如果把智能(néng)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，感知周围环境并把数据传递给系统进行计算，对情况进行实时分(fēn)析、判断和应对。随着数字化智能(néng)化不断深入，各式各样传感器的用(yòng)武之地大為(wèi)拓宽，為(wèi)人类创造美好生活发挥着巨大作用(yòng)。

　　一部智能(néng)手机里有(yǒu)上百个传感器：有(yǒu)用(yòng)于摄像的CMOS图像传感器，有(yǒu)用(yòng)于检查环境明暗的环境光传感器，还有(yǒu)用(yòng)于导航的地磁传感器、陀螺仪……正是基于这些传感器，手机里的各种应用(yòng)软件才能(néng)流畅工作，手机才能(néng)成為(wèi)集工作、生活、娱乐于一體(tǐ)的便携式智能(néng)设备，带来人们生活方式的巨大变化。风云卫星上的可(kě)见和红外光電(diàn)传感器，能(néng)够不分(fēn)昼夜地获取大气信息，精准预测天气，甚至在月球上、火星上都有(yǒu)传感器工作，帮助人类探索宇宙奥秘。

　　超越感官

　　传感器是信息系统的“慧眼”。它就像人类的眼睛、耳朵、皮肤等器官一样，感知周围环境，帮助我们认识多(duō)姿多(duō)彩的世界。不同之处在于，传感器比人的感官更敏锐、更强大。客观世界所包含的信息多(duō)样程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我们感官的能(néng)力范围。人的眼睛无法观察红外辐射和紫外辐射，耳朵听不见次声波和超声波，对于“不见踪影”却时刻产生影响的磁场也无法感知。这些超出感官范围的信息，传感器都能(néng)“感受”到。

　　随着生产力发展，人类越来越需要全方位地感知世界。1821年，科(kē)學(xué)家利用(yòng)材料因温差产生電(diàn)压的原理(lǐ)，研制出世界上第一个传感器——温度传感器。最初，人们直接利用(yòng)光、热、電(diàn)、力、磁等物(wù)理(lǐ)效应制备各种传感器，这些传感器尺寸大、灵敏度低、使用(yòng)不方便。上世纪70年代，出现了将敏感元件与信号電(diàn)路进行一體(tǐ)化设计的集成传感器，如热電(diàn)偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。这类传感器由半导體(tǐ)、電(diàn)介质、磁性材料等固體(tǐ)元件构成，输出模拟信号。上世纪末开始，数字化传感器快速发展，通过“模拟/数字”转换模块，实现数字信号输出。数字化传感器集成智能(néng)化处理(lǐ)单元，可(kě)以自动采集、处理(lǐ)数据，并能(néng)根据环境自动调整工作参数，数码相机中的光敏元件就是其代表产品。

　　总的来说，传感器的工作原理(lǐ)是某些物(wù)质的電(diàn)學(xué)特性会随环境因素变化。例如铂在不同温度下電(diàn)阻率不同，硅在可(kě)见光照射下電(diàn)阻会减小(xiǎo)，石英受到压力后表面会产生電(diàn)荷。利用(yòng)電(diàn)阻与温度的对应关系，可(kě)以制成温度传感器，进一步给敏感元件添加隔热结构，依据敏感元件温度变化与红外辐射能(néng)量之间的关系，可(kě)以制成红外传感器。在此基础上，还可(kě)以根据目标温度与红外辐射能(néng)量之间的关系，制造出非接触测温传感器。人们熟悉的用(yòng)来测量體(tǐ)温的额温枪就利用(yòng)了这一原理(lǐ)。借助丰富的物(wù)理(lǐ)和化學(xué)效应，人们制备出灵敏度比狗鼻子高1000倍、可(kě)以“闻到”气體(tǐ)分(fēn)子的“電(diàn)子鼻”，以及可(kě)以在黑夜中观察物(wù)體(tǐ)的红外相机等种类丰富、功能(néng)强大的传感器。

　　奠基智能(néng)化

　　数字化是对事物(wù)属性的量化，并用(yòng)数字将其表达為(wèi)抽象结果。借助现代信息技术，人们可(kě)以存储、处理(lǐ)、传播各种数字化信息。传感器可(kě)以将事物(wù)蕴含的各种信息转换成電(diàn)信号，并利用(yòng)数模转换電(diàn)路将電(diàn)信号用(yòng)数字表达，是数字化的有(yǒu)效工具。当你拿(ná)出手机拍照片或视频时，光敏传感器会将接收的光强度信号转换成電(diàn)信号，再按一定的规则用(yòng)数字表达、存储，最终形成手机屏幕上的影像。

　　数字化基于传感器获取信息。数字化系统需要处理(lǐ)的信息量非常庞大，仅靠人工或者传统设备无法获取，凭借传感器则能(néng)够实时、高效、精准、快速地获取，于是有(yǒu)了城市大数据、天气大数据、医疗大数据、农业大数据等。利用(yòng)各类传感器，人们可(kě)以召开遠(yuǎn)程会议、學(xué)习网络课程、扫码支付甚至直播带货，由此发展出数字经济业态。数字经济涉及的云计算、物(wù)联网、人工智能(néng)、5G通信等各类技术，都与传感器息息相关。

　　没有(yǒu)传感器就没有(yǒu)数字化和智能(néng)化。传感器是智能(néng)化系统的第一关，它的水平决定了智能(néng)化系统及其仪器设备的水平。传感器技术已经成為(wèi)國(guó)际上信息高端器件领域的研究前沿，在人工智能(néng)、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等领域均发挥着不可(kě)替代的作用(yòng)。比如一辆汽車(chē)会安装压力、温度、位置、声音、光、電(diàn)等超过100种传感器，由車(chē)载電(diàn)脑进行处理(lǐ)，帮助驾驶员作出判断。对数据的智能(néng)化分(fēn)析降低了驾驶汽車(chē)的难度，让汽車(chē)变得更安全、更好开。而且，无人驾驶汽車(chē)通过传感器实时获取道路信息，一旦发现障碍物(wù)，便通过智慧分(fēn)析及时避让。城市中高楼大厦、桥梁、隧道等建筑，也需要通过视频、温度、压力和烟雾等传感器实时监控安全状况，当数据汇总到一起，智能(néng)化系统便会及时分(fēn)析，提炼出少量关键信息供使用(yòng)者作出决策。甚至在未来，人类的感官也可(kě)以借助传感器变得更加强大，构建起智能(néng)化系统。

　　开拓新(xīn)场景

　　当前，各类传感器都处在进一步提升性能(néng)、降低成本，向数字化、智能(néng)化、小(xiǎo)型化微型化、绿色低碳、可(kě)穿戴等方向进化，呈现出蓬勃发展态势。其中，智能(néng)传感器、柔性传感器、新(xīn)原理(lǐ)传感器的研发具有(yǒu)代表性意义，有(yǒu)望塑造新(xīn)的工作生活方式。

　　发展智能(néng)传感器是重要趋势。借助智能(néng)传感技术，人们设计制造出具备获取、存储、分(fēn)析信息功能(néng)的各种传感单元及微系统，实现低成本、高精度信息采集。智能(néng)传感器广泛应用(yòng)在机器人、无人驾驶、智能(néng)制造、运动定量监测等方面，还可(kě)用(yòng)于开发无创或微创健康监测器件等。近年来流行的动态血糖仪是个很(hěn)好的例子。糖尿病患者将柔性传感器无痛置入身體(tǐ)，传感器每5分(fēn)钟测一次血糖值，并传送到手机应用(yòng)中。患者可(kě)以观察血糖曲線(xiàn)变化，及时通过饮食和运动等方法调节血糖，有(yǒu)的患者甚至由此告别了药物(wù)和胰岛素治疗。此外，人们还在研发可(kě)降解電(diàn)子器件，让智能(néng)传感器更好助力低碳环保生活。

　　发展柔性传感器是另一趋势。许多(duō)应用(yòng)场景要求传感器制备在柔性基质材料上，并具有(yǒu)透明、柔韧、延展、可(kě)自由弯曲甚至折叠、便于携带、可(kě)穿戴等特点。目前制备柔性传感器的常用(yòng)传感材料有(yǒu)碳基材料（炭黑、碳纳米管和石墨烯等）、金属纳米材料（金属纳米線(xiàn)、金属纳米颗粒等）、高分(fēn)子聚合物(wù)和蛋白纤维等。例如一种具有(yǒu)可(kě)拉伸、抗撕裂和自我修复能(néng)力的交联超分(fēn)子聚合物(wù)薄膜電(diàn)极材料，可(kě)用(yòng)于制造下一代可(kě)穿戴和植入式柔性電(diàn)子器件。将集成多(duō)功能(néng)的柔性传感器与柔性印制電(diàn)路结合，可(kě)以制成“智能(néng)带”，把它穿戴在身體(tǐ)的不同部位，可(kě)实时监测与分(fēn)析生理(lǐ)信息，帮助人们特别是感官退化的群體(tǐ)了解自身健康状况。

　　新(xīn)原理(lǐ)传感器也在不断出现。在基础研究领域，新(xīn)的规律陆续被发现，人们正利用(yòng)这些科(kē)學(xué)新(xīn)认知制备传感器。同时，技术进步也对基础研究提出新(xīn)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(néng)参数；在高速实验中，需要可(kě)以记录飞秒(miǎo)尺度信息的条纹相机；在量子通信中，需要灵敏度达到单光子的光電(diàn)探测器；在空天科(kē)技中，需要实现对高速运动物(wù)體(tǐ)和冷目标的探测，等等。这就要求科(kē)學(xué)家们进一步探索物(wù)理(lǐ)世界，发现新(xīn)现象新(xīn)规律，提升传感器性能(néng)。

　　随着科(kē)技快速发展，新(xīn)材料新(xīn)工艺不断投入应用(yòng)，性能(néng)更强、种类更丰富、智能(néng)化水平更高的传感器将创造更多(duō)工作生活新(xīn)场景，帮助人们“感受”美好生活。

　　（褚君浩 作者為(wèi)中國(guó)科(kē)學(xué)院院士、中國(guó)科(kē)學(xué)院上海技术物(wù)理(lǐ)研究所研究员）