據(jù)工信部電子元器件行業(yè)發(fā)展研究中心總工程師、中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長郭源生介紹，美國每年度財政預(yù)算約有69億美元，用于傳感器基礎(chǔ)技術(shù)與應(yīng)用研究，稱其為“Sensor Revolution”（即：傳感器革命）。

美國國家科學(xué)發(fā)展基金會認(rèn)為：

“80年代個人電腦把運(yùn)算簡化到人們手指尖上；90年代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把人們對信息的需求通過網(wǎng)絡(luò)變得全球化；本世紀(jì)的重大變革就是：通過網(wǎng)絡(luò)，把物質(zhì)世界聯(lián)接起來，并賦予它一個電子神經(jīng)系統(tǒng)，使它具有能夠感知信息的生命，而能夠擔(dān)當(dāng)這一重任的核心就是傳感器”。

本文即翻譯自美國國家科學(xué)基金會（簡稱NSF）作為特別報告發(fā)布的《傳感器革命》（The Sensor Revolution），NSF是美國獨(dú)立的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于中國國家自然科學(xué)基金委員會，擔(dān)負(fù)著促進(jìn)國家科學(xué)進(jìn)步的責(zé)任。

同時，NSF是美國大學(xué)、機(jī)構(gòu)和智庫基礎(chǔ)研究的最大資金來源之一，因此NSF影響著美國基礎(chǔ)科學(xué)的研究動向。值得注意的是，《傳感器革命》發(fā)表于19年前的2004年，以每年約69億美元的投入粗略計算，在傳感器基礎(chǔ)技術(shù)與應(yīng)用研究上美國至少投入了超過1300億美元（約8937億人民幣）。

美國今天能在全球傳感器產(chǎn)業(yè)中占據(jù)最高份額，與其高度重視不無相關(guān)。我們今天仍未對傳感器的關(guān)鍵作用有清醒的認(rèn)識，沒有足夠的重視，這為我們敲響警鐘。

概述

在20世紀(jì)80年代，個人電腦革命將計算機(jī)置于我們的指尖。20世紀(jì)90年代，互聯(lián)網(wǎng)革命用網(wǎng)絡(luò)將我們與橫跨地球的另一端聯(lián)系在一起。

現(xiàn)在，下一場革命是將互聯(lián)網(wǎng)連接回現(xiàn)實中，我們生活在一個物質(zhì)世界里，這是世界上第一個電子神經(jīng)系統(tǒng)，我們稱之為傳感器革命：大量的設(shè)備以我們幾乎無法想象的方式監(jiān)控我們周圍的環(huán)境，其中一些現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)，其他的也將實現(xiàn)。

環(huán)境與民用基礎(chǔ)設(shè)施

無線濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測偏遠(yuǎn)森林的火災(zāi)危險，硝酸鹽傳感器探測河流、溪流和井中的農(nóng)業(yè)污染，而分布式地震傳感器為地震提供預(yù)警系統(tǒng)。同時，內(nèi)置應(yīng)力傳感器報告橋梁、建筑物和道路以及其他人造建筑物的結(jié)構(gòu)完整性。

工商業(yè)

在工廠地面上，聯(lián)網(wǎng)的振動傳感器警報機(jī)器軸承開始出現(xiàn)故障，安排工人夜間維護(hù)，防止損失巨大的突然停機(jī)。在冷藏雜貨車內(nèi)，溫度和濕度傳感器監(jiān)測單個容器，減少易碎魚類或農(nóng)產(chǎn)品的變質(zhì)。

健康

嵌入衣服中的傳感器與其他體內(nèi)傳感器聯(lián)網(wǎng)，持續(xù)監(jiān)測我們的生命體征。對于即將發(fā)作的心臟病或危險的高血壓疾病，需要進(jìn)行早期醫(yī)療干預(yù)。糖尿病患者血糖水平的飆升，由微型傳感器持續(xù)監(jiān)測，觸發(fā)輸液泵輸送胰島素，完美模擬健康的胰腺作用。

安全和安保

消防隊員將無線傳感器分散在整個燃燒的建筑中，以繪制熱點和火焰。同時，傳感器提供緊急通信網(wǎng)絡(luò)。醫(yī)院、郵局和運(yùn)輸中心的微型化學(xué)和生物傳感器在炭疽、天花、蓖麻毒素或其他有疑似恐怖分子出現(xiàn)的跡象時，就會發(fā)出警報。

傳感器技術(shù)：力量的匯聚

傳感器是任何能夠接受刺激（如熱、光、磁或暴露于特定化學(xué)物質(zhì)）并將其轉(zhuǎn)換為特定信號的設(shè)備。

傳感器已經(jīng)存在很長時間了，例如天平——重量傳感器——至少在9000年前就被蘇美爾人使用了。

溫度計——溫度傳感器是16世紀(jì)末伽利略等人開發(fā)的。幾十年后，伽利略的助手托里切利（Torricelli）發(fā)明了氣壓計——壓力傳感器。

最近，科學(xué)家和工程師們發(fā)明了用于感應(yīng)光（光電管）、聲音（麥克風(fēng)）、地面振動（地震計）和力（加速度計）的設(shè)備，以及用于磁場和電場、輻射、應(yīng)變、酸度和許多其他現(xiàn)象的傳感器。

從我們在機(jī)場通過的金屬探測器到保護(hù)我們家園的煙霧探測器，我們的現(xiàn)代文明完全依賴于傳感器。雖然傳感器的概念并不新鮮，但傳感器技術(shù)正在經(jīng)歷一場快速的變革。

事實上，曾經(jīng)徹底改變世界的計算機(jī)、電子通信以及生物技術(shù)行業(yè)的趨勢，正在傳感器上展現(xiàn)：

1、更小：

納米技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域的快速發(fā)展促進(jìn)了傳統(tǒng)傳感器的微型化，而且啟發(fā)了基于全新原理的傳感器的發(fā)明。

美國加州理工學(xué)院的化學(xué)家內(nèi)森·S·劉易斯（Nathan S. Lewis）及其同事開發(fā)的電子鼻就是一個例子。另一種是懸臂梁傳感器，在國家科學(xué)基金會通過其納米技術(shù)優(yōu)先領(lǐng)域資助的許多項目中，以及XYZ芯片項目等，還可以找到其他類似項目。

2、更智能：

微電子技術(shù)的能力呈指數(shù)級增長，使得制造具有內(nèi)置“智能”的傳感器成為可能，至少在原則上，今天的傳感器可以存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，只選擇最相關(guān)和最關(guān)鍵的信息進(jìn)行報告。

3、移動化程度更高：

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速普及增強(qiáng)了聯(lián)系，如今，許多傳感器從遠(yuǎn)方發(fā)回數(shù)據(jù)，無論它們正在進(jìn)行什么運(yùn)動。

然而，隨著這些力量的匯聚，傳感器對研究人員和社會都提出了嚴(yán)峻的新挑戰(zhàn)。

傳感器技術(shù)：野外生存

下一代傳感器需要由堅固的材料制成。畢竟，許多潛在應(yīng)用場景需要大量的傳感器，這些傳感器分散在廣泛的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，因此不可能單獨(dú)使用。

同時，這些設(shè)備必須在沒有電源插座、沒有寬帶電纜連接、沒有技術(shù)支持，甚至有可能被浸泡、烘烤、冷凍、掩埋、踩踏、或者吃掉的地方，需要一次獨(dú)立運(yùn)行數(shù)天、數(shù)周或數(shù)月。

這就帶來了一些令人棘手的工程挑戰(zhàn)，其中最困難的是電源：許多廉價且批量生產(chǎn)的傳感器是一種電池空間很小的傳感器。這就是為什么工程師們經(jīng)常安排讓這些設(shè)備將在大部分時間中都處于睡眠模式下，在睡眠模式下，它們可以僅靠最微弱的電能工作。

傳感器只需要偶爾醒來一小段時間，就可以快速讀取儀器數(shù)據(jù)，如果需要的話，還可以回傳一些數(shù)據(jù)。

▲這種“智能塵埃”微塵是一種檢測環(huán)境光和加速度的傳感器，并包含一個用于通信的微型無線電天線（十字）（來自加州大學(xué)伯克利分校傳感器和致動器中心）

另一個挑戰(zhàn)是將這些信息帶回總部。在沒有互聯(lián)網(wǎng)的野外，最新的傳感器可以通過有效的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳遞到另一個傳感器，形成自己的網(wǎng)絡(luò)。

但這聽起來很困難。一方面，連接通常限于非常低的功率、非常短的距離和非常低的數(shù)據(jù)速率。更糟糕的是，如果傳感器連接到車輛或動物上，它們將經(jīng)常需要四處移動，并且有嚴(yán)重的環(huán)境噪聲干擾。

這就是為什么許多工程師都在強(qiáng)調(diào)自組織網(wǎng)絡(luò)（ad hoc networks），在這種網(wǎng)絡(luò)中，傳感器被編程尋找附近的傳感器，并在沒有人工干預(yù)的情況下自己形成網(wǎng)絡(luò)鏈接。如果這些鏈接中的任何一個被阻止或斷開，傳感器將自動尋找新的鏈接來替換它們。

此外，還有社會倫理方面的挑戰(zhàn)。例如，起到隱私保護(hù)的最佳方式是什么，這樣新一代傳感器就不會成為不良分子的工具？如何建立同樣強(qiáng)大的安全保障措施，使黑客無法竊聽無線數(shù)據(jù)流？

美國國家科學(xué)基金會資助的研究人員正在尋求解決所有這些挑戰(zhàn)的方法，并尋求獲得其他機(jī)構(gòu)和行業(yè)研究人員的支持。

盡管如此，已經(jīng)有許多傳感器技術(shù)支持大量應(yīng)用。請繼續(xù)閱讀環(huán)境與民用基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)與商業(yè)、健康與安全與安保方面的更多例子。

傳感器應(yīng)用：環(huán)境和民用基礎(chǔ)設(shè)施

為了跟蹤沙漠、森林、海洋或大氣中不斷變化的氣象，環(huán)境傳感器必須穿越大雪、暴雨、酷熱和黑夜傳遞信息。

連接在橋梁、公路和其他結(jié)構(gòu)上的傳感器如果需要在颶風(fēng)和地震中發(fā)揮作用，將面臨類似的極端條件或更糟的情況。NSF資助的研究人員正在開發(fā)新的傳感器，可以在這些環(huán)境中可靠工作。他們還在傳感器系統(tǒng)方面努力工作，設(shè)計和部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，為民用和環(huán)境監(jiān)測帶來前所未有的細(xì)致數(shù)據(jù)。

在森林中植入傳感器

在加州大學(xué)洛杉磯分校嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感中心（CENS），William Kaiser 監(jiān)測加利福尼亞州圣哈辛托山脈的脆弱生態(tài)系統(tǒng)。

通過將固定數(shù)據(jù)采集站和移動“信息機(jī)械系統(tǒng)”聯(lián)網(wǎng)的方式，Kaiser 的研究小組正在密切關(guān)注詹姆斯保護(hù)區(qū)（James Reserve），該保護(hù)區(qū)是50種瀕危物種的家園。

▲在華盛頓州，一個機(jī)器人傳感器組件懸掛在兩個樹梢之間。該儀器可以沿電纜上下移動，提供圖像和精確的當(dāng)?shù)貧夂驍?shù)據(jù)。來源：加州大學(xué)洛杉磯分校嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感中心

該組織的移動設(shè)備沿著從一棵樹到另一棵樹的導(dǎo)線移動，部署傳感器，在森林地面以上不同高度測量溫度、濕度和光照水平。這些設(shè)備由太陽能電池組供電，最終將包括100個站點的網(wǎng)絡(luò)中，通過一個個節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)。

該中心主任黛布拉·埃斯特林（DebraEstrin）和她的同事開發(fā)了協(xié)議和數(shù)據(jù)管理技術(shù)，使這種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠在功率限制、不穩(wěn)定的傳輸環(huán)境和不斷變化的節(jié)點數(shù)量等阻礙傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r下運(yùn)行。

這些類似的傳感器網(wǎng)絡(luò)也被用于其他CENS項目，例如監(jiān)測鳥類的筑巢棲息地，跟蹤農(nóng)場通過沉積區(qū)流入河流的肥料污染。

建筑感知

加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員在Factor Health Sciences Building 的校園里建立了一個嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)，他們必須調(diào)整自己的技術(shù)以應(yīng)對一系列新的挑戰(zhàn)。

大樓的17層鋼框架對傳感器的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重破壞。（想象一下在電梯里使用手機(jī)。）他們?yōu)樵摻Y(jié)構(gòu)的可靠運(yùn)行而開發(fā)了新的通信協(xié)議，幫助他們從連接到建筑物和橋梁的應(yīng)變和振動傳感器收集數(shù)據(jù)，這是一種稱為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用。

▲新墨西哥州阿爾伯克基市外的里奧普爾科大橋是用嵌入式光纖傳感器建造的，用于監(jiān)測和磨損。

橋梁和公路感知

新墨西哥州立大學(xué)（NewMexico State University）的羅拉·伊德里斯（Rola Idriss）等土木工程師預(yù)計，有一天，嵌入在橋梁和道路上的傳感器，會在人類檢測人員發(fā)現(xiàn)異常磨損之前，定期報告其健康情況。與人類醫(yī)療保健一樣，早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性健康問題可以進(jìn)行早期干預(yù)，最終節(jié)省資金，延長壽命，提高安全性。

伊德里斯（Idriss）和她的同事在國家科學(xué)基金會和聯(lián)邦公路管理局的支持下，在拉斯克魯斯州國際10號公路上一座20世紀(jì)70年代的橋梁上安裝了120個光纖傳感器。光纖傳感器為大學(xué)研究人員提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流，記錄橋梁對交通、天氣和時間破壞的情況。

新墨西哥團(tuán)隊對阿爾伯克基附近的新里約熱內(nèi)盧-普爾科大橋（new Rio Puerco bridge）寄予了更高的期望，這是一種創(chuàng)新的高性能混凝土設(shè)計，在其橫梁上安裝了大量傳感器。

團(tuán)隊將橋梁使用期間從內(nèi)部傳感器獲取的數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)檢測技術(shù)獲取的信息進(jìn)行比較，將有助于他們制定更有效的監(jiān)測和維護(hù)程序。

傳感器應(yīng)用：工商業(yè)

從盤式制動器到磁盤驅(qū)動器，美國工業(yè)依賴其產(chǎn)品和工廠中的傳感器。通過采用新的傳感器技術(shù)，制造商可以為其產(chǎn)品帶來新的能力，同時提高性能和效率。同時，工業(yè)傳感器通過提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少停機(jī)時間，幫助保持美國工業(yè)的競爭力。

道路上的傳感器

在今天的汽車中，轉(zhuǎn)速傳感器將四個車輪的數(shù)據(jù)傳送到防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）和牽引力控制系統(tǒng)。

燃燒和抗爆傳感器可幫助發(fā)動機(jī)計算調(diào)整燃油混合物，即使負(fù)載和條件發(fā)生變化，也能實現(xiàn)高效、清潔的燃燒效果。

碰撞感應(yīng)加速計可以微妙地分析碰撞的真實性，使汽車的安全氣囊能夠以最小的沖擊力釋放。

▲安全氣囊展開由精確但廉價的加速計控制，加速計是一種檢測突然碰撞的傳感器。這些器件是應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的一個領(lǐng)域。來源：美國公路安全保險協(xié)會

在過去幾年中，每輛車的傳感設(shè)備數(shù)量翻了一番，并且隨著復(fù)雜但廉價的傳感器越來越普及，傳感器數(shù)量也在不斷增加。

韋恩州立大學(xué)（WayneStateUniversity）的Le YiWang等工程師幫助汽車設(shè)計師優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)。楊教授正在研究如何融合多個傳感器的信息，以有效控制發(fā)動機(jī)和動力系統(tǒng)，即使單個傳感器提供的數(shù)據(jù)不完善。

遠(yuǎn)處的庫存

射頻識別（RFID）是發(fā)展最快的傳感器技術(shù)。RFID系統(tǒng)將電磁感應(yīng)與無線電通信相結(jié)合。RFID標(biāo)簽和Interrogators可用于跟蹤倉庫中的庫存或收集移動車輛的通行費(fèi)。

德州儀器公司（TI）為新的半導(dǎo)體制造線配備射頻發(fā)射器，并在每一個載波上貼上ID標(biāo)簽。晶圓流水線完成的每一個加工步驟現(xiàn)在都可以記錄在中心數(shù)據(jù)庫中，同時最大限度地減少人員搬運(yùn)和相關(guān)污染。

加州大學(xué)伯克利分校的Vivek Subramanian等研究人員正在研究降低成本和提高RFID標(biāo)簽功能的方法。他們預(yù)測有一天電子標(biāo)簽在日常商業(yè)中將取代條形碼。

▲一塊硅晶圓上制造可以一次制造幾十個這樣微校的壓力傳感器。來源：密歇根大學(xué)NSF無線集成微系統(tǒng)工程研究中心

學(xué)校里的傳感器

在麻省理工學(xué)院，哈里·巴拉克里希南（HariBalakrishnan）、塞思·泰勒（SethTeller）、埃里克·德梅因（ErikDemaine）和邁克爾·斯通布雷克（MichaelStonebraker）都有宏偉的計劃。

他們將全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻標(biāo)簽和超聲波信標(biāo)相結(jié)合，以“激活”麻省理工學(xué)院校園。他們設(shè)想將該系統(tǒng)用于從監(jiān)測和維護(hù)實體工廠到清點圖書館資產(chǎn)，再到幫助訪客在校園內(nèi)找到自己的路等所有方面。

▲綁在跑步者鞋帶上的射頻識別標(biāo)簽（插圖）準(zhǔn)確記錄了每位參賽者穿過起跑線和終點線的時間，即使在人群中也是如此。來源：ChampionChip World

傳感器應(yīng)用：健康

傳感器在醫(yī)療保健和診斷的每個階段都有應(yīng)用。

醫(yī)生現(xiàn)在正在進(jìn)行臨床測試，這些測試幾年前才被送到實驗室。檢測結(jié)果可以立即獲得，而且成本更低。

無線可穿戴傳感器可以在家中對老年人或慢性病患者進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。在緊急情況下，即使有多人傷亡，無線患者監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)仍然可以在急救人員和醫(yī)院急診室之間快速準(zhǔn)確地傳輸信息。

皮下成像

在波士頓東北大學(xué)NSF地下傳感和成像系統(tǒng)中心（CENSIS），研究人員正在使用“基于物理的成像”方法從地下傳感技術(shù)中提取最大可用信息。

東北大學(xué)、波士頓大學(xué)和倫斯勒理工學(xué)院的科學(xué)家和工程師將最先進(jìn)的制造技術(shù)與復(fù)雜的物理模型相結(jié)合，創(chuàng)造出能夠“穿透”皮膚、水或其他組織和液體的儀器。

他們正在使用這種方法來改進(jìn)乳房X光檢查，并通過對胚胎的內(nèi)部檢查來提高體外受精的成功率。它同樣適用于非醫(yī)學(xué)問題，如地雷探測和珊瑚礁監(jiān)測。波多黎各大學(xué)馬亞圭茲分校正在研究這一應(yīng)用程序。

▲一系列微小的金屬針可以抽血用于血糖監(jiān)測或其他診斷測試，比普通針（顯示為對比信息）疼痛更小，來源：喬治理工學(xué)院

視覺修復(fù)

在韋恩州立大學(xué)，網(wǎng)絡(luò)無線傳感器實驗室的羅蘭·施維伯特（Loren Schwiebert）和他的同事正在利用他們的技術(shù)幫助視力受損者。

他們設(shè)計的人工視網(wǎng)膜和皮質(zhì)植入物將信號從外部攝像頭傳輸?shù)窖劬Φ母兄窠?jīng)。小組使用視網(wǎng)膜修復(fù)術(shù)來幫助患有視網(wǎng)膜炎、黃斑變性或其他疾病的患者，在這些疾病中，眼睛自身的傳感器（視桿和視錐）被破壞，但潛在的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)是完好的。

當(dāng)視網(wǎng)膜本身受損且對電刺激無反應(yīng)時，他們使用皮質(zhì)植入物代替。Schwiebert 正在研究這些系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和電源管理，這些系統(tǒng)不能依賴內(nèi)部電源，因為植入的電子設(shè)備必須通過無線電鏈路與高帶寬視頻數(shù)據(jù)一起供電。

早期心臟病預(yù)防

路易斯維爾大學(xué)（University of Louisville）的研究人員Kyung Kang和他的同事Chang Ahn在辛辛那提大學(xué)（University of Cincinnati）使用MEMS加工方法制造微流控設(shè)備，可以同時執(zhí)行四個單獨(dú)的生化分析。通過同時測量四個心臟標(biāo)記物，他們希望改善對疑似心臟病發(fā)作患者的護(hù)理。

Case Western Reserve University電氣工程師Darrin Young有另一種改善心臟健康的方法。Young的團(tuán)隊正在研究用于心率、血壓和溫度的藥丸大小的植入式傳感器。

Young與Case醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家約瑟夫·納多（JosephNadeau）合作，希望能識別高危患者，在他們心臟病或癲癇發(fā)作前的關(guān)鍵階段被發(fā)現(xiàn)。

▲微型無線傳感器監(jiān)測急診患者的心率、血氧水平和其他生命體征。傳感器數(shù)據(jù)被捕獲到一個記錄中，可以通過一個安全的無線網(wǎng)絡(luò)訪問該記錄，從而在每個階段幫助醫(yī)療決策者，從急救人員到救護(hù)車技術(shù)人員再到急診室醫(yī)生。來源：哈佛大學(xué)

護(hù)理阿爾茨海默癥

西北大學(xué)化學(xué)家Richard van Duyne 和神經(jīng)生物學(xué)家 William Klein 的傳感器研究可能會使阿爾茨海默病患者受益。Van Duyne的研究小組利用表面等離子體共振來檢測分子附著時傳感器電子特性的微小位移。

通過微調(diào)傳感器的表面化學(xué)性質(zhì)，可以研究不同分子的附著特性。克萊因有一個理論，稱為淀粉樣β衍生擴(kuò)散配體（ADDL）的小蛋白是阿爾茨海默病病理學(xué)的關(guān)鍵因素，因此他與范杜因?qū)嶒炇业难芯咳藛T合作開發(fā)了PSPR傳感器，用于監(jiān)測ADDL與其抗體的結(jié)合。

傳感器應(yīng)用：安全與安保

家用煙霧和一氧化碳探測器很常見；運(yùn)動監(jiān)測器觸發(fā)泛光燈照亮車道和停車場；金屬探測器和生物危害監(jiān)測器守衛(wèi)著港口和交通樞紐。泄漏傳感器保護(hù)工廠工人免受危險化學(xué)品的傷害。

我們的家庭、公共空間和工作場所的安全取決于快速感知危險并及時發(fā)出警告。在國家科學(xué)基金會資助下開發(fā)的新傳感技術(shù)，以及從分布式傳感器系統(tǒng)收集和處理數(shù)據(jù)的新方法，支持國家努力提高可靠和準(zhǔn)確評估威脅安全狀況的能力。

納米技術(shù)傳感器

在西北大學(xué)納米尺度科學(xué)與工程中心（NSEC）的集成納米圖案化和檢測技術(shù)領(lǐng)域，化學(xué)家兼中心主任查德·米爾金（Chad Mirkin）使用蘸筆光刻技術(shù)在硅襯底上沉積“鎖定”生物分子。Mirkin和他的同事們只寫了幾納米寬的分子圖案，然后將修飾過的基底暴露在含有“關(guān)鍵”分子的溶液中。他們能夠觀察到兩者之間的結(jié)合，既具有高度的敏感性，又具有高度的特異性。

傳感器能夠檢測微小的有害物質(zhì)。同樣的傳感器框架也可以通過改變分子“墨水”來適應(yīng)，而分子“墨水”的模式是電子技術(shù)學(xué)家對傳感器發(fā)展的看法。

人造鼻

Nate Lewis的工作展示了一種不同于感知化學(xué)或生物制劑的方法。Lewis的技術(shù)使用了一組傳感器，每一個傳感器都感測的不是一個高度特異的分子，而是一組相關(guān)的化合物。

他利用計算機(jī)技術(shù)將來自幾個不同傳感器的信號進(jìn)行融合，并將結(jié)果與已知的反應(yīng)進(jìn)行比較，從而創(chuàng)造出一種可以嗅出微量各種化學(xué)物質(zhì)的人工鼻。

▲這些玻璃纖維是靈活耐用的中子和γ射線傳感器，應(yīng)用于國家安全、醫(yī)學(xué)和材料研究。來源：太平洋西北國家實驗室

掌上實驗室

無線集成微系統(tǒng)中心（WIMS）是美國國家科學(xué)基金會（NSF）的一個工程研究中心，由微電子機(jī)械系統(tǒng)（microelectromechanical systems）先驅(qū)肯索爾·懷斯（Kensall Wise）領(lǐng)導(dǎo)，該中心正在整合制造可聯(lián)網(wǎng)、手表大小的化學(xué)分析儀所需的所有部件。來自密歇根大學(xué)、密歇根理工大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家和工程師參與了該項目，為微型儀器設(shè)計傳感器、泵、低功耗微處理器和射頻組件。

雖然WIMS的工作最終將成為許多不同類型傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，但他們目前的工作集中在兩個試驗項目上：耳蝸植入和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

來自密歇根大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院的特德·澤勒（TedZellers）領(lǐng)導(dǎo)了一個團(tuán)隊，該團(tuán)隊設(shè)計了監(jiān)控試驗臺，這是一種微尺度色譜儀，可以在國土安全應(yīng)用或工業(yè)過程控制中同等有效地檢測有害氣體。

為了將化學(xué)分析的工作量縮小到1立方厘米，Zellers、Wise和他們的學(xué)生將一米長、100微米寬的色譜柱包裹成緊密的螺旋結(jié)構(gòu)。他們設(shè)計和制造了微型泵、閥門和噴射器，以捕獲樣品氣體并通過儀器進(jìn)行運(yùn)輸。

他們構(gòu)建的電子電路可以從電池中產(chǎn)生所有必要的電壓，并通過集成的微機(jī)械天線和射頻電路傳輸數(shù)據(jù)。在不影響性能的情況下，盡可能將尺寸和功耗降至最低。

▲這張電子顯微照片顯示了刻蝕在晶圓上的一米長毛細(xì)管的中心。在氣相色譜中，不同的氣體在穿過長而窄的毛細(xì)管柱時會分離。來源：密歇根大學(xué)NSF無線集成微系統(tǒng)工程研究中心

結(jié)語

這是一篇NSF發(fā)表于2004年的報告，名為“傳感器革命”可見NSF以及美國對傳感器產(chǎn)業(yè)的重視。雖然這是一篇非常“古老”的內(nèi)容，發(fā)表于18年前，但我們?nèi)泽@訝于美國對傳感器的重視，以及內(nèi)容中對傳感器技術(shù)的前瞻性。

在過去的幾十年里，美國國家科學(xué)基金會一直在支持美國傳感器的基礎(chǔ)研究工作，持續(xù)至今，奠定了美國傳感器技術(shù)領(lǐng)先世界的實力，同時其傳感器產(chǎn)業(yè)也占據(jù)全球最大份額。

本文通過一個個例子，介紹傳感器在社會中的應(yīng)用，似乎遠(yuǎn)比講一些空洞的“傳感器很重要”之類的話更加直觀，更能感受傳感器重要性，美國稱之為“傳感器革命”。

十幾年過去，即使今天看來，文中的許多傳感器應(yīng)用和技術(shù)開發(fā)，依然非常前沿且應(yīng)用場景上極具想象空間。

這為我們敲響了警鐘，對比美國對傳感器的重視程度，我們對傳感器的重視還嚴(yán)重不足！中國的傳感器革命什么時候到來？