此前，德國傳感與測量技術(shù)協(xié)會（Association for Sensors and Measurement，AMA）聯(lián)合VDI/VDE 測量與自動化技術(shù)協(xié)會（VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik），共同發(fā)布了《Sensor Trends 2030》（2030年傳感器技術(shù)趨勢）報告——與許多市場調(diào)研報告不同，這是一份由傳感及測量技術(shù)工程師專家撰寫的報告，將主要從技術(shù)及工程角度闡述未來的傳感器發(fā)展趨勢。 報告中，50 多位專家重點介紹了全球傳感器技術(shù)領(lǐng)域的最新創(chuàng)新和未來發(fā)展趨勢。他們分析了最新趨勢、關(guān)鍵進展以及行業(yè)為進一步推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型必須克服的挑戰(zhàn)。 這項研究的成果令人印象深刻地表明，傳感器技術(shù)已深度融入幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域。從優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高能源效率到開發(fā)安全自主的系統(tǒng)，傳感器都是基于數(shù)據(jù)進行決策和創(chuàng)新的基礎(chǔ)。 除了技術(shù)發(fā)展之外，政治支持對于傳感器和測量技術(shù)的進一步發(fā)展也至關(guān)重要。政府資助項目和政策框架在營造有利于創(chuàng)新的環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。 報告中，給出了兩條傳感器屆的“摩爾定律”：傳感器年產(chǎn)量大約每五年翻一番，關(guān)于傳感器的科學(xué)出版物數(shù)量大約每四年翻一番。 這一趨勢主要受各行各業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域?qū)鞲衅魅找嬖鲩L的需求所驅(qū)動，有趣的是，研究表明，當(dāng)前出版物數(shù)量的指數(shù)級增長與相應(yīng)的創(chuàng)新增長毫無關(guān)聯(lián)，而是由學(xué)術(shù)界日益增長的發(fā)表壓力所致。為了真正稱得上“傳感器”，必須徹底研究潛在干擾變量（選擇性）的影響以及傳感器特性的可重復(fù)性，不僅要考察靈敏度，還要考察足夠長的測量時間（長期穩(wěn)定性）。 報告中，亦給出了未來5年（到2030年），傳感器技術(shù)發(fā)展的主要趨勢： 1、測量精度：持續(xù)提升，永無止境

本文及幾乎所有關(guān)于傳感器的報告都指出，第一個普遍趨勢是傳感和測量設(shè)備的精度和準確度不斷提高，這主要受到技術(shù)進步和新技術(shù)發(fā)展的雙重推動。

一些作者認為，這一趨勢貫穿了人類發(fā)展的始終，例如，在研究時間、長度或重量測量的發(fā)展歷程時，便可發(fā)現(xiàn)這一點。測量不確定度的改善速度與技術(shù)密切相關(guān)，時間測量的改善幅度可達 26%，而長度測量的改善幅度則在 6% 到 14% 之間。

測量不確定度的這一趨勢具有諸多意義，例如，它促進了小型化，而小型化正是過去幾十年計算能力呈指數(shù)級增長的關(guān)鍵原因之一。

此外，高頻電子器件和紅外器件之間的頻率技術(shù)差距不斷縮小，也是這一趨勢的根本原因。一方面，通信、雷達技術(shù)等的頻率不斷提高；另一方面，光學(xué)解決方案也能夠應(yīng)對波長的增加。目前沒有任何跡象表明，這場追求更高精度的競賽會在可預(yù)見的未來結(jié)束。速率可能會發(fā)生變化，就像最近時間測量從微波時鐘轉(zhuǎn)向光驅(qū)動時鐘一樣，但終止是無法預(yù)見的。

2、小型化：進程仍在繼續(xù)，但勢頭減弱

精密技術(shù)和微電子技術(shù)的進步將使傳感器體積更小、效率更高、成本更低。但經(jīng)濟因素和物理限制越來越頻繁地制約著傳感器的進一步小型化。因此，小型化進程雖然仍在繼續(xù)，但勢頭卻逐漸減弱。

與不斷縮小測量不確定度的趨勢相反，不斷縮小尺寸的趨勢卻存在著越來越明顯的局限性。因此，是否真的要將小型化列入發(fā)展趨勢清單，就留給讀者自行判斷了。

雖然有些傳感器會繼續(xù)縮小，但其他一些技術(shù)由于物理限制，已經(jīng)或即將達到其合理的極限。例如，微電子技術(shù)受限于原子尺度，微流控技術(shù)受限于細胞尺寸（用于細胞分析）和低濃度（必須有足夠數(shù)量的分子才能滿足設(shè)定的定量精度），而光學(xué)技術(shù)則受限于衍射極限。后一個例子也出色地強調(diào)了“改變規(guī)則”可以突破既定的限制，例如，近場光學(xué)和受激發(fā)射損耗顯微鏡就突破了衍射極限。因此，必須以不同的視角來看待小型化趨勢。

另一個原因是，小型化往往伴隨著更高的信噪比或測量效果要求，以及更高的加工/制造成本（每次生產(chǎn)）。此外，還應(yīng)提及的是，有時設(shè)備尺寸不再縮小，因為仍然需要人手操作，例如即時檢測解決方案。因此，基于上述所有原因，小型化越來越需要以市場需求為導(dǎo)向，這也引出了下一個主要趨勢。

3、應(yīng)用范圍不斷擴大

在信息社會中，對信息的需求呈指數(shù)級增長。

第三個趨勢是傳感器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域正在不斷擴大。這不僅在全球范圍內(nèi)如此，而且在各種具體技術(shù)中也普遍存在。其原因可以從多個層面來解釋。

一方面，信息社會需要更多的信息輸入。另一方面，生活各個方面的自動化程度不斷提高，這就要求人們了解自身所處的環(huán)境，以便更好地控制環(huán)境并盡快做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。圖 1.15 展示了傳感器如何成為此類控制電路不可或缺的一部分。

第二個原因可能在于德魯克（Drucker）早在 40 年前就闡述過的創(chuàng)新本質(zhì)：為現(xiàn)有技術(shù)尋找創(chuàng)新應(yīng)用比提出新的高科技要容易得多，風(fēng)險也小得多。

這與經(jīng)常需要保證在數(shù)年甚至數(shù)十年內(nèi)（通常是在惡劣條件下）獲得足夠精確的測量結(jié)果的要求相符。這種對技術(shù)系統(tǒng)（以及傳感器）可靠性的極端要求，往往導(dǎo)致傳感器制造商采取非常保守的做法。

最后一個原因可能純粹出于經(jīng)濟考量：企業(yè)以及學(xué)術(shù)研究團隊都試圖通過開拓新市場和開發(fā)新應(yīng)用來拓展業(yè)務(wù)。

與其他傳感器趨勢研究不同，我們在此以一種非常抽象的方式描述這一趨勢，但需要指出的是，在其他地方也能找到更具體的應(yīng)用，例如，MEMS 在游戲、醫(yī)療、智能紡織品等領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢。然而，由于應(yīng)用范圍的拓展更多地受到經(jīng)濟和社會趨勢的驅(qū)動，因此很難從技術(shù)角度進行預(yù)測。

4、傳感器系統(tǒng)取代傳感器

第四個趨勢是，傳感器系統(tǒng)將變得更加復(fù)雜。

要理解這一趨勢，首先需要回歸傳感器的基本概念：傳感器是一種能夠提供物體或過程及其環(huán)境狀態(tài)或?qū)傩孕畔⒌难b置。信息的價值在于，它能夠幫助我們得出結(jié)論并采取相應(yīng)的行動。

傳統(tǒng)意義上講，這意味著我們需要降低測量不確定性、提高選擇性、提高靈敏度并最大限度地減少干擾因素的影響。未來的傳感器將不再局限于只能讀取單個值的單一傳感器，而是會在硬件和運行過程中集成多個元件，從而實現(xiàn)多值讀取。

典型的例子包括自多合一（self-X）傳感器、智能傳感器和多傳感器系統(tǒng)。仔細觀察會發(fā)現(xiàn)，眾多因素相互作用，且這種相互作用越來越非線性。一旦相互作用的因素超過臨界值，這樣的系統(tǒng)就不能再被簡單地理解為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其行為會變得極其復(fù)雜，因此需要新的方法來處理。這種由越來越多具有極其復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的因素相互作用的趨勢，也可以在制造趨勢中看到，例如不同類型的集成，如片上系統(tǒng)（SoC）。

因此，復(fù)雜系統(tǒng)的趨勢幾乎存在于傳感器的各個層面，包括系統(tǒng)設(shè)計、傳感器相互作用、運行、信號處理和制造。

5、專為決策而設(shè)計的傳感器 做出決策而不僅是測量一個參數(shù)，這一趨勢的一個顯著特點是，越來越多的案例表明，信息不再通過高質(zhì)量的物理或化學(xué)數(shù)值來傳遞，而是通過定性或定量的輸出結(jié)果（例如“合格/不合格”或“高/中/低”）來傳遞，這些結(jié)果更側(cè)重于對測量結(jié)果的反應(yīng)，而非單一參數(shù)的數(shù)值。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使用替代參數(shù)來制定治療決策是一種常見的做法，而基于人工智能的數(shù)據(jù)評估很可能也能實現(xiàn)這一點。 此外，并非所有決策都需要高質(zhì)量的測量結(jié)果。最后，借助統(tǒng)計學(xué)，對許多低/中等結(jié)果的評估也能得出高質(zhì)量的結(jié)論。使用最初并非為此目的而設(shè)計的多個傳感器，仍然能夠做出正確的決策，這表明獲得結(jié)果的方式可能會變得更加復(fù)雜，并且可能與過去的方式有所不同。這一趨勢之所以可行，主要有三個原因：制造技術(shù)的改進（例如，片上系統(tǒng)）、計算能力的提升以及傳感器和換能器價格的下降，使得使用多個傳感元件成為可能。 6、成本下降和能源消耗減少

之所以將這兩個趨勢放在一起討論，是因為只有在比較性能完全相同的傳感器時，這兩個趨勢才能顯現(xiàn)出來。當(dāng)比較處于最先進水平的傳感器時，這些趨勢就不那么明顯了。顯而易見，能源消耗和價格都在上漲。

7、可持續(xù)性

必須指出的是，還有一些發(fā)展并非僅限于傳感器本身。

例如，降低環(huán)境影響，比如從電子產(chǎn)品中去除鉛，以及最近開始消除全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）。

可回收性要求可能會提高，并會涌現(xiàn)出更多可持續(xù)性方面的要求。類似的發(fā)展趨勢是接口標(biāo)準化，從而大大簡化了傳感器的集成。

8、滿足各種需求的解決方案

最后需要指出的是，還有一些傳感器發(fā)展趨勢存在分歧。

例如，邊緣計算和云計算的應(yīng)用就是此類發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。

此外，最新的傳感器趨勢報告顯示，“低成本/中等性能”傳感器的應(yīng)用日益廣泛，而“高成本/高性能”傳感器則主要用于非大眾應(yīng)用。這些截然相反的發(fā)展趨勢表明，我們需要開發(fā)專用傳感器，以便針對當(dāng)前挑戰(zhàn)選擇最合適的傳感器解決方案。這就要求我們對現(xiàn)有解決方案有全面的了解，并深入了解應(yīng)用需求。未來，最佳解決方案很可能在越來越多的情況下不再是顯而易見或最簡單的方案。

傳感器的高可靠性和低測量不確定度推動了技術(shù)的持續(xù)進步，而非顛覆性發(fā)展。

鑒于上述趨勢大多反映的是連續(xù)性的變化，讀者可能會問，未來還會出現(xiàn)哪些意想不到的變革？

我們必須承認，突發(fā)性變化要么源于展現(xiàn)全新方法的創(chuàng)新發(fā)明，例如 DNA納米孔測序或新型氣體傳感材料；要么源于技術(shù)的緩慢而穩(wěn)步發(fā)展，直至達到可廣泛應(yīng)用的程度，例如人工智能，這得益于計算能力的提升和數(shù)據(jù)的可用性。

我們邀請感興趣的讀者對這些所謂的顛覆性創(chuàng)新進行可視化分析。在大多數(shù)情況下，我們確實會發(fā)現(xiàn)，在線性尺度上，以及在對數(shù)尺度上，都存在某種階躍函數(shù)（新傳感器解決方案的市場推廣）。

因此，后期的趨勢是可以預(yù)測的，但它們何時會爆發(fā)往往難以預(yù)料，因為臨界點并不明確。人工智能和 3D 打?。▋H舉兩例）在成為超級趨勢之前，都經(jīng)歷了長達數(shù)十年的發(fā)展歷程。

結(jié)語：傳感器技術(shù)是未來創(chuàng)新能力的關(guān)鍵

到 2030 年，傳感器技術(shù)不僅將經(jīng)歷技術(shù)革新，其在工業(yè)領(lǐng)域中的角色也將發(fā)生深刻的轉(zhuǎn)變。傳感器將從簡單的測量值提供者發(fā)展成為智能化、網(wǎng)絡(luò)化和決策支持系統(tǒng)，并日益實現(xiàn)自主運行 。這些趨勢——更高精度、小型化、智能傳感器系統(tǒng)、基于傳感器的決策輔助工具、新型傳感器技術(shù)和可持續(xù)性等——并非遙不可及的未來愿景，而是當(dāng)今時代已然成為現(xiàn)實。

能夠認識到這些發(fā)展趨勢并將其融入自身技術(shù)和產(chǎn)品戰(zhàn)略的公司將獲得決定性優(yōu)勢。 在日益網(wǎng)絡(luò)化和自動化的世界中，精準、自適應(yīng)且可靠的傳感器系統(tǒng)是提高效率、保障安全和加快創(chuàng)新速度的先決條件。

不僅要能夠收集數(shù)據(jù)，還要能夠結(jié)合具體情況評估數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為可操作的信息 ——無論是在預(yù)測性維護、質(zhì)量控制還是流程優(yōu)化方面——這一點至關(guān)重要。傳感器在工業(yè) 4.0、智能制造、自動駕駛和數(shù)字醫(yī)療技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著核心作用。

可持續(xù)性也正成為一項戰(zhàn)略要素：企業(yè)越來越受到對其技術(shù)資源利用效率和未來適應(yīng)性的考量。節(jié)能、耐用且可回收的傳感器解決方案不僅滿足監(jiān)管要求，還能改善整個系統(tǒng)的整體生態(tài)平衡。

現(xiàn)在的挑戰(zhàn)在于如何從這些趨勢中提煉出具體的行動方向。這包括選擇合適的傳感器平臺、開發(fā)可升級的模塊化系統(tǒng)、集成智能接口以及建立基于傳感器信息的數(shù)據(jù)驅(qū)動型服務(wù)。

今天就開始調(diào)整傳感器戰(zhàn)略以適應(yīng)未來需求——重點關(guān)注精度、智能、可持續(xù)性和系統(tǒng)集成——的企業(yè)，不僅能夠確保自身的技術(shù)競爭力，還能獲得長期的創(chuàng)新實力和客戶利益。

審核編輯 黃宇