huì )產(chǎn)生電荷。利用電阻與溫度的對應關(guān)系，可以制成溫度傳感器，進(jìn)一步給敏感元件添加隔熱結構，依據敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關(guān)系，可以制成紅外傳感器。在此基礎上，還可以根據目標溫度與紅外輻射能量之間的關(guān)系，制造出非接觸測溫傳感器。人們熟悉的用來(lái)測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。借助豐富的物理和化學(xué)效應，人們制備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀(guān)察物體的紅外相機等種類(lèi)豐富、功能強大的傳感器。奠基智能化數字化是對事物屬性的量化，并用數字將其表達為抽象結果。借助現代信息技術(shù)，人們可以存儲、處理、傳播各種數字化信息。傳感器可以將事物蘊含的各種信息轉換成電信號，并利用數模轉換電路將電信號用數字表達，是數字化的有效工具。當你拿出手機拍照片或視頻時(shí)，光敏傳感器會(huì )將接收的光強度信號轉換成電信號，再按一定的規則用數字表達、存儲，最終形成手機屏幕上的影像。數字化基于傳感器獲取信息。數字化系統需要處理的信息量非常龐大，僅靠人工或者傳統設備無(wú)法獲取，憑借傳感器則能夠實(shí)時(shí)、高效、精準、快速地獲取，于是有了城市大數據、天氣大數據、醫療大數據、農業(yè)大數據等。利用各類(lèi)傳感器，人們可以召開(kāi)遠程會(huì )議、學(xué)習網(wǎng)絡(luò )課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發(fā)展出數字經(jīng)濟業(yè)態(tài)。數字經(jīng)濟涉及的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G通信等各類(lèi)技術(shù)，都與傳感器息息相關(guān)。沒(méi)有傳感器就沒(méi)有數字化和智能化。傳感器是智能化系統的第一關(guān)，它的水平?jīng)Q定了智能化系統及其儀器設備的水平。傳感器技術(shù)已經(jīng)成為國際上信息高端器件領(lǐng)域的研究前沿，在人工智能、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等領(lǐng)域均發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。比如一輛汽車(chē)會(huì )安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過(guò)100種傳感器，由車(chē)載電腦進(jìn)行處理，幫助駕駛員作出判斷。對數據的智能化分析降低了駕駛汽車(chē)的難度，讓汽車(chē)變得更安全、更好開(kāi)。而且，無(wú)人駕駛汽車(chē)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取道路信息，一旦發(fā)現障礙物，便通過(guò)智慧分析及時(shí)避讓。城市中高樓大廈、橋梁、隧道等建筑，也需要通過(guò)視頻、溫度、壓力和煙霧等傳感器實(shí)時(shí)監控安全狀況，當數據匯總到一起，智能化系統便會(huì )及時(shí)分析，提煉出少量關(guān)鍵信息供使用者作出決策。甚至在未來(lái)，人類(lèi)的感官也可以借助傳感器變得更加強大，構建起智能化系統。開(kāi)拓新場(chǎng)景當前，各類(lèi)傳感器都處在進(jìn)一步提升性能、降低成本，向數字化、智能化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進(jìn)化，呈現出蓬勃發(fā)展態(tài)勢。其中，智能傳感器、柔性傳感器、新原理傳感器的研發(fā)具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。發(fā)展智能傳感器是重要趨勢。借助智能傳感技術(shù)，人們設計制造出具備獲取、存儲、分析信息功能的各種傳感單元及微系統，實(shí)現低成本、高精度信息采集。智能傳感器廣泛應用在機器人、無(wú)人駕駛、智能制造、運動(dòng)定量監測等方面，還可用于開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng )或微創(chuàng )健康監測器件等。近年來(lái)流行的動(dòng)態(tài)血糖儀是個(gè)很好的例子。糖尿病患者將柔性傳感器無(wú)痛置入身體，傳感器每5分鐘測一次血糖值，并傳送到手機應用中?；颊呖梢杂^(guān)察血糖曲線(xiàn)變化，及時(shí)通過(guò)飲食和運動(dòng)等方法調節血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發(fā)可降解電子器件，讓智能傳感器更好助力低碳環(huán)保生活。發(fā)展柔性傳感器是另一趨勢。許多應用場(chǎng)景要求傳感器制備在柔性基質(zhì)材料上，并具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特點(diǎn)。目前制備柔性傳感器的常用傳感材料有碳基材料（炭黑、碳納米管和石墨烯等）、金屬納米材料（金屬納米線(xiàn)、金屬納米顆粒等）、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復能力的交聯(lián)超分子聚合物薄膜電極材料，可用于制造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將集成多功能的柔性傳感器與柔性印制電路結合，可以制成“智能帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實(shí)時(shí)監測與分析生理信息，幫助人們特別是感官退化的群體了解自身健康狀況。新原理傳感器也在不斷出現。在基礎研究領(lǐng)域，新的規律陸續被發(fā)現，人們正利用這些科學(xué)新認知制備傳感器。同時(shí)，技術(shù)進(jìn)步也對基礎研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機的像素、靈敏度、速度等性能參數；在高速實(shí)驗中，需要可以記錄飛秒尺度信息的條紋相機；在量子通信中，需要靈敏度達到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實(shí)現對高速運動(dòng)物體和冷目標的探測，等等。這就要求科學(xué)家們進(jìn)一步探索物理世界，發(fā)現新現象新規律，提升傳感器性能。隨著(zhù)科技快速發(fā)展，新材料新工藝不斷投入應用，性能更強、種類(lèi)更豐富、智能化水平更高的傳感器將創(chuàng )造更多工作生活新場(chǎng)景，幫助人們“感受”美好生活。（作者：褚君浩，系中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員）