過去十幾年，計算機、軟件和計算技術(shù)在世界上發(fā)生了巨大的變化。作為一名工程師，在這個時代擁有部分強大的計算能力是十分有益的。最受歡迎的是個人電腦、筆記本電腦、智能手機和智能手表等手持設(shè)備。

這無法想象我們的生活沒有計算能力的幫助會是怎樣的。令人激動的部分是，我們?nèi)匀辉跒g覽隱藏在這樣一個看似智能化的機器中的巨大計算潛力的表面。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，計算技術(shù)達到了新的水平，重新定義了"智能"（智慧城市如何建立一個更好的疫情后世界），公平地說，激動人心的時刻才剛剛開始。

本文旨在回答這樣一個問題："傳感器是如何"感覺"的？ "并專注于傳感器工作的物理。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)是一個涵蓋所有類型設(shè)備的保護傘。它們要么嵌入系統(tǒng)中，要么作為一個單獨的實體存在。不管怎樣，關(guān)鍵是他們通過互聯(lián)網(wǎng)互相交流。每一個這樣的設(shè)備都有一個嵌入式發(fā)送器和接收器，通過因特網(wǎng)實現(xiàn)通信過程。

然而，每一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都是不一樣的，不一定適合所有的應(yīng)用。事實上，他們和我們?nèi)祟惡芟嗨?。每個人都擅長某件事。你不能指望演員駕駛飛機，飛行員在電影中表演。同樣，你不能指望一個單一的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（和設(shè)備）來做所有的事情。因此，工程師設(shè)計不同的系統(tǒng)來執(zhí)行不同的任務(wù)，以提供最好的結(jié)果。

在現(xiàn)代商業(yè)中，顧客是上帝，所有行業(yè)都是如此。因此，系統(tǒng)設(shè)計者總是設(shè)計、生產(chǎn)和運送物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以提供良好的用戶體驗。Vera Kozyr所著《如何做物聯(lián)網(wǎng)硬件產(chǎn)品開發(fā)》從硬件產(chǎn)品的角度出發(fā)，重申所有利益相關(guān)者投入的時間和精力來創(chuàng)建端到端、即插即用式系統(tǒng)。

在探索物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的內(nèi)部之前，區(qū)分設(shè)備和系統(tǒng)是很重要的。

一個設(shè)備就像一個單獨的成員，而系統(tǒng)就像一個包含個人的團隊。因此，設(shè)備是系統(tǒng)的一部分，反之亦然。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分

任何系統(tǒng)都由多個單獨的組件（和子組件）組成，它們共同努力實現(xiàn)一個共同的目標。此外，作為一個系統(tǒng)（團隊）的一部分可以確保更高的生產(chǎn)力和更好的結(jié)果。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要組成部分包括：

感應(yīng)物理量的傳感器

現(xiàn)場中央微控制器，控制傳感器和其他部件執(zhí)行的所有動作；

云端，數(shù)據(jù)分析和處理，對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和處理；

發(fā)送器和接收器通過互聯(lián)網(wǎng)在不同的傳感器、傳感器和微控制器與中央云服務(wù)器之間建立通信；

與用戶通信并執(zhí)行用戶指示的任務(wù)的用戶界面。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器：通向現(xiàn)實世界的橋梁

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個很好的例子是智能手機，它通常包括：

用于確定位置的全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊；

感測環(huán)境溫度的溫度傳感器；

一個麥克風(fēng)可以感知用戶的聲音；

近距離傳感器，用于感應(yīng)用戶與手機的距離，并在通話過程中鎖定手機。

智能手機上的不同應(yīng)用使用不同的傳感器。例如，谷歌地圖有一個用戶界面（一個應(yīng)用程序），可以與GPS模塊交互并收集位置坐標。它通過互聯(lián)網(wǎng)連接處理數(shù)據(jù)，幫助用戶路由到目的地。

電池管理系統(tǒng)（BMS）是使用多個傳感器的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的另一個例子。BMS是一種保護和管理電池操作的電子系統(tǒng)。簡而言之，它是電池的個人看護人。

傳感器就像是計算機世界和現(xiàn)實世界之間的網(wǎng)關(guān)。因此，傳感器需要將它在現(xiàn)實世界中感知到的任何東西轉(zhuǎn)換成計算機能夠理解的特殊事物。

而這兩個世界之間的共同聯(lián)系就是電能。

因此，我們得出了傳感器的技術(shù)定義——物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器感知所需的物理量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，直接或通過現(xiàn)場微控制器傳輸?shù)交谠频闹醒敕?wù)器。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的傳感器。

微機電系統(tǒng)（MEMS）與物聯(lián)網(wǎng)傳感器的傳感機理

微機電系統(tǒng)（MEMS）是一種微系統(tǒng)技術(shù)（MST），它由半導(dǎo)體材料（如硅）組成，其尺寸在微米范圍內(nèi)。

大多數(shù)探測機械能的傳感器都以某種方式使用MEMS技術(shù)。加速度計是一個非常典型的例子。這主要是由于快速增長和對計算機的巨大依賴。

由于MEMS技術(shù)的制造材料是半導(dǎo)體，其主要優(yōu)點是可以嵌入集成電路（IC）。集成電路包括對從傳感器接收到的數(shù)據(jù)起作用的其他計算組件（也由半導(dǎo)體材料構(gòu)成）。

事實上，小尺寸和芯片集成大大降低了成本。你可以花不到250英鎊（3.34美元）買到一個基于MEMS的加速計。此外，基于MEMS的傳感器具有高靈敏度和檢測微小變化的優(yōu)點，這是前人無法想象的。

傳感機構(gòu)類型及工作原理

根據(jù)應(yīng)用，系統(tǒng)可以包括一個或多個傳感器，感測不同的物理量，從而具有獨特的感測機制。MEMS技術(shù)中將物理變化轉(zhuǎn)換為電信號的兩種最流行的傳感機制是：

1、基于電阻的傳感

2、電容式傳感

這兩種類型的傳感機制都采用了一個簡單的原理——物理量的任何變化都是通過傳感器所用材料的電阻或電容的變化來捕捉的。因此，物理量的較大變化表明材料的電阻或電容變化較大，反之亦然。

這兩種類型的主要區(qū)別在于這兩種機制的工作原理?；陔娮璧膫鞲邢到y(tǒng)使用電阻，而基于電容的傳感系統(tǒng)使用電容。

基于電阻的傳感機制（使用MEMS技術(shù)）

一個多世紀以來，我們一直使用電阻電阻來測量、分析、控制和觀察各種物理量。如前所述，當(dāng)一個物理量（如壓力）發(fā)生變化時，電阻的變化量決定了這個量的變化量。

電阻的變化受物理原理的控制，如光導(dǎo)效應(yīng)、半導(dǎo)體的熱阻效應(yīng)和壓阻效應(yīng)[1]。

通過物理幾何結(jié)構(gòu)的變化進行傳感–材料的電阻取決于材料的幾何結(jié)構(gòu)、長度和橫截面積。長度或/和橫截面積的任何變化都將直接影響材料的阻力。

壓阻效應(yīng)-壓阻材料是一種特殊的材料，當(dāng)材料經(jīng)歷諸如推、拉或擠壓等機械變形時，其電阻會發(fā)生變化。因此，壓力、振動和加速度測量物聯(lián)網(wǎng)傳感器通常使用壓阻材料。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器中使用的其他基于電阻的傳感機制

盡管基于MEMS的物聯(lián)網(wǎng)傳感器對機械量、物理量非常有效，但電阻式傳感器檢測非機械量（如光和溫度）的操作是不一樣的。因此，傳感機制發(fā)生變化。

光感應(yīng)-為了檢測光，需要一種特殊的感光材料。植物通過被稱為光感受器的特殊分子來探測光。類似地，任何光傳感傳感器都使用光刻膠，這種材料的電阻隨著光強度的增加而降低。光敏電阻或俗稱LDR是一種非常流行的用于檢測光的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。

溫度傳感-與光傳感類似，溫度傳感也需要能夠接受環(huán)境溫度變化的材料。大多數(shù)溫度傳感器由熱敏電阻組成，熱敏電阻是一種電阻隨溫度升高而降低的材料。例如，防止現(xiàn)代鋰離子電池過度充電的一個參數(shù)就是在熱敏電阻的幫助下檢測電池溫度。

化學(xué)傳感器-這些傳感器用于檢測特定的化學(xué)物質(zhì)。該傳感器包含一個由一種材料制成的傳感層，只要與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，其電阻就會發(fā)生變化。例如，許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用MQ系列（MQ9、MQ2、MQ7等）氣體傳感器。它能檢測出一氧化碳、液化石油氣和甲烷等各種氣體的存在。

圖1——基于電阻的傳感器

轉(zhuǎn)換為電信號

可以說，第二個最流行的科學(xué)方程式，歐姆定律（V=IR）建立了電流、電壓和電阻之間的直接關(guān)系。這個定律的妙處在于，電阻的任何微小變化都可以在瞬間轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或電流）。

圖2——電阻傳感物理變化到電信號的轉(zhuǎn)換

因此，每種基于電阻的物聯(lián)網(wǎng)傳感器（包括MEMS技術(shù)）都直接或間接地使用歐姆定律。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器中基于電容的傳感機制

基于電容的傳感機制通過改變材料的電容來捕捉物理量的變化，就像電阻一樣，取決于材料的物理幾何結(jié)構(gòu)。

然而，幾乎所有基于電容的傳感系統(tǒng)主要依賴于物理幾何結(jié)構(gòu)的變化——面積、距離和材料的電容能力（由其可存儲的電荷量來描述）。

觸摸傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最常見的電容式傳感器之一。智能手機使用由許多觸摸傳感器組成的觸摸屏。本質(zhì)上，它是一個壓力傳感器，可以檢測來自身體接觸的壓力/力。

當(dāng)屏幕受到物理觸摸刺激時，施加的壓力會改變屏幕的面積或距離，從而觸發(fā)屏幕下方電容值的變化。

這種電容的變化就像一個電子開關(guān)，將電信號驅(qū)動到下一級。圖3示出了觸摸傳感器的工作原理。

圖3–電容式觸摸傳感器的2D和3D工作

與使用歐姆定律的基于電阻的傳感系統(tǒng)類似，基于電容的系統(tǒng)有自己獨特的關(guān)系，將電容的變化映射到電壓和電流。

電容式與電阻式傳感

在電阻傳感中，一些物理量，如光和溫度，需要一種特殊類型的材料。其中存在利弊，一方面，電阻的變化對被測量是唯一的。但另一方面，這種獨特性需要完全不同的測量/傳感程序。

相反，大多數(shù)基于電容的傳感系統(tǒng)保持統(tǒng)一的傳感過程，因為這種變化主要是由于物理幾何的變化。此外，與電阻式傳感器相比，它們相對較新，目前僅限于使用MEMS技術(shù)的傳感機械系統(tǒng)。

結(jié)論

此外，物聯(lián)網(wǎng)只是傳感器設(shè)計的一部分。系統(tǒng)必須有效地處理接收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶需求提供以應(yīng)用程序為中心的結(jié)果。

目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器已經(jīng)滲透到制造業(yè)，自動化了大多數(shù)人工操作，形成了一個全新的分支，叫做工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）。

與個人電腦和智能手機不同的是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒有在我們的生活中帶來巨大的變革。在此之前，整個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)需要繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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[8] D. Fischer, "Capacitive Touch Sensors," Fujitsu Microelectronics Europe GmbH, Jan 2021