原创 20年10000亿元搞传感器基础研发?美国国家科学基金会发布:传感器革命

2024-6-9 20:52 114 3 3 分类: 汽车电子

此前九三中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长郭源生曾介绍,美国每年度财政预算约有69亿美元,用于传感器基础技术与应用研究,称其为“Sensor Revolution”(即:传感器革命)。

美国国家科学发展基金会认为:

“80年代个人电脑把运算简化到人们手指尖上;90年代互联网技术把人们对信息的需求通过网络变得全球化;本世纪的重大变革就是:通过网络,把物质世界联接起来,并赋予它一个电子神经系统,使它具有能够感知信息的生命,而能够担当这一重任的核心就是传感器”。

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20年前的2004年,美国国家科学基金会(简称NSF)发不了《传感器革命》(The Sensor Revolution)特别报告,本文即为该报告译文,NSF是美国独立的联邦机构,相当于中国国家自然科学基金委员会,担负着促进国家科学进步的责任。

同时,NSF是美国大学、机构和智库基础研究的最大资金来源之一,因此NSF影响着美国基础科学的研究动向。值得注意的是,以每年约69亿美元的投入粗略计算,在传感器基础技术与应用研究上美国或许已投入了超过1380亿美元(约9994亿人民币)。

美国今天能在全球传感器产业中占据最高份额,与其高度重视不无相关。我们今天仍未对传感器的关键作用有清醒的认识,没有足够的重视,这为我们敲响警钟。

如需《传感器革命》(The Sensor Revolution)PDF原文档(英文),可在传感器专家网公众号对话框回复关键词【传感器革命】获取下载链接。

概述

在20世纪80年代,个人电脑革命将计算机置于我们的指尖。20世纪90年代,互联网革命用网络将我们与横跨地球的另一端联系在一起。

现在,下一场革命是将互联网连接回现实中,我们生活在一个物质世界里,这是世界上第一个电子神经系统,我们称之为传感器革命:大量的设备以我们几乎无法想象的方式监控我们周围的环境,其中一些现在已经实现,其他的也将实现。

环境与民用基础设施

无线湿度传感器网络监测偏远森林的火灾危险,硝酸盐传感器探测河流、溪流和井中的农业污染,而分布式地震传感器为地震提供预警系统。同时,内置应力传感器报告桥梁、建筑物和道路以及其他人造建筑物的结构完整性。

工商业

在工厂地面上,联网的振动传感器警报机器轴承开始出现故障,安排工人夜间维护,防止损失巨大的突然停机。在冷藏杂货车内,温度和湿度传感器监测单个容器,减少易碎鱼类或农产品的变质。

健康

嵌入衣服中的传感器与其他体内传感器联网,持续监测我们的生命体征。对于即将发作的心脏病或危险的高血压疾病,需要进行早期医疗干预。糖尿病患者血糖水平的飙升,由微型传感器持续监测,触发输液泵输送胰岛素,完美模拟健康的胰腺作用。

安全和安保

消防队员将无线传感器分散在整个燃烧的建筑中,以绘制热点和火焰。同时,传感器提供紧急通信网络。医院、邮局和运输中心的微型化学和生物传感器在炭疽、天花、蓖麻毒素或其他有疑似恐怖分子出现的迹象时,就会发出警报。

传感器技术:力量的汇聚

传感器是任何能够接受刺激(如热、光、磁或暴露于特定化学物质)并将其转换为特定信号的设备。

传感器已经存在很长时间了,例如天平——重量传感器——至少在9000年前就被苏美尔人使用了。

温度计——温度传感器是16世纪末伽利略等人开发的。几十年后,伽利略的助手托里切利(Torricelli)发明了气压计——压力传感器。

最近,科学家和工程师们发明了用于感应光(光电管)、声音(麦克风)、地面振动(地震计)和力(加速度计)的设备,以及用于磁场和电场、辐射、应变、酸度和许多其他现象的传感器。

从我们在机场通过的金属探测器到保护我们家园的烟雾探测器,我们的现代文明完全依赖于传感器。虽然传感器的概念并不新鲜,但传感器技术正在经历一场快速的变革。

事实上,曾经彻底改变世界的计算机、电子通信以及生物技术行业的趋势,正在传感器上展现:

1、更小:

纳米技术和微机电系统(MEMS)等领域的快速发展促进了传统传感器的微型化,而且启发了基于全新原理的传感器的发明。

美国加州理工学院的化学家内森·S·刘易斯(Nathan S. Lewis)及其同事开发的电子鼻就是一个例子。另一种是悬臂梁传感器,在国家科学基金会通过其纳米技术优先领域资助的许多项目中,以及XYZ芯片项目等,还可以找到其他类似项目。

2、更智能:

微电子技术的能力呈指数级增长,使得制造具有内置“智能”的传感器成为可能,至少在原则上,今天的传感器可以存储数据和处理数据,只选择最相关和最关键的信息进行报告。

3、移动化程度更高:

无线网络技术的迅速普及增强了联系,如今,许多传感器从远方发回数据,无论它们正在进行什么运动。

然而,随着这些力量的汇聚,传感器对研究人员和社会都提出了严峻的新挑战。


传感器技术:野外生存

下一代传感器需要由坚固的材料制成。毕竟,许多潜在应用场景需要大量的传感器,这些传感器分散在广泛的目标区域内,因此不可能单独使用。

同时,这些设备必须在没有电源插座、没有宽带电缆连接、没有技术支持,甚至有可能被浸泡、烘烤、冷冻、掩埋、踩踏、或者吃掉的地方,需要一次独立运行数天、数周或数月。

这就带来了一些令人棘手的工程挑战,其中最困难的是电源:许多廉价且批量生产的传感器是一种电池空间很小的传感器。这就是为什么工程师们经常安排让这些设备将在大部分时间中都处于睡眠模式下,在睡眠模式下,它们可以仅靠最微弱的电能工作。

传感器只需要偶尔醒来一小段时间,就可以快速读取仪器数据,如果需要的话,还可以回传一些数据。

▲这种“智能尘埃”微尘是一种检测环境光和加速度的传感器,并包含一个用于通信的微型无线电天线(十字)(来自加州大学伯克利分校传感器和致动器中心)

另一个挑战是将这些信息带回总部。在没有互联网的野外,最新的传感器可以通过有效的无线网络技术将数据从一个传感器传递到另一个传感器,形成自己的网络。

但这听起来很困难。一方面,连接通常限于非常低的功率、非常短的距离和非常低的数据速率。更糟糕的是,如果传感器连接到车辆或动物上,它们将经常需要四处移动,并且有严重的环境噪声干扰。

这就是为什么许多工程师都在强调自组织网络(ad hoc networks),在这种网络中,传感器被编程寻找附近的传感器,并在没有人工干预的情况下自己形成网络链接。如果这些链接中的任何一个被阻止或断开,传感器将自动寻找新的链接来替换它们。

此外,还有社会伦理方面的挑战。例如,起到隐私保护的最佳方式是什么,这样新一代传感器就不会成为不良分子的工具?如何建立同样强大的安全保障措施,使黑客无法窃听无线数据流?

▲一枚普通的硬币显示了一个“智能尘埃”的大小:一个检测环境光和加速度的传感器,并集成了一个用于通信的微型无线电天线。来源:加州大学伯克利分校传感器和致动器中心

美国国家科学基金会资助的研究人员正在寻求解决所有这些挑战的方法,并寻求获得其他机构和行业研究人员的支持。

尽管如此,已经有许多传感器技术支持大量应用。请继续阅读环境与民用基础设施、工业与商业、健康与安全与安保方面的更多例子。

传感器应用:环境和民用基础设施

为了跟踪沙漠、森林、海洋或大气中不断变化的气象,环境传感器必须穿越大雪、暴雨、酷热和黑夜传递信息。

连接在桥梁、公路和其他结构上的传感器如果需要在飓风和地震中发挥作用,将面临类似的极端条件或更糟的情况。NSF资助的研究人员正在开发新的传感器,可以在这些环境中可靠工作。他们还在传感器系统方面努力工作,设计和部署传感器网络,为民用和环境监测带来前所未有的细致数据。

在森林中植入传感器

在加州大学洛杉矶分校嵌入式网络传感中心(CENS),William Kaiser 监测加利福尼亚州圣哈辛托山脉的脆弱生态系统。

通过将固定数据采集站和移动“信息机械系统”联网的方式,Kaiser 的研究小组正在密切关注詹姆斯保护区(James Reserve),该保护区是50种濒危物种的家园。

▲在华盛顿州,一个机器人传感器组件悬挂在两个树梢之间。该仪器可以沿电缆上下移动,提供图像和精确的当地气候数据。来源:加州大学洛杉矶分校嵌入式网络传感中心

该组织的移动设备沿着从一棵树到另一棵树的导线移动,部署传感器,在森林地面以上不同高度测量温度、湿度和光照水平。这些设备由太阳能电池组供电,最终将包括100个站点的网络中,通过一个个节点传递数据。

该中心主任黛布拉·埃斯特林(DebraEstrin)和她的同事开发了协议和数据管理技术,使这种特殊的无线传感器网络,能够在功率限制、不稳定的传输环境和不断变化的节点数量等阻碍传统网络传输的情况下运行。

这些类似的传感器网络也被用于其他CENS项目,例如监测鸟类的筑巢栖息地,跟踪农场通过沉积区流入河流的肥料污染。

建筑感知

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员在Factor Health Sciences Building 的校园里建立了一个嵌入式传感器网络,他们必须调整自己的技术以应对一系列新的挑战。

大楼的17层钢框架对传感器的无线传输网络造成严重破坏。(想象一下在电梯里使用手机。)他们为该结构的可靠运行而开发了新的通信协议,帮助他们从连接到建筑物和桥梁的应变和振动传感器收集数据,这是一种称为结构健康监测的应用。

▲新墨西哥州阿尔伯克基市外的里奥普尔科大桥是用嵌入式光纤传感器建造的,用于监测和磨损。

桥梁和公路感知

新墨西哥州立大学(NewMexico State University)的罗拉·伊德里斯(Rola Idriss)等土木工程师预计,有一天,嵌入在桥梁和道路上的传感器,会在人类检测人员发现异常磨损之前,定期报告其健康情况。与人类医疗保健一样,早期发现结构性健康问题可以进行早期干预,最终节省资金,延长寿命,提高安全性。

伊德里斯(Idriss)和她的同事在国家科学基金会和联邦公路管理局的支持下,在拉斯克鲁斯州国际10号公路上一座20世纪70年代的桥梁上安装了120个光纤传感器。光纤传感器为大学研究人员提供连续的数据流,记录桥梁对交通、天气和时间破坏的情况。

新墨西哥团队对阿尔伯克基附近的新里约热内卢-普尔科大桥(new Rio Puerco bridge)寄予了更高的期望,这是一种创新的高性能混凝土设计,在其横梁上安装了大量传感器。

团队将桥梁使用期间从内部传感器获取的数据,与标准检测技术获取的信息进行比较,将有助于他们制定更有效的监测和维护程序。


传感器应用:工商业

从盘式制动器到磁盘驱动器,美国工业依赖其产品和工厂中的传感器。通过采用新的传感器技术,制造商可以为其产品带来新的能力,同时提高性能和效率。同时,工业传感器通过提高产品质量和减少停机时间,帮助保持美国工业的竞争力。

道路上的传感器

在今天的汽车中,转速传感器将四个车轮的数据传送到防抱死刹车系统(ABS)和牵引力控制系统。

燃烧和抗爆传感器可帮助发动机计算调整燃油混合物,即使负载和条件发生变化,也能实现高效、清洁的燃烧效果。

碰撞感应加速计可以微妙地分析碰撞的真实性,使汽车的安全气囊能够以最小的冲击力释放。

▲安全气囊展开由精确但廉价的加速计控制,加速计是一种检测突然碰撞的传感器。这些器件是应用最广泛的微机电系统(MEMS)中的一个领域。来源:美国公路安全保险协会

在过去几年中,每辆车的传感设备数量翻了一番,并且随着复杂但廉价的传感器越来越普及,传感器数量也在不断增加。

韦恩州立大学(WayneStateUniversity)的Le YiWang等工程师帮助汽车设计师优化传感器数据。杨教授正在研究如何融合多个传感器的信息,以有效控制发动机和动力系统,即使单个传感器提供的数据不完善。

远处的库存

射频识别(RFID)是发展最快的传感器技术。RFID系统将电磁感应与无线电通信相结合。RFID标签和Interrogators可用于跟踪仓库中的库存或收集移动车辆的通行费。

德州仪器公司(TI)为新的半导体制造线配备射频发射器,并在每一个载波上贴上ID标签。晶圆流水线完成的每一个加工步骤现在都可以记录在中心数据库中,同时最大限度地减少人员搬运和相关污染。

加州大学伯克利分校的Vivek Subramanian等研究人员正在研究降低成本和提高RFID标签功能的方法。他们预测有一天电子标签在日常商业中将取代条形码。

▲一块硅晶圆上制造可以一次制造几十个这样微校的压力传感器。来源:密歇根大学NSF无线集成微系统工程研究中心

学校里的传感器

在麻省理工学院,哈里·巴拉克里希南(HariBalakrishnan)、塞思·泰勒(SethTeller)、埃里克·德梅因(ErikDemaine)和迈克尔·斯通布雷克(MichaelStonebraker)都有宏伟的计划。

他们将全球定位系统(GPS)、射频标签和超声波信标相结合,以“激活”麻省理工学院校园。他们设想将该系统用于从监测和维护实体工厂到清点图书馆资产,再到帮助访客在校园内找到自己的路等所有方面。

▲绑在跑步者鞋带上的射频识别标签(插图)准确记录了每位参赛者穿过起跑线和终点线的时间,即使在人群中也是如此。来源:ChampionChip World

传感器应用:健康

传感器在医疗保健和诊断的每个阶段都有应用。

医生现在正在进行临床测试,这些测试几年前才被送到实验室。检测结果可以立即获得,而且成本更低。

无线可穿戴传感器可以在家中对老年人或慢性病患者进行持续监控。在紧急情况下,即使有多人伤亡,无线患者监护网络仍然可以在急救人员和医院急诊室之间快速准确地传输信息。

皮下成像

在波士顿东北大学NSF地下传感和成像系统中心(CENSIS),研究人员正在使用“基于物理的成像”方法从地下传感技术中提取最大可用信息

东北大学、波士顿大学和伦斯勒理工学院的科学家和工程师将最先进的制造技术与复杂的物理模型相结合,创造出能够“穿透”皮肤、水或其他组织和液体的仪器。

他们正在使用这种方法来改进乳房X光检查,并通过对胚胎的内部检查来提高体外受精的成功率。它同样适用于非医学问题,如地雷探测和珊瑚礁监测。波多黎各大学马亚圭兹分校正在研究这一应用程序。

▲一系列微小的金属针可以抽血用于血糖监测或其他诊断测试,比普通针(显示为对比信息)疼痛更小,来源:乔治理工学院

视觉修复

在韦恩州立大学,网络无线传感器实验室的罗兰·施维伯特(Loren Schwiebert)和他的同事正在利用他们的技术帮助视力受损者。

他们设计的人工视网膜和皮质植入物将信号从外部摄像头传输到眼睛的感知神经。小组使用视网膜修复术来帮助患有视网膜炎、黄斑变性或其他疾病的患者,在这些疾病中,眼睛自身的传感器(视杆和视锥)被破坏,但潜在的视网膜结构是完好的。

当视网膜本身受损且对电刺激无反应时,他们使用皮质植入物代替。Schwiebert 正在研究这些系统的网络协议和电源管理,这些系统不能依赖内部电源,因为植入的电子设备必须通过无线电链路与高带宽视频数据一起供电。

早期心脏病预防

路易斯维尔大学(University of Louisville)的研究人员Kyung Kang和他的同事Chang Ahn在辛辛那提大学(University of Cincinnati)使用MEMS加工方法制造微流控设备,可以同时执行四个单独的生化分析。通过同时测量四个心脏标记物,他们希望改善对疑似心脏病发作患者的护理。

Case Western Reserve University电气工程师Darrin Young有另一种改善心脏健康的方法。Young的团队正在研究用于心率、血压和温度的药丸大小的植入式传感器。

Young与Case医学院的遗传学家约瑟夫·纳多(JosephNadeau)合作,希望能识别高危患者,在他们心脏病或癫痫发作前的关键阶段被发现。

▲微型无线传感器监测急诊患者的心率、血氧水平和其他生命体征。传感器数据被捕获到一个记录中,可以通过一个安全的无线网络访问该记录,从而在每个阶段帮助医疗决策者,从急救人员到救护车技术人员再到急诊室医生。来源:哈佛大学

护理阿尔茨海默症

西北大学化学家Richard van Duyne 和神经生物学家 William Klein 的传感器研究可能会使阿尔茨海默病患者受益。Van Duyne的研究小组利用表面等离子体共振来检测分子附着时传感器电子特性的微小位移。

通过微调传感器的表面化学性质,可以研究不同分子的附着特性。克莱因有一个理论,称为淀粉样β衍生扩散配体(ADDL)的小蛋白是阿尔茨海默病病理学的关键因素,因此他与范杜因实验室的研究人员合作开发了PSPR传感器,用于监测ADDL与其抗体的结合。

传感器应用:安全与安保


家用烟雾和一氧化碳探测器很常见;运动监测器触发泛光灯照亮车道和停车场;金属探测器和生物危害监测器守卫着港口和交通枢纽。泄漏传感器保护工厂工人免受危险化学品的伤害。

我们的家庭、公共空间和工作场所的安全取决于快速感知危险并及时发出警告。在国家科学基金会资助下开发的新传感技术,以及从分布式传感器系统收集和处理数据的新方法,支持国家努力提高可靠和准确评估威胁安全状况的能力。

纳米技术传感器

在西北大学纳米尺度科学与工程中心(NSEC)的集成纳米图案化和检测技术领域,化学家兼中心主任查德·米尔金(Chad Mirkin)使用蘸笔光刻技术在硅衬底上沉积“锁定”生物分子。Mirkin和他的同事们只写了几纳米宽的分子图案,然后将修饰过的基底暴露在含有“关键”分子的溶液中。他们能够观察到两者之间的结合,既具有高度的敏感性,又具有高度的特异性。

传感器能够检测微小的有害物质。同样的传感器框架也可以通过改变分子“墨水”来适应,而分子“墨水”的模式是电子技术学家对传感器发展的看法。

人造鼻

Nate ewis的工作展示了一种不同于感知化学或生物制剂的方法。Lewis的技术使用了一组传感器,每一个传感器都感测的不是一个高度特异的分子,而是一组相关的化合物。

他利用计算机技术将来自几个不同传感器的信号进行融合,并将结果与已知的反应进行比较,从而创造出一种可以嗅出微量各种化学物质的人工鼻

▲这些玻璃纤维是灵活耐用的中子和γ射线传感器,应用于国家安全、医学和材料研究。来源:太平洋西北国家实验室

掌上实验室

无线集成微系统中心(WIMS)是美国国家科学基金会(NSF)的一个工程研究中心,由微电子机械系统(microelectromechanical systems)先驱肯索尔·怀斯(Kensall Wise)领导,该中心正在整合制造可联网、手表大小的化学分析仪所需的所有部件。来自密歇根大学、密歇根理工大学和密歇根州立大学的科学家和工程师参与了该项目,为微型仪器设计传感器、泵、低功耗微处理器和射频组件。

虽然WIMS的工作最终将成为许多不同类型传感器和监测系统的一部分,但他们目前的工作集中在两个试验项目上:耳蜗植入和环境监测系统。

来自密歇根大学公共卫生学院的特德·泽勒(TedZellers)领导了一个团队,该团队设计了监控试验台,这是一种微尺度色谱仪,可以在国土安全应用或工业过程控制中同等有效地检测有害气体。

为了将化学分析的工作量缩小到1立方厘米,Zellers、Wise和他们的学生将一米长、100微米宽的色谱柱包裹成紧密的螺旋结构。他们设计和制造了微型泵、阀门和喷射器,以捕获样品气体并通过仪器进行运输。

他们构建的电子电路可以从电池中产生所有必要的电压,并通过集成的微机械天线和射频电路传输数据。在不影响性能的情况下,尽可能将尺寸和功耗降至最低。

▲这张电子显微照片显示了刻蚀在晶圆上的一米长毛细管的中心。在气相色谱中,不同的气体在穿过长而窄的毛细管柱时会分离。来源:密歇根大学NSF无线集成微系统工程研究中心

结语

这是一篇NSF发表于2004年的报告,名为“传感器革命”可见NSF以及美国对传感器产业的重视。虽然这是一篇非常“古老”的内容,发表于20年前,但我们仍惊讶于美国对传感器的重视,以及内容中对传感器技术的前瞻性。

在过去的几十年里,美国国家科学基金会一直在支持美国传感器的基础研究工作,持续至今,奠定了美国传感器技术领先世界的实力,同时其传感器产业也占据全球最大份额。

本文通过一个个例子,介绍传感器在社会中的应用,似乎远比讲一些空洞的“传感器很重要”之类的话更加直观,更能感受传感器重要性,美国称之为“传感器革命”。

十几年过去,即使今天看来,文中的许多传感器应用和技术开发,依然非常前沿且应用场景上极具想象空间。

这为我们敲响了警钟,对比美国对传感器的重视程度,我们对传感器的重视还严重不足!中国的传感器革命什么时候到来?

作者: 传感器专家网, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4014477.html

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