人类致力于了解和改善环境。从人类早期开始，环境便一直是科学研究和发现的对象，无论是人造环境还是自然环境。
全球各地的人们正在寻求进一步了解他们生活、工作和健康成长所在的地方，这不仅是为了更有效地保护环境，更是为了了解这些环境给人类健康、安全和日常生活带来的风险和影响。此外，不断融化的冰盖、不断下降的海岸线、不断上升的全球气温等环境现象都是人类发展给我们地球环境微妙而复杂的和谐带来的显著后果。现在，对环境相关问题表现出前所未有的兴趣已经成为科学家、政策制定者甚至平民百姓的一项优先事项。除了继续增加我们对生态和栖息地的认知，新的传感器技术和传感器网络正在使环境相关的信息变得易于采集和传播。虽然很多传感设备已用于专业应用达数十年，但成本的大幅下降正使得环境传感设备越来越“平易近人”，现在它们甚至被用于普通的家庭应用。下图描述了市场上可用的普通传感器技术，这些技术正被用于环境应用以及各种各样的个人/商业应用。各式各样的传感器越来越多地被嵌入到诸如手机和可穿戴设备之类的智能设备以提供独特的洞察信息和个人测量信息，这些信息不仅改变了我们感知环境的方式，而且还改变了我们感知我们自己的方式。
图 1：传感器类型和种类
在本文中，我们将关注传感器技术的环境应用以及构成这个充满活力和不断增长的市场的主要趋势。
环境传感技术与应用
传感器和测量设备实际上已经成为所有行业和现代生活的不可或缺之物，人们已经见证了它们在环境应用中的广泛使用，从简单的家用一氧化碳检测仪到复杂的道路状况评估， 无所不及。各种各样的环境传感器应用构成了五个不同的领域，如图 2 所示。
图 2：环境传感器的应用领域
在所有这些领域中，传感器的基本任务是测量金属（铅、铁、镁等）、放射性物质（镭、铀等）、气体（二氧化碳、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等）、有机化合物（笨、甲烷）和生物性因子（藻类、细菌等）的含量。此外，压力、湿度和温度测量也是十分常见的。现在，各种各样基于半导体的传感技术正在不断地向小型化发展，并且它们大多数可以用作有源设备或无源设备。无源传感器不需要任何额外的电源，并且直接生成电信号来响应外部刺激。热电偶、光二极管和压电传感器都是典型的无源传感器。 有源传感器需要外部电源来支持它们的运行。
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在几乎所有情况下，传感器都是一个较大的控制或测量系统的元器件，而传感器系统的复杂性和灵敏度越来越多地依赖于基于软件的传感器信号解释与分析。无论何种传感器类型，随着更低的成本和更高的功能性让传感器在所有领域变得富有价值，传感器工业正在经历一场应用大爆炸。
传感技术的主要趋势
由于最近三十年发生的数字革命仍在继续，传感器已经来到了引领一个新的应用时代的前沿阵地。物联网（IoT）模式特别依赖于传感输入和分析来为利益相关者驱动新的价值来源。各个领域的持续创新正在驱动传感器技术的一些关键趋势：
传感器的性能：传感器的性能取决于其输出信号的灵敏度、准确度和可靠性。与新材料、传感技术、制造和封装技术相关的创新不仅使得成本大幅降低，而且还改善了灵敏度。例如，在过去的二十年里，气体传感器的灵敏度已经从 50 ppm 提高到 10 ppm。同期，气体传感器的单位成本已经降低了几乎三个数量级（见图 3）。将微机电系统（MEMS）和最近流行的纳机电系统（NEMS）引入传感设备的上升趋势已经极大地改善了传感器的准确度和可靠性。此外，硅测量元件（还用于测量热学和化学参数）的不断使用也提高了传感器的性能。同时，测量不确定度也在通过优化的封装技术得到改善，从而增强了传感器在普通应用甚至是密集型应用中的再现性和长期稳定性。朝着更高性能发展的趋势将带来超敏感的设备，这些设备将应用于很多领域，特别是早期检测系统，从而在工业、商业和个人领域中推动巨额成本规避计划的实施。
图 3：气体传感器的成本和性能发展趋势（资源来源：Jeff Funk 教授，新一代 MEMS 气体传感器）
小型化：值得注意的是，传感器的性能得到了提高，同时传感器的体积大小和功耗也都降低了。例如，在过去的四十年里，气体传感器的尺寸已经从高达 17mm 减小到小于 2mm（图 4）。需要说明的是，在尺寸减小的同时，单位功率消耗降低了二个数量级之多。
图 4：气体传感器的小型化（资源来源：Jeff Funk 教授，新一代 MEMS 气体传感器）
小尺寸和低功耗特性不仅提高了可携带性，而且还延长了传感器的寿命。由于无需依赖有线电源，电池供电的传感器系统正在实现新的监控模式。现在人们可以监控缺电的敏感工业区和环境，并且监控设备只需占用最低限度的空间。基于硅的传感技术确保了小型化的发展趋势，小型化已经带来了计算能力的巨大变化（摩尔定律），并且也将成为传感器技术的一个支柱。到目前为止，小型化的最大好处是能够将传感器嵌入到可穿戴设备和智能手机中。
图 5：环境传感器在手机和平板电脑中的应用（资源来源：IHS Emerging Sensors in Handsets and Tablets Report – 2014)
集成：另一个技术发展趋势是在单个设备中使用多个传感器来实现大规模应用。大量传感器集成为一个传感器阵列（例如，与模式识别集成在一个电热板上）的发展趋势正在推动新设备的发展，这些新设备可以进行多种类型的传感。现在，检测多种气体以及检测物理环境条件（例如温度、湿度和压力）都是可以实现的功能，并且它们将被应用于商业和个人应用。物理、化学和生物传感器在单个传感器元件上的耦合（例如，用于压力测量、酸度测定等）正在改变实验室工作的本质。“环境传感器集于一块芯片”类型的设备不再只是一种概念，它具有显著加快环境传感过程和降低分析成本的潜力。
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图 6：各种环境传感器的集成
标准化和安全性：由于传感器永远都是更大的控制系统的一部分，一个特定传感器或模块与多个传感器集成到一个更大的系统的便利性至关重要。此外，由于如此之多的传感器都在不停地发送数据，有助于数据利用的接口也是必不可少的。显然，连接和通信协议的标准化也是十分必要的，因为跨域数据交换可以提供宝贵的洞察信息。另外，将传感模块与标准电源、处理和射频模块相集成的片上系统设计也越来越受欢迎。这种设计与通信标准化模式降低了成本、设备尺寸和功耗，同时增加了设备功能性和应用范围。
图 7：集成的环境传感节点
标准化的另一个显著好处是安全性的提升。由于存在各种各样影响所有数字网络和设备的安全威胁，确保传感器和传感器网络不是易受攻击的源头至关重要。遵守既定的标准可以确保传感器输出不被他人操纵，并且只有授权的接收人可以接收传感器输出。
自主和智能：随着我们身边的高性能传感器急剧增加，毫无疑问，我们将能够更好地了解我们的环境以及其中发生的变化。人们正在快速地改进传感器设备来实现自主的和更加智能的运行模式。实现这种运行效率的关键在于恰当地处理传感数据。真知灼见通常来自多个数据源的数据集成。此外，趋势数据通常比测量点的数据更有价值。为了实现这种工作模式，人们已经着手研究在传感器电子设备中增加基于高度集成的元器件的功能集成。模式检测、额外的数据采集和先进的算法分析是将传感器数据带向更高层次的关键所在。为此，传感器设备正在越来越多地配备板载分析，并且它们还能连接到云平台来获取新的洞察信息。传感器设备本身也在越来越多地嵌入各种功能，例如自我监控、接口检测和诊断、自我校准（自我调整）和重新配置。使用这些功能来推动预防性维护具有使工业和商业领域的运营成本大幅降低的潜力。传感器设备正在取得进展的另一个方面是适应环境变化的可用性和便利性（用于集成的通信接口、即插即用功能、自动本地化等）。
实现一种自主但高度集成的工作模式需要一种非常全面的方法来设计传感器，这种方法涉及到新颖的 3D 设计工具、有限元（FEM）计算方法、Matlab/Simulink 集成的使用，以及全面而准确的材料数据的使用。此外，融合来自不同物理传感器的数据以从单个“逻辑”或“虚拟”传感器提供更全面的信息是传感器创新者们所关注的重要领域。
所有以上趋势将以前所未有的方式改变我们的世界。云计算、传感器技术、可穿戴设备和智能手机的共同发展很有可能提高我们对我们生活、工作和娱乐所在的环境的认知。想象一个这样的世界并不难：传感器网络直接向我们的智能手机传递关于我们周围环境的信息，包括空气污染程度、道路状况、噪声水平、天气状况、辐射强度和水质。虽然这些都是城市里的应用，但荒郊野外和环境敏感区域也有同样庞大的数据流可供使用，例如森林火灾探测、臭氧水平检测、冰层融化速率检测、盐度检测等等。所有这些信息不仅使我们能够控制环境，而且还能让我们以新的方法了解它们。
总结
环境传感器对于打造一个尽可能互联的世界至关重要。从提供我们周围的环境信息到帮助我们应对全球气候变化，传感器和传感器网络正在从根本上改变我们对我们周围环境的认知。环保、工业、商业和个人领域全部都在使用越来越智能的传感器设备来推动新的防护、控制和监控方法。传感器本身也在经历各个方面的新发展——传感器功能正在快速扩增，同时改善了准确度和可靠性；传感器的尺寸越来越小，功耗越来越低；随着传感器设备在更大的范围内部署，多传感器设备正变得越来越普遍；多个传感器和其他元器件之间集成水平的进步正在带来新的功能。未来，具有自主性和智能性的传感器明显是可以实现的，并且它还将带来新的可能性，这不仅包括提升运行效率和降低成本，还将包括开发新的功能来保护我们地球上的人类健康、安全和总体幸福感。