褚君浩
作者褚君浩肖像畫。 張武昌繪
如果把智慧系統比作“人”，那麼感測器就是“人”的感覺器官。不同型別的感測器，感知周圍環境並把資料傳遞給系統進行計算，對情況進行實時分析、判斷和應對。隨著數字化智慧化不斷深入，各式各樣感測器的用武之地大為拓寬，為人類創造美好生活發揮著巨大作用。
一部智慧手機裡有上百個感測器：有用於攝像的CMOS影象感測器，有用於檢查環境明暗的環境光感測器，還有用於導航的地磁感測器、陀螺儀……正是基於這些感測器，手機裡的各種應用軟體才能流暢工作，手機才能成為集工作、生活、娛樂於一體的行動式智慧裝置，帶來人們生活方式的巨大變化。風雲衛星上的可見和紅外光電感測器，能夠不分晝夜地獲取大氣資訊，精準預測天氣，甚至在月球上、火星上都有感測器工作，幫助人類探索宇宙奧秘。
超越感官
感測器是資訊系統的“慧眼”。它就像人類的眼睛、耳朵、面板等器官一樣，感知周圍環境，幫助我們認識多姿多彩的世界。不同之處在於，感測器比人的感官更敏銳、更強大。客觀世界所包含的資訊多樣程度，遠遠超出我們感官的能力範圍。人的眼睛無法觀察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽不見次聲波和超聲波，對於“不見蹤影”卻時刻產生影響的磁場也無法感知。這些超出感官範圍的資訊，感測器都能“感慨感染”到。
隨著生產力發展，人類越來越需要全方位地感知世界。1821年，科學家利用材料因溫差產生電壓的原理，研製出世界上第一個感測器——溫度感測器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應制備各種感測器，這些感測器尺寸大、靈敏度低、使用不利便。上世紀70年代，出現了將敏感元件與訊號電路進行一體化設計的整合感測器，如熱電偶感測器、霍爾感測器、光敏感測器等。這類感測器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，輸出模擬訊號。上世紀末開始，數字化感測器快速發展，透過“模擬/數字”轉換模組，實現數字訊號輸出。數字化感測器整合智慧化處理單元，可以自動採集、處理資料，並能根據環境自動調整工作引數，數碼相機中的光敏元件就是其代表產品。
總的來說，感測器的工作原理是某些物質的電學特性會隨環境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，矽在可見光照射下電阻會減小，石英受到壓力後表面會產生電荷。利用電阻與溫度的對應關係，可以製成溫度感測器，進一步給敏感元件新增隔熱結構，依據敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關係，可以製成紅外感測器。在此基礎上，還可以根據目標溫度與紅外輻射能量之間的關係，製造出非接觸測溫感測器。人們熟悉的用來測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。藉助豐富的物理和化學效應，人們製備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀察物體的紅外相機等種類豐富、功能強大的感測器。
奠基智慧化
數字化是對事物屬性的量化，並用數字將其表達為抽象結果。藉助現代資訊科技，人們可以儲存、處理、傳播各種數字化資訊。感測器可以將事物蘊含的各種資訊轉換成電訊號，並利用數模轉換電路將電訊號用數字表達，是數字化的有效工具。當你拿出手機拍照片或影片時，光敏感測器會將接收的光強度訊號轉換成電訊號，再按一定的規則用數字表達、儲存，最終形成手機螢幕上的影像。
數字化基於感測器獲取資訊。數字化系統需要處理的資訊量非常龐大，僅靠人工或者傳統裝置無法獲取，憑藉感測器則能夠實時、高效、精準、快速地獲取，於是有了城市大資料、天氣大資料、醫療大資料、農業大資料等。利用各類感測器，人們可以召開遠端會議、學習網路課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發展出數字經濟業態。數字經濟涉及的雲計算、物聯網、人工智慧、5G通訊等各類技術，都與感測器息息相關。
沒有感測器就沒有數字化和智慧化。感測器是智慧化系統的第一關，它的水平決定了智慧化系統及其儀器裝置的水平。感測器技術已經成為國際上資訊高階器件領域的研究前沿，在人工智慧、智慧城市、5G通訊、航空航天、生命健康等領域均發揮著不可替代的作用。比如一輛汽車會安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過100種感測器，由車載電腦進行處理，幫助駕駛員作出判斷。對資料的智慧化分析降低了駕駛汽車的難度，讓汽車變得更安全、更好開。而且，無人駕駛汽車透過感測器實時獲取道路資訊，一旦發現障礙物，便透過智慧分析及時避讓。城市中高樓大廈、橋樑、隧道等建築，也需要透過影片、溫度、壓力和煙霧等感測器實時監控安全狀況，當資料彙總到一起，智慧化系統便會及時分析，提煉出少量關鍵資訊供使用者作出決議計劃。甚至在未來，人類的感官也可以藉助感測器變得更加強大，構建起智慧化系統。
開拓新場景
當前，各類感測器都處在進一步提升效能、降低成本，向數字化、智慧化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進化，呈現出蓬勃發展態勢。其中，智慧感測器、柔性感測器、新原理感測器的研發具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。
發展智慧感測器是重要趨勢。藉助智慧感測技術，人們設計製造出具備獲取、儲存、分析資訊功能的各種感測單元及微系統，實現低成本、高精度資訊採集。智慧感測器廣泛應用在機器人、無人駕駛、智慧製造、運動定量監測等方面，還可用於開發無創或微創健康監測器件等。近年來流行的動態血糖儀是個很好的例子。糖尿病患者將柔性感測器無痛置入身體，感測器每5分鐘測一次血糖值，並傳送到手機應用中。患者可以觀察血糖曲線變化，及時透過飲食和運動等方法調節血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發可降解電子器件，讓智慧感測器更好助力低碳環保生活。
發展柔性感測器是另一趨勢。許多應用場景要求感測器製備在柔性基質材料上，並具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至摺疊、便於攜帶、可穿戴等特點。目前製備柔性感測器的常用感測材料有碳基材料(炭黑、碳奈米管和石墨烯等)、金屬奈米材料(金屬奈米線、金屬奈米顆粒等)、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復能力的交聯超分子聚合物薄膜電極材料，可用於製造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將整合多功能的柔性感測器與柔性印製電路結合，可以製成“智慧帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實時監測與分析生理資訊，幫助人們特別是感官退化的群體瞭解自身健康狀況。
新原理感測器也在不斷出現。在基礎研究領域，新的規律陸續被發現，人們正利用這些科學新認知製備感測器。同時，技術進步也對基礎研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機的畫素、靈敏度、速度等效能引數；在高速實驗中，需要可以記錄飛秒尺度資訊的條紋相機；在量子通訊中，需要靈敏度達到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實現對高速運動物體和冷目標的探測，等等。這就要求科學家們進一步探索物理世界，發現新現象新規律，提升感測器效能。
隨著科技快速發展，新材料新工藝不斷投入應用，效能更強、種類更豐富、智慧化水平更高的感測器將創造更多工作生活新場景，幫助人們“感慨感染”美好生活。
(作者為中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員)
中國科協科學技術傳播中心與本報合作推出
褚君浩
作者褚君浩肖像畫。 張武昌繪
如果把智慧系統比作“人”，那麼感測器就是“人”的感覺器官。不同型別的感測器，感知周圍環境並把資料傳遞給系統進行計算，對情況進行實時分析、判斷和應對。隨著數字化智慧化不斷深入，各式各樣感測器的用武之地大為拓寬，為人類創造美好生活發揮著巨大作用。
一部智慧手機裡有上百個感測器：有用於攝像的CMOS影象感測器，有用於檢查環境明暗的環境光感測器，還有用於導航的地磁感測器、陀螺儀……正是基於這些感測器，手機裡的各種應用軟體才能流暢工作，手機才能成為集工作、生活、娛樂於一體的行動式智慧裝置，帶來人們生活方式的巨大變化。風雲衛星上的可見和紅外光電感測器，能夠不分晝夜地獲取大氣資訊，精準預測天氣，甚至在月球上、火星上都有感測器工作，幫助人類探索宇宙奧秘。
超越感官
感測器是資訊系統的“慧眼”。它就像人類的眼睛、耳朵、面板等器官一樣，感知周圍環境，幫助我們認識多姿多彩的世界。不同之處在於，感測器比人的感官更敏銳、更強大。客觀世界所包含的資訊多樣程度，遠遠超出我們感官的能力範圍。人的眼睛無法觀察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽不見次聲波和超聲波，對於“不見蹤影”卻時刻產生影響的磁場也無法感知。這些超出感官範圍的資訊，感測器都能“感慨感染”到。
隨著生產力發展，人類越來越需要全方位地感知世界。1821年，科學家利用材料因溫差產生電壓的原理，研製出世界上第一個感測器——溫度感測器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應制備各種感測器，這些感測器尺寸大、靈敏度低、使用不利便。上世紀70年代，出現了將敏感元件與訊號電路進行一體化設計的整合感測器，如熱電偶感測器、霍爾感測器、光敏感測器等。這類感測器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，輸出模擬訊號。上世紀末開始，數字化感測器快速發展，透過“模擬/數字”轉換模組，實現數字訊號輸出。數字化感測器整合智慧化處理單元，可以自動採集、處理資料，並能根據環境自動調整工作引數，數碼相機中的光敏元件就是其代表產品。
總的來說，感測器的工作原理是某些物質的電學特性會隨環境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，矽在可見光照射下電阻會減小，石英受到壓力後表面會產生電荷。利用電阻與溫度的對應關係，可以製成溫度感測器，進一步給敏感元件新增隔熱結構，依據敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關係，可以製成紅外感測器。在此基礎上，還可以根據目標溫度與紅外輻射能量之間的關係，製造出非接觸測溫感測器。人們熟悉的用來測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。藉助豐富的物理和化學效應，人們製備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀察物體的紅外相機等種類豐富、功能強大的感測器。
奠基智慧化
數字化是對事物屬性的量化，並用數字將其表達為抽象結果。藉助現代資訊科技，人們可以儲存、處理、傳播各種數字化資訊。感測器可以將事物蘊含的各種資訊轉換成電訊號，並利用數模轉換電路將電訊號用數字表達，是數字化的有效工具。當你拿出手機拍照片或影片時，光敏感測器會將接收的光強度訊號轉換成電訊號，再按一定的規則用數字表達、儲存，最終形成手機螢幕上的影像。
數字化基於感測器獲取資訊。數字化系統需要處理的資訊量非常龐大，僅靠人工或者傳統裝置無法獲取，憑藉感測器則能夠實時、高效、精準、快速地獲取，於是有了城市大資料、天氣大資料、醫療大資料、農業大資料等。利用各類感測器，人們可以召開遠端會議、學習網路課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發展出數字經濟業態。數字經濟涉及的雲計算、物聯網、人工智慧、5G通訊等各類技術，都與感測器息息相關。
沒有感測器就沒有數字化和智慧化。感測器是智慧化系統的第一關，它的水平決定了智慧化系統及其儀器裝置的水平。感測器技術已經成為國際上資訊高階器件領域的研究前沿，在人工智慧、智慧城市、5G通訊、航空航天、生命健康等領域均發揮著不可替代的作用。比如一輛汽車會安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過100種感測器，由車載電腦進行處理，幫助駕駛員作出判斷。對資料的智慧化分析降低了駕駛汽車的難度，讓汽車變得更安全、更好開。而且，無人駕駛汽車透過感測器實時獲取道路資訊，一旦發現障礙物，便透過智慧分析及時避讓。城市中高樓大廈、橋樑、隧道等建築，也需要透過影片、溫度、壓力和煙霧等感測器實時監控安全狀況，當資料彙總到一起，智慧化系統便會及時分析，提煉出少量關鍵資訊供使用者作出決議計劃。甚至在未來，人類的感官也可以藉助感測器變得更加強大，構建起智慧化系統。
開拓新場景
當前，各類感測器都處在進一步提升效能、降低成本，向數字化、智慧化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進化，呈現出蓬勃發展態勢。其中，智慧感測器、柔性感測器、新原理感測器的研發具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。
發展智慧感測器是重要趨勢。藉助智慧感測技術，人們設計製造出具備獲取、儲存、分析資訊功能的各種感測單元及微系統，實現低成本、高精度資訊採集。智慧感測器廣泛應用在機器人、無人駕駛、智慧製造、運動定量監測等方面，還可用於開發無創或微創健康監測器件等。近年來流行的動態血糖儀是個很好的例子。糖尿病患者將柔性感測器無痛置入身體，感測器每5分鐘測一次血糖值，並傳送到手機應用中。患者可以觀察血糖曲線變化，及時透過飲食和運動等方法調節血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發可降解電子器件，讓智慧感測器更好助力低碳環保生活。
發展柔性感測器是另一趨勢。許多應用場景要求感測器製備在柔性基質材料上，並具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至摺疊、便於攜帶、可穿戴等特點。目前製備柔性感測器的常用感測材料有碳基材料(炭黑、碳奈米管和石墨烯等)、金屬奈米材料(金屬奈米線、金屬奈米顆粒等)、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復能力的交聯超分子聚合物薄膜電極材料，可用於製造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將整合多功能的柔性感測器與柔性印製電路結合，可以製成“智慧帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實時監測與分析生理資訊，幫助人們特別是感官退化的群體瞭解自身健康狀況。
新原理感測器也在不斷出現。在基礎研究領域，新的規律陸續被發現，人們正利用這些科學新認知製備感測器。同時，技術進步也對基礎研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機的畫素、靈敏度、速度等效能引數；在高速實驗中，需要可以記錄飛秒尺度資訊的條紋相機；在量子通訊中，需要靈敏度達到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實現對高速運動物體和冷目標的探測，等等。這就要求科學家們進一步探索物理世界，發現新現象新規律，提升感測器效能。
隨著科技快速發展，新材料新工藝不斷投入應用，效能更強、種類更豐富、智慧化水平更高的感測器將創造更多工作生活新場景，幫助人們“感慨感染”美好生活。
(作者為中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員)
中國科協科學技術傳播中心與本報合作推出
褚君浩
作者褚君浩肖像畫。 張武昌繪
如果把智慧系統比作“人”，那麼感測器就是“人”的感覺器官。不同型別的感測器，感知周圍環境並把資料傳遞給系統進行計算，對情況進行實時分析、判斷和應對。隨著數字化智慧化不斷深入，各式各樣感測器的用武之地大為拓寬，為人類創造美好生活發揮著巨大作用。
一部智慧手機裡有上百個感測器：有用於攝像的CMOS影象感測器，有用於檢查環境明暗的環境光感測器，還有用於導航的地磁感測器、陀螺儀……正是基於這些感測器，手機裡的各種應用軟體才能流暢工作，手機才能成為集工作、生活、娛樂於一體的行動式智慧裝置，帶來人們生活方式的巨大變化。風雲衛星上的可見和紅外光電感測器，能夠不分晝夜地獲取大氣資訊，精準預測天氣，甚至在月球上、火星上都有感測器工作，幫助人類探索宇宙奧秘。
超越感官
感測器是資訊系統的“慧眼”。它就像人類的眼睛、耳朵、面板等器官一樣，感知周圍環境，幫助我們認識多姿多彩的世界。不同之處在於，感測器比人的感官更敏銳、更強大。客觀世界所包含的資訊多樣程度，遠遠超出我們感官的能力範圍。人的眼睛無法觀察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽不見次聲波和超聲波，對於“不見蹤影”卻時刻產生影響的磁場也無法感知。這些超出感官範圍的資訊，感測器都能“感慨感染”到。
隨著生產力發展，人類越來越需要全方位地感知世界。1821年，科學家利用材料因溫差產生電壓的原理，研製出世界上第一個感測器——溫度感測器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應制備各種感測器，這些感測器尺寸大、靈敏度低、使用不利便。上世紀70年代，出現了將敏感元件與訊號電路進行一體化設計的整合感測器，如熱電偶感測器、霍爾感測器、光敏感測器等。這類感測器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，輸出模擬訊號。上世紀末開始，數字化感測器快速發展，透過“模擬/數字”轉換模組，實現數字訊號輸出。數字化感測器整合智慧化處理單元，可以自動採集、處理資料，並能根據環境自動調整工作引數，數碼相機中的光敏元件就是其代表產品。
總的來說，感測器的工作原理是某些物質的電學特性會隨環境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，矽在可見光照射下電阻會減小，石英受到壓力後表面會產生電荷。利用電阻與溫度的對應關係，可以製成溫度感測器，進一步給敏感元件新增隔熱結構，依據敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關係，可以製成紅外感測器。在此基礎上，還可以根據目標溫度與紅外輻射能量之間的關係，製造出非接觸測溫感測器。人們熟悉的用來測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。藉助豐富的物理和化學效應，人們製備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀察物體的紅外相機等種類豐富、功能強大的感測器。
奠基智慧化
數字化是對事物屬性的量化，並用數字將其表達為抽象結果。藉助現代資訊科技，人們可以儲存、處理、傳播各種數字化資訊。感測器可以將事物蘊含的各種資訊轉換成電訊號，並利用數模轉換電路將電訊號用數字表達，是數字化的有效工具。當你拿出手機拍照片或影片時，光敏感測器會將接收的光強度訊號轉換成電訊號，再按一定的規則用數字表達、儲存，最終形成手機螢幕上的影像。
數字化基於感測器獲取資訊。數字化系統需要處理的資訊量非常龐大，僅靠人工或者傳統裝置無法獲取，憑藉感測器則能夠實時、高效、精準、快速地獲取，於是有了城市大資料、天氣大資料、醫療大資料、農業大資料等。利用各類感測器，人們可以召開遠端會議、學習網路課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發展出數字經濟業態。數字經濟涉及的雲計算、物聯網、人工智慧、5G通訊等各類技術，都與感測器息息相關。
沒有感測器就沒有數字化和智慧化。感測器是智慧化系統的第一關，它的水平決定了智慧化系統及其儀器裝置的水平。感測器技術已經成為國際上資訊高階器件領域的研究前沿，在人工智慧、智慧城市、5G通訊、航空航天、生命健康等領域均發揮著不可替代的作用。比如一輛汽車會安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過100種感測器，由車載電腦進行處理，幫助駕駛員作出判斷。對資料的智慧化分析降低了駕駛汽車的難度，讓汽車變得更安全、更好開。而且，無人駕駛汽車透過感測器實時獲取道路資訊，一旦發現障礙物，便透過智慧分析及時避讓。城市中高樓大廈、橋樑、隧道等建築，也需要透過影片、溫度、壓力和煙霧等感測器實時監控安全狀況，當資料彙總到一起，智慧化系統便會及時分析，提煉出少量關鍵資訊供使用者作出決議計劃。甚至在未來，人類的感官也可以藉助感測器變得更加強大，構建起智慧化系統。
開拓新場景
當前，各類感測器都處在進一步提升效能、降低成本，向數字化、智慧化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進化，呈現出蓬勃發展態勢。其中，智慧感測器、柔性感測器、新原理感測器的研發具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。
發展智慧感測器是重要趨勢。藉助智慧感測技術，人們設計製造出具備獲取、儲存、分析資訊功能的各種感測單元及微系統，實現低成本、高精度資訊採集。智慧感測器廣泛應用在機器人、無人駕駛、智慧製造、運動定量監測等方面，還可用於開發無創或微創健康監測器件等。近年來流行的動態血糖儀是個很好的例子。糖尿病患者將柔性感測器無痛置入身體，感測器每5分鐘測一次血糖值，並傳送到手機應用中。患者可以觀察血糖曲線變化，及時透過飲食和運動等方法調節血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發可降解電子器件，讓智慧感測器更好助力低碳環保生活。
發展柔性感測器是另一趨勢。許多應用場景要求感測器製備在柔性基質材料上，並具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至摺疊、便於攜帶、可穿戴等特點。目前製備柔性感測器的常用感測材料有碳基材料(炭黑、碳奈米管和石墨烯等)、金屬奈米材料(金屬奈米線、金屬奈米顆粒等)、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復能力的交聯超分子聚合物薄膜電極材料，可用於製造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將整合多功能的柔性感測器與柔性印製電路結合，可以製成“智慧帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實時監測與分析生理資訊，幫助人們特別是感官退化的群體瞭解自身健康狀況。
新原理感測器也在不斷出現。在基礎研究領域，新的規律陸續被發現，人們正利用這些科學新認知製備感測器。同時，技術進步也對基礎研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機的畫素、靈敏度、速度等效能引數；在高速實驗中，需要可以記錄飛秒尺度資訊的條紋相機；在量子通訊中，需要靈敏度達到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實現對高速運動物體和冷目標的探測，等等。這就要求科學家們進一步探索物理世界，發現新現象新規律，提升感測器效能。
隨著科技快速發展，新材料新工藝不斷投入應用，效能更強、種類更豐富、智慧化水平更高的感測器將創造更多工作生活新場景，幫助人們“感慨感染”美好生活。
(作者為中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員)
中國科協科學技術傳播中心與本報合作推出
褚君浩
作者褚君浩肖像畫。 張武昌繪
如果把智慧系統比作“人”，那麼感測器就是“人”的感覺器官。不同型別的感測器，感知周圍環境並把資料傳遞給系統進行計算，對情況進行實時分析、判斷和應對。隨著數字化智慧化不斷深入，各式各樣感測器的用武之地大為拓寬，為人類創造美好生活發揮著巨大作用。
一部智慧手機裡有上百個感測器：有用於攝像的CMOS影象感測器，有用於檢查環境明暗的環境光感測器，還有用於導航的地磁感測器、陀螺儀……正是基於這些感測器，手機裡的各種應用軟體才能流暢工作，手機才能成為集工作、生活、娛樂於一體的行動式智慧裝置，帶來人們生活方式的巨大變化。風雲衛星上的可見和紅外光電感測器，能夠不分晝夜地獲取大氣資訊，精準預測天氣，甚至在月球上、火星上都有感測器工作，幫助人類探索宇宙奧秘。
超越感官
感測器是資訊系統的“慧眼”。它就像人類的眼睛、耳朵、面板等器官一樣，感知周圍環境，幫助我們認識多姿多彩的世界。不同之處在於，感測器比人的感官更敏銳、更強大。客觀世界所包含的資訊多樣程度，遠遠超出我們感官的能力範圍。人的眼睛無法觀察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽不見次聲波和超聲波，對於“不見蹤影”卻時刻產生影響的磁場也無法感知。這些超出感官範圍的資訊，感測器都能“感慨感染”到。
隨著生產力發展，人類越來越需要全方位地感知世界。1821年，科學家利用材料因溫差產生電壓的原理，研製出世界上第一個感測器——溫度感測器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應制備各種感測器，這些感測器尺寸大、靈敏度低、使用不利便。上世紀70年代，出現了將敏感元件與訊號電路進行一體化設計的整合感測器，如熱電偶感測器、霍爾感測器、光敏感測器等。這類感測器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，輸出模擬訊號。上世紀末開始，數字化感測器快速發展，透過“模擬/數字”轉換模組，實現數字訊號輸出。數字化感測器整合智慧化處理單元，可以自動採集、處理資料，並能根據環境自動調整工作引數，數碼相機中的光敏元件就是其代表產品。
總的來說，感測器的工作原理是某些物質的電學特性會隨環境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，矽在可見光照射下電阻會減小，石英受到壓力後表面會產生電荷。利用電阻與溫度的對應關係，可以製成溫度感測器，進一步給敏感元件新增隔熱結構，依據敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關係，可以製成紅外感測器。在此基礎上，還可以根據目標溫度與紅外輻射能量之間的關係，製造出非接觸測溫感測器。人們熟悉的用來測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。藉助豐富的物理和化學效應，人們製備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀察物體的紅外相機等種類豐富、功能強大的感測器。
奠基智慧化
數字化是對事物屬性的量化，並用數字將其表達為抽象結果。藉助現代資訊科技，人們可以儲存、處理、傳播各種數字化資訊。感測器可以將事物蘊含的各種資訊轉換成電訊號，並利用數模轉換電路將電訊號用數字表達，是數字化的有效工具。當你拿出手機拍照片或影片時，光敏感測器會將接收的光強度訊號轉換成電訊號，再按一定的規則用數字表達、儲存，最終形成手機螢幕上的影像。
數字化基於感測器獲取資訊。數字化系統需要處理的資訊量非常龐大，僅靠人工或者傳統裝置無法獲取，憑藉感測器則能夠實時、高效、精準、快速地獲取，於是有了城市大資料、天氣大資料、醫療大資料、農業大資料等。利用各類感測器，人們可以召開遠端會議、學習網路課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發展出數字經濟業態。數字經濟涉及的雲計算、物聯網、人工智慧、5G通訊等各類技術，都與感測器息息相關。
沒有感測器就沒有數字化和智慧化。感測器是智慧化系統的第一關，它的水平決定了智慧化系統及其儀器裝置的水平。感測器技術已經成為國際上資訊高階器件領域的研究前沿，在人工智慧、智慧城市、5G通訊、航空航天、生命健康等領域均發揮著不可替代的作用。比如一輛汽車會安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過100種感測器，由車載電腦進行處理，幫助駕駛員作出判斷。對資料的智慧化分析降低了駕駛汽車的難度，讓汽車變得更安全、更好開。而且，無人駕駛汽車透過感測器實時獲取道路資訊，一旦發現障礙物，便透過智慧分析及時避讓。城市中高樓大廈、橋樑、隧道等建築，也需要透過影片、溫度、壓力和煙霧等感測器實時監控安全狀況，當資料彙總到一起，智慧化系統便會及時分析，提煉出少量關鍵資訊供使用者作出決議計劃。甚至在未來，人類的感官也可以藉助感測器變得更加強大，構建起智慧化系統。
開拓新場景
當前，各類感測器都處在進一步提升效能、降低成本，向數字化、智慧化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進化，呈現出蓬勃發展態勢。其中，智慧感測器、柔性感測器、新原理感測器的研發具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。
發展智慧感測器是重要趨勢。藉助智慧感測技術，人們設計製造出具備獲取、儲存、分析資訊功能的各種感測單元及微系統，實現低成本、高精度資訊採集。智慧感測器廣泛應用在機器人、無人駕駛、智慧製造、運動定量監測等方面，還可用於開發無創或微創健康監測器件等。近年來流行的動態血糖儀是個很好的例子。糖尿病患者將柔性感測器無痛置入身體，感測器每5分鐘測一次血糖值，並傳送到手機應用中。患者可以觀察血糖曲線變化，及時透過飲食和運動等方法調節血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發可降解電子器件，讓智慧感測器更好助力低碳環保生活。
發展柔性感測器是另一趨勢。許多應用場景要求感測器製備在柔性基質材料上，並具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至摺疊、便於攜帶、可穿戴等特點。目前製備柔性感測器的常用感測材料有碳基材料(炭黑、碳奈米管和石墨烯等)、金屬奈米材料(金屬奈米線、金屬奈米顆粒等)、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復能力的交聯超分子聚合物薄膜電極材料，可用於製造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將整合多功能的柔性感測器與柔性印製電路結合，可以製成“智慧帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實時監測與分析生理資訊，幫助人們特別是感官退化的群體瞭解自身健康狀況。
新原理感測器也在不斷出現。在基礎研究領域，新的規律陸續被發現，人們正利用這些科學新認知製備感測器。同時，技術進步也對基礎研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機的畫素、靈敏度、速度等效能引數；在高速實驗中，需要可以記錄飛秒尺度資訊的條紋相機；在量子通訊中，需要靈敏度達到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實現對高速運動物體和冷目標的探測，等等。這就要求科學家們進一步探索物理世界，發現新現象新規律，提升感測器效能。
隨著科技快速發展，新材料新工藝不斷投入應用，效能更強、種類更豐富、智慧化水平更高的感測器將創造更多工作生活新場景，幫助人們“感慨感染”美好生活。
(作者為中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員)
中國科協科學技術傳播中心與本報合作推出
褚君浩
作者褚君浩肖像畫。 張武昌繪
如果把智慧系統比作“人”，那麼感測器就是“人”的感覺器官。不同型別的感測器，感知周圍環境並把資料傳遞給系統進行計算，對情況進行實時分析、判斷和應對。隨著數字化智慧化不斷深入，各式各樣感測器的用武之地大為拓寬，為人類創造美好生活發揮著巨大作用。
一部智慧手機裡有上百個感測器：有用於攝像的CMOS影象感測器，有用於檢查環境明暗的環境光感測器，還有用於導航的地磁感測器、陀螺儀……正是基於這些感測器，手機裡的各種應用軟體才能流暢工作，手機才能成為集工作、生活、娛樂於一體的行動式智慧裝置，帶來人們生活方式的巨大變化。風雲衛星上的可見和紅外光電感測器，能夠不分晝夜地獲取大氣資訊，精準預測天氣，甚至在月球上、火星上都有感測器工作，幫助人類探索宇宙奧秘。
超越感官
感測器是資訊系統的“慧眼”。它就像人類的眼睛、耳朵、面板等器官一樣，感知周圍環境，幫助我們認識多姿多彩的世界。不同之處在於，感測器比人的感官更敏銳、更強大。客觀世界所包含的資訊多樣程度，遠遠超出我們感官的能力範圍。人的眼睛無法觀察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽不見次聲波和超聲波，對於“不見蹤影”卻時刻產生影響的磁場也無法感知。這些超出感官範圍的資訊，感測器都能“感慨感染”到。
隨著生產力發展，人類越來越需要全方位地感知世界。1821年，科學家利用材料因溫差產生電壓的原理，研製出世界上第一個感測器——溫度感測器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應制備各種感測器，這些感測器尺寸大、靈敏度低、使用不利便。上世紀70年代，出現了將敏感元件與訊號電路進行一體化設計的整合感測器，如熱電偶感測器、霍爾感測器、光敏感測器等。這類感測器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，輸出模擬訊號。上世紀末開始，數字化感測器快速發展，透過“模擬/數字”轉換模組，實現數字訊號輸出。數字化感測器整合智慧化處理單元，可以自動採集、處理資料，並能根據環境自動調整工作引數，數碼相機中的光敏元件就是其代表產品。
總的來說，感測器的工作原理是某些物質的電學特性會隨環境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，矽在可見光照射下電阻會減小，石英受到壓力後表面會產生電荷。利用電阻與溫度的對應關係，可以製成溫度感測器，進一步給敏感元件新增隔熱結構，依據敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關係，可以製成紅外感測器。在此基礎上，還可以根據目標溫度與紅外輻射能量之間的關係，製造出非接觸測溫感測器。人們熟悉的用來測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。藉助豐富的物理和化學效應，人們製備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀察物體的紅外相機等種類豐富、功能強大的感測器。
奠基智慧化
數字化是對事物屬性的量化，並用數字將其表達為抽象結果。藉助現代資訊科技，人們可以儲存、處理、傳播各種數字化資訊。感測器可以將事物蘊含的各種資訊轉換成電訊號，並利用數模轉換電路將電訊號用數字表達，是數字化的有效工具。當你拿出手機拍照片或影片時，光敏感測器會將接收的光強度訊號轉換成電訊號，再按一定的規則用數字表達、儲存，最終形成手機螢幕上的影像。
數字化基於感測器獲取資訊。數字化系統需要處理的資訊量非常龐大，僅靠人工或者傳統裝置無法獲取，憑藉感測器則能夠實時、高效、精準、快速地獲取，於是有了城市大資料、天氣大資料、醫療大資料、農業大資料等。利用各類感測器，人們可以召開遠端會議、學習網路課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發展出數字經濟業態。數字經濟涉及的雲計算、物聯網、人工智慧、5G通訊等各類技術，都與感測器息息相關。
沒有感測器就沒有數字化和智慧化。感測器是智慧化系統的第一關，它的水平決定了智慧化系統及其儀器裝置的水平。感測器技術已經成為國際上資訊高階器件領域的研究前沿，在人工智慧、智慧城市、5G通訊、航空航天、生命健康等領域均發揮著不可替代的作用。比如一輛汽車會安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過100種感測器，由車載電腦進行處理，幫助駕駛員作出判斷。對資料的智慧化分析降低了駕駛汽車的難度，讓汽車變得更安全、更好開。而且，無人駕駛汽車透過感測器實時獲取道路資訊，一旦發現障礙物，便透過智慧分析及時避讓。城市中高樓大廈、橋樑、隧道等建築，也需要透過影片、溫度、壓力和煙霧等感測器實時監控安全狀況，當資料彙總到一起，智慧化系統便會及時分析，提煉出少量關鍵資訊供使用者作出決議計劃。甚至在未來，人類的感官也可以藉助感測器變得更加強大，構建起智慧化系統。
開拓新場景
當前，各類感測器都處在進一步提升效能、降低成本，向數字化、智慧化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進化，呈現出蓬勃發展態勢。其中，智慧感測器、柔性感測器、新原理感測器的研發具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。
發展智慧感測器是重要趨勢。藉助智慧感測技術，人們設計製造出具備獲取、儲存、分析資訊功能的各種感測單元及微系統，實現低成本、高精度資訊採集。智慧感測器廣泛應用在機器人、無人駕駛、智慧製造、運動定量監測等方面，還可用於開發無創或微創健康監測器件等。近年來流行的動態血糖儀是個很好的例子。糖尿病患者將柔性感測器無痛置入身體，感測器每5分鐘測一次血糖值，並傳送到手機應用中。患者可以觀察血糖曲線變化，及時透過飲食和運動等方法調節血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發可降解電子器件，讓智慧感測器更好助力低碳環保生活。
發展柔性感測器是另一趨勢。許多應用場景要求感測器製備在柔性基質材料上，並具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至摺疊、便於攜帶、可穿戴等特點。目前製備柔性感測器的常用感測材料有碳基材料(炭黑、碳奈米管和石墨烯等)、金屬奈米材料(金屬奈米線、金屬奈米顆粒等)、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復能力的交聯超分子聚合物薄膜電極材料，可用於製造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將整合多功能的柔性感測器與柔性印製電路結合，可以製成“智慧帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實時監測與分析生理資訊，幫助人們特別是感官退化的群體瞭解自身健康狀況。
新原理感測器也在不斷出現。在基礎研究領域，新的規律陸續被發現，人們正利用這些科學新認知製備感測器。同時，技術進步也對基礎研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機的畫素、靈敏度、速度等效能引數；在高速實驗中，需要可以記錄飛秒尺度資訊的條紋相機；在量子通訊中，需要靈敏度達到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實現對高速運動物體和冷目標的探測，等等。這就要求科學家們進一步探索物理世界，發現新現象新規律，提升感測器效能。
隨著科技快速發展，新材料新工藝不斷投入應用，效能更強、種類更豐富、智慧化水平更高的感測器將創造更多工作生活新場景，幫助人們“感慨感染”美好生活。
(作者為中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員)
中國科協科學技術傳播中心與本報合作推出
