隨著傳統產業應用信息技術范圍的不斷擴大，以及物聯網、無線傳感器網絡的興起，傳感器產業已成為高新技術發展中的一個重要領域。本文就傳統傳感器如何適應物聯網、無線傳感器網絡的發展，提出了對傳感器技術的新要求是便攜、節能、環保。技術發展方向是一部分產品應由傳統型向全新型轉型發展，并研發新結構、新敏感機理的傳感器。新型傳感器在結構與功能上應具有微型化、無線化、智能化、低驅動、低成本和快速響應等特點，同時做到穩定性好、可靠性高、壽命長、免維修。最后簡要介紹了無線傳感器結構原理和制造工藝特點。

一、概述

計算機、互聯網、傳感器被稱為信息技術的三大產業。隨著互聯網技術的快速發展，物聯網與無線傳感器網絡將成為繼計算機、通信網絡之后信息產業的第三次浪潮。國內有關調查研究機構預測，到2020年，物物互聯業務與現有人人互聯業務之比將達到30：1，物物互聯將成為下一個新興的信息產業。而傳感器是物聯網整個鏈條需求總量最大和最基礎的環節，物聯網產業已進入市場導入期，傳感器行業將迎來黃金發展期。中國電子信息產業發展研究院預測，未來五

年國內傳感器市場年復合增長31%，預計年市場規模將達到1200億元以上。物聯網的本質概括起來主要體現在三個方面：一是互聯網特征，即對需要聯網的物實現互聯互通；二是識別與通信特征，即納入聯網的物應具備自動識別與物物通信的功能；三是智能化特征，即網絡系統應具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。傳感器屬于物聯網的神經末梢，成為人類全面感知自然的最核心元件，各類傳感器的大規模部署和應用是構成物聯網不可或缺的基本條件。因此，物聯網發展的根基是傳感器，也就是說，發展物聯網，首先應發展各種各樣的傳感器。

可以說物聯網與傳感器是相輔相成的促進與帶動關系，在物聯網與無線傳感器網絡技術的強力牽引下，我國傳感器企業的一部分產品正由傳統型向全新型轉型發展，并研發應用新敏感機理的傳感器。而傳感器的轉型發展和新結構、新敏感機理傳感器的研發與制造工藝水平的提高，使得傳感器探測精度高、制作成本低、芯片體積小，又大大促進了物聯網與無線傳感器網絡技術的發展。我國一些企業正積極致力于推動物聯網由“概念”向“產業”轉化，并在多地區建立物聯網基地。目前物聯網應用的重點領域主要是智能電網、智能交通、智能物流、環境與安全檢測、工業與自動化控制、醫療健康、國防軍事等領域。例如智能交通系統，就是以現代信息技術為核心，利用先進的通訊、計算機、自動控制、力與稱重傳感器技術，實現對交通的實時控制與指揮管理。交通信息采集被認為是智能交通系統的關鍵子系統，是發展智能交通系統的基礎，已成為交通智能化的前提。無論是交通控制還是交通違章管理系統，都涉及交通動態信息的采集。利用網絡技術、視頻技術以及埋在路面下的地感線圈、壓電薄膜軸傳感器、彎曲板式或剪切板式動態軸重秤組成的檢測系統，就能實現交通信息的短期或長期采集，將車流量、車速度、車軸數、車軸距、車軸重、軸組重、整車重、車輛分類等信息進行收集分析，為公路規劃、設計、維護和決策提供可靠、全面的數據，因此交通動態信息采集也就成為交通智能化的首要任務。實際上應變式力與稱重傳感器的傳統型和改進型已經在智能交通、智能物流、環境與安全檢測和工業與自動化控制領域得到了一定程度的應用。例如智能交通系統應用的固定式、便攜式動態公路車輛軸重秤；用于公路車輛高速行駛超載預判的壓電石英式動態軸重秤；用于公路車輛流量、車軸數、軸距、輪距、車速、輪胎數量測量及車型判斷、車輛分類的壓電薄膜軸傳感器；智能物流、環境與安全檢測系統中應用的各種具有感知、通信與計算功能的智能微型力與稱重傳感器等。

由大量的部署在監測區域內的微型傳感器節點構成的無線傳感器網絡，通過無線通信方式智能組網，形成一個自組織網絡系統，具有信號采集、實時監測、信息傳輸、協同處理、信息服務等功能，能感知、采集和處理網絡所覆蓋區域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。這就對傳感器企業提出了一個變革性的要求，即傳感器必須有線變無線，在物聯網和無線傳感器網絡需要的力、稱重、力矩、扭矩、位移、壓力、溫度、加速度等傳感器內增加電源模塊、采集處理模塊、無線收發模塊等器件，并需要解決一系列技術與工藝問題，這即是挑戰又是無限商機。無線傳感器網絡系統是一個學科交叉綜合的、知識高度集成的前沿熱點研究領域，正受到各方面的高度關注。我國《國家中長期科學與技術發展規劃(2006～2020年)》中把智能感知技術、自組織網絡與通信技術、寬帶無線移動通信等技術列為重點發展的前沿技術。這就對用于物聯網與無線傳感器網絡的無線傳感器開發與應用提供了技術基礎。

二、物聯網對傳感器技術的新要求

物聯網和無線傳感器網絡技術的迅速發展，對處于信息感知層的各類傳感器提出了許多新要求，概括起來就是便攜、節能、環保，同時具有微型化、智能化、非接觸測量和低外形、低功耗、低成本等特點，這將是傳感器的一個新的研發方向。它不僅促進傳統傳感器產業的加速改造，而且可導致建立新型多元化的傳感器企業模式，將是一個新的經濟增長點。為適應物聯網和無線傳感器網絡技術要求，傳感器技術的發展方向是一部分產品應由傳統型向全新型轉型發展，同時研發新結構、新敏感機理的傳感器。

1．加速傳感器由傳統型向全新型轉型發展

為滿足物聯網產業的需求，相關的傳感器必須加速由傳統型向全新型轉型發展，其結構與功能應具備微型化（即體積小、高度低、重量輕）、智能化、低驅動（或無源化）、低成本和快速響應等特點，同時做到穩定性好、可靠性高、壽命長、免維修。哪些產品適合轉型發展，如何實現結構、技術、功能轉型是至關重要的。轉型發展就是在核心技術與工藝的牽引下，繼承傳統、集成創新，通過高可靠、低成本的產品來滿足物聯網和無線傳感器網絡的需求。從本質上來講，它是基于市場理念的一場體制和機制改革，也是參與市場競爭的必然選擇。以各種應變式傳感器為例，為滿足微型化、智能化、低功耗、低成本的需要，美國VISHAY公司研究軋制出 0.00006～0.00008英寸（1.5～2μm）厚的康銅和卡瑪應變電阻合金箔材，并利用此箔材設計制造出微型高阻電阻應變計。同時研制出采用真空沉積和濺射工藝，把金屬或半導體材料直接沉積在基片上，制造出新型金屬薄膜應變計和半導體薄膜應變計。微型高阻電阻應變計、金屬薄膜應變計和半導體薄膜應變計均可用于制造應變式微型力、稱重、力矩、扭矩、壓力、位移、加速度第傳感器。這些傳感器的彈性元件可以是可活動的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。其中金屬或半導體薄膜應變計由于不用應變膠粘劑粘貼，因而彈性元件無滯后和蠕變誤差，是比較理想的無線微型智能物聯網傳感器用敏感元件。微型高阻電阻應變計的技術特點是：高輸出——應用比較短的敏感柵使測量裝置產生較高的輸出和較高的電阻，相當于應用了長的敏感柵；

高阻值——電阻值可高達10～20KΩ；

低電流——電橋電流低，這對于壓力變送器和帶有電池組的傳感器來說是至關重要的；

小尺寸——敏感柵尺寸小，可以做到 1×1mm、0.5×0.5mm，特別適合微型力、稱重、位移、加速度傳感器；

低成本——微型金屬箔電阻應變計不論是單軸型、半橋型、全橋型，敏感柵的面積都很小，降低了部件成本，連線和焊接相當于單個敏感柵應變計；

自補償——采用卡瑪合金制造敏感柵，電阻應變計具有溫度和靈敏度雙重自補償功能。

應用微型高阻電阻應變計制造的各種傳感器與采用普通電阻應變計制造的傳感器相比，具有以下突出的特點：由于采用了微型尺寸的敏感柵，柵的長度小且位于應變峰值位置，所以實測應變值高；敏感柵的寬度與高度比較大，散熱性能好應變穩定性高；高電阻值可以施加較高的激勵電壓，電橋輸出信號大；應變計電阻值高，消耗功率低；輸入阻抗高。應用金屬薄膜應變計制造傳感器時，由于金屬薄膜應變計與體型電阻應變計的導電機理不同，其應變靈敏系數隨膜的厚

度而變化。厚度為數埃（ A）的金屬薄膜應變計的靈敏系數是普通體型電阻應變計的幾十倍；厚度為 1000 A以上的金屬薄膜應變計，其靈敏系數與普通體型電阻應變計相似。靈敏系數高的金屬薄膜應變計與普通體型電阻應變計相比，在傳感器彈性元件變形相同的條件下，電橋輸出也高出幾十倍，特別適合制造各種無線微型智能應變式傳感器。

2．研發新結構、新敏感機理的傳感器

傳感器的工作機理是基于各種物理效應和定律，由此可以啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制具有新敏感機理的傳感器。進入21世紀以來，工業發達國家傳感器領域的研發重點是：以研究新型傳感器和傳感系統為核心，包括應用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結構設計等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應速度、動態范圍、準確度、穩定性以及在惡劣環境條件下工作的能力。這也是發展高性能、多功能、低成本和微型物聯網傳感器的重要途徑。相對于金屬材料而言，納米材料、半導體材料、陶瓷材料、碳纖維材料和有機材料等，只要具備靈敏度高、響應速度快、檢測精度高、檢測范圍寬、可靠性高和工藝性好，都可以成為敏感材料。由于微結構傳感器的敏感元件尺寸一般為毫米級，可以是可活動的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。這些微結構與特殊用途的上述敏感材料制造的敏感元件和高性能的集成電路相結合，已成功地用于制造各種微型傳感器。由此不難得出，新型傳感器產業集先進的微電子技術、計算機技術、信息技術以及先進制造技術為一體，代表了當前傳感器技術和產業的發展方向，具有廣闊的市場前景。近年來研發的力、稱重、扭矩、位移、角度等新型傳感器主要有：

（1）用納米材料制造的力與稱重傳感器

微納米傳感器是新型傳感器產業代表，就微納米傳感器而言，美國、歐盟、日本等國已經形成了穩定的研發團隊、設計團隊、產品加工企業和用戶群體，他們的微機電系統基礎工藝已發展到成熟穩定的階段。

納米，即 10 m，相當 10個氫原子緊密排在一起。納米技術是在納米空間-9（0.1～100nm）內研究電子、原子、分子運動規律及特性，以制造具有特定功能的材料和器件。納米材料是納米級的超細微粒經壓制燒結而成，其特點是材質完全純凈，結構沒有缺陷，具有抗紫外線、紅外線，電磁干擾等特殊功能。美國傳感器企業利用納米材料在外載荷作用下，其體積變化與載荷成正比這一特性，研制出納米微型力與稱重傳感器。

（2）用碳纖維材料制造的力與稱重傳感器

日本學者柳田博明研制的碳纖維復合功能材料，以乙烯樹脂為基體，含0.3%～0.6%的碳纖維和31.6%的玻璃纖維。此種碳纖維復合材料，具有在外載荷作用下電阻值增大的特性，在一定的變形范圍內，其電阻變化與應變呈較嚴格的線性關系，利用這一特性即可研制出體積小、高度低、重量輕的碳纖維力與稱重傳感器。制成像彈簧一樣的螺旋狀微細碳線圈元件，能感受微小壓力的變化，同時還可以感知“擰”、“摩擦”等動作。

（3）Z元件力與稱重傳感器

Z元件半導體傳感技術是俄羅斯傳感器專家Zotove（佐托夫）教授的研究成果。Z元件是用電阻率40Ωcm～60Ωcm，厚度為50μm的N型硅單晶，采用平面擴散工藝進行Al擴散以形成PN結，然后用AuCl．4H0溶液在高溫下進行Au擴散。制成的硅片經單面打磨后、用化學方法鍍上 Ni電極以形成歐姆接觸，然后劃片、切割、焊接引線和封裝制成。過去只有溫敏、光敏和磁敏Z元件，目前力敏Z元件已有應用。其應用特點是：體積極小；反應靈敏；工作電壓低，工作電流小，測量電路簡單；輸出頻率信號，可直接與計算機連接，是研制新一代數字力與稱重傳感器的理想元件。

（4）光纖位移和壓力傳感器

反射式光纖位移傳感器由光源經過發射光纖束傳輸入射到被測量目標表面，目標表面的反射光由與發射光纖束扎在一起的接收光纖束傳輸至光敏元件。根據被測量目標表面光反射至接收光纖束的光強度的變化來測量被測表面距離的變化。光纖壓力傳感器是在光纖位移傳感器探頭的前面增加一個圓型膜片構成的，其結構類似普通應變式壓力傳感器。光源發出的光經過發射光纖束傳輸并投射到膜片的內表面上，反射光由接收光纖接收并傳回光敏元件。膜片位移的微小變化是在壓力作用下由膜片產生的撓曲變形而引起的，測量出此變形即可求得壓力變化，因為光通量是膜片的形狀尺寸以及探頭到膜片的平均距離的函數。

（5）高精度非接觸式扭矩傳感器

美國富勒頓公司研制出一種精度達百萬分之一級的非接觸式SAW扭矩傳感器，尺寸為4mm×2mm×0.5mm，該傳感器不僅十分精確，而且轉軸與外殼間無直接接觸。可用于測量轉軸的扭矩，兩個SAW傳感器與軸呈45角固定，連接成“半橋”結構；當軸受到扭矩時，一個受壓一個受拉，綜合兩個傳感器的頻率可產生“差分”和“疊加”信號以得出扭矩信號。

（6）汽車胎壓監測傳感器

在汽車胎壓監測系統中，安裝在每個車輪內部的汽車胎壓監測傳感器至關重要，它由壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、RF射頻芯片、電池電壓監測器、低功耗控制器等組成。具有下電、運行、空閑、關斷 4種工作模式，它能夠準確測量輪胎內部的壓力和溫度，傳感器通過無線形式按照一定的規律向車身控制器實時發送輪胎的壓力和溫度數據，駕駛員可通過儀表盤顯示屏獲得每一個輪胎的壓力值、溫度值。當某一個輪胎的壓力值或溫度值變化超過了報警值，儀

表盤能夠準確顯示報警輪胎的位置，并發出圖形、聲音、文字報警。由于該產品是汽車產品安全件，所以應在各種環境下具有高可靠性，一般要求壓力測量范圍0～3.5 Bar；溫度測量范圍－40～+125℃；向心加速度測量范圍－12g～＋115g；工作電壓范圍 1.8～3.6 V。其中壓力、溫度傳感器以半導體硅材料為彈性元件芯片，整合了硅顯微機械加工工藝，在一塊芯片上同時集成了壓力和溫度兩個傳感器，此兩種傳感器同時具有溫度和壓力補償功能。其特點是小型、輕量、靈敏度高、響應速度快、長期穩定性好。

國內力敏、壓敏、溫敏材料和制造工藝的新成果主要有：

（1）清華大學研制成功一種基于石英諧振器應變敏感效應的數字式力與稱重傳感器。研究了敏感元件的力敏特性、諧振器的能陷效應與諧振頻率、諧波次數和結構的關系，保證了良好的頻率穩定性。

（2）沈陽儀器儀表工藝研究所在國內首次解決了擴散硅力敏芯片溫度靈敏度自補償工藝，實現了擴散硅力敏芯片的靈敏度溫度自補償。

（3）哈爾濱理工大學研制成功了"新型本征半導體高分子壓力溫度雙參數傳感器"，首次合成聚省醌自由基高聚物，這是一種壓敏系數和溫度系數極高的高分子材料，通過材料表面處理等技術制成傳感器，解決了油井高溫潛油泵的溫度和壓力測量的難題。

（4）復旦大學發明的掩膜無掩膜腐蝕新工藝為世界首創。在理論上推導出新的底面條件和新生底面深度和位置計算公式，開創了用腐蝕技術制造微結構的新工藝。

三、傳感器在無線傳感器網絡中的應用

無線傳感器網絡是由在空間上相互離散的眾多傳感器相互協作組成的傳感器網絡系統。通常被用來監測在不同地點的物理、力學或環境參量，例如溫度、濕度、壓力、力、扭矩、應力、應變、位移等。在無線傳感器網絡中的每一個節點都配有無線發射和接收裝置，能夠和網絡中的其他節點進行通訊。此外，每一個節點都有自己的微控制器，能量源（通常是電池）。單個的傳感器節點的形狀有很多種，根據被測量對象和用戶要求而定，例如傳感器的尺寸和計量性能、存儲空間、計算性能、網絡速度以及帶寬等。無線傳感器網絡通常會組成一個無線自組織網絡，每一個節點都能作為網絡內其他節點的數據中繼站，將傳感器數據傳輸到基站。無線傳感器網絡已應用到輸油管道遠程監測；山體滑板、高層建筑地基監測；橋梁強度結構健康監測等項目，它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監測和測量，而是對基于多個傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于近年來傳感器無線化、微型化、智能化程度的提高，以及研發出應用壓電石英、光導纖維等敏感機理的新型力、稱重、位移、壓力等傳感器，有條件實現在信息獲取基礎上，多種功能的傳感器進一步集成以致于融合。有力的促進了傳感器技術發展，在無線傳感器網絡系統中取得較好的應用效果。主要應用成果有：

1.高層建筑結構強度健康監測

高層建筑結構及其敏感，其結構強度健康監測的前端測量點的部署很難采用有線方式，否則極易損害建筑結構的受力狀態。因此要求測量節點具有無線能力，體積小巧，可以很容易的安裝在建筑物的關鍵受力點上，而不影響建筑物外觀。各節點的無線傳感器應具有低功耗能力，節點一經部署不需要頻繁更換，省去了復雜耗時的布線操作，只要打開節點開關，位于建筑物監控中心的接受終端就可以實時獲取數據，與建筑報警系統聯動后，一旦探測到可能威脅到建筑物的震動信息，立即發出報警。平時該系統收集的數據還可以用來監測建筑物老化狀況，為建筑物維護提供輔助決策信息。微型無線力與稱重傳感器、微型無線角度傳感器和微型加速度傳感器等，就是高層建筑結構強度健康監測的無線傳感器網絡系統的理想節點部件。

2.橋梁結構強度健康監測

利用傳統的力與稱重傳感器和測量監控設備對橋梁結構強度健康進行監測，需要在整個橋面上鋪設信號和供電電纜，不僅浪費資源而且鋪設起來工程復雜龐大。而使用無線傳感器網絡來進行橋梁結構強度健康監測，就顯得簡單方便多了，只需要將無線傳感器節點沿橋布置并固定在橋梁的關鍵受力點處，各個節點就會自動組織形成網絡并且回傳相關的測量數據。橋梁結構強度健康監測多采用動力響應監測的應變模態法，由于應變是位移的一階導數，對應于每一階位移模態，則必有與其對應的固有應變分布狀態。當橋梁發生病害時，其動力響應值會增大，因此，在橋梁的關鍵部位（如橋墩底部）布置一些諸如加速度傳感器和應變式力傳感器，測量橋梁的動力響應，通過信號調理后記錄分析，判斷響應值是否超過允許值或超過多少，由此對橋梁的安全性進行評判。也可以采用在橋梁各個節點上安裝傳感器，可長期在線監測并通過網絡實現遠距離操作的動力系數法，此法是指橋梁由于振動而增加的應力或動撓度對于靜載所增值的比率。當橋梁發生病害時，動力系數必然會增大。其監測方法是采用電阻應變計或紅外線撓度儀測量橋梁的動、靜應力和動、靜撓度信號，然后利用信號采集系統采集信號，采用專用軟件檢測和記錄車輛行駛引起的時程應力和時程撓度并計算動力系數，分析動力系數是否超過允許值，從而對橋梁的局部或整座橋梁的安全狀態作出評估。

3.原油輸油管線溫度和壓力監測

隨著世界能源消耗量的增加，各個國家越來越依賴于從別國進口石油和天然氣等基礎能源原料，石油輸油管線就是其中最為重要的一環。原油的屬性決定了它必須達到一定溫度才能被稀釋具有良好的粘度特性和流動性。同時，本著節約能源的目的，又要把加熱的溫度控制在一個合理的范圍內，因此，就需要對石油輸油管道的溫度進行監測。在確保原油能夠達到良好流動性的同時降低加熱的能耗。在原油管道沿線布設無線溫度傳感器網絡是最為經濟合理的方案，這樣可以大大節省鋪設信號和供電電纜的成本，同時又能實現數據的網絡智能傳輸。在原油輸油管線的各節點上，安裝無線壓力傳感器又能夠監測輸油管線是否發生泄漏和偷盜事故，并及時報告事故位置。

四、無線力與稱重傳感器

無線力與稱重傳感器的結構與傳統型基本相同，只是要求結構緊湊、體積小、高度低、重量輕。在傳統制造工藝的基礎上增加了電源模塊、采集處理模塊、無線收發模塊等器件。模塊封裝在一個密封的、具備優良屏蔽功能的外殼內，構成全密封的無線力與稱重傳感器。在工作時無線力與稱重傳感器由電池（或太陽能）提供電源，構成無線傳感器網絡節點。由隨機分布的集成有力與稱重傳感器數據處理單元和通信模塊的微型節點，通過自組織的方式構成網絡。它可以采集設備的受力或質量數字信號，通過無線力與稱重傳感器網絡傳輸到監控中心的無線網絡上，直接送入計算機進行分析處理，根據需要無線力與稱重傳感器可以實時傳輸采集整個時間歷程信號。監控中心也可以通過網絡把控制、參數設置等信息無線傳輸給節點。數據調理采集處理模塊把力與稱重傳感器輸出的微弱信號，經過放大、濾波等調理電路后，送到模數轉換器，轉變為數字信號，送到主處理器進行數字信號處理，計算出力與稱重傳感器的有效力值或質量值。電源模塊、采集處理模塊、無線收發模塊均采用超低功耗設計，整個力與稱重傳感器節點具有非常低的電流消耗，使用兩節普通干電池可以工作數年之久，使維護周期大大延長，無線力與稱重傳感器在不采集信息的時候關斷電源或置于睡眠模式。

五、結束語

作為物聯網前端的感知部件，傳感器在物聯網的發展過程中扮演著舉足輕重的角色，無線傳感器網絡是由在空間上相互離散的眾多傳感器相互協作組成的傳感器網絡系統，兩者的核心感知部件都是傳感器，可見傳感器在物聯網和無線傳感器網絡技術發展中的地位與作用。面對激烈的市場競爭以及物聯網和無線傳感器網絡等新興市場的崛起，國內傳感器企業應該把握機遇，以全球競爭的眼光來規劃品牌戰略。物聯網和無線傳感器網絡對傳感器行業的挑戰在于對傳感器的多品種需求，多種敏感機理新產品的需求。國內生產企業應抓住傳感器由傳統型向全新型轉型發展的大好時機，開發出滿足物聯網與無線傳感器網絡檢測、處理、傳輸系統技術要求，具有低功耗特性，支持低碳環保應用需求的各種無線傳感器。