伴随着技术的成熟和进步，在不久的将来数字传感器对电子市场具有重要的推动作用，数字传感器衍生出诸多新的应用领域，并且带动数字传感器技术的发展。
“灵敏传感器”(smart sensor)或“数字传感器”(digital sensor)指的是高级传感器，它包括调节和处理信号的电路及一个网络通讯的界面。它们通常以模块（modules）形式制成，包含一个传感器、DSP（数字信号处理器）、一个DSC（数字信号控制器）或一个ASIC（特定用途集成电路）；另外也有以系统封装（System in Package）或系统芯片(System on Chip)的方式制成。在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动（通过人工指令进行高层次操作，自动处理低层次操作）系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同的参数。尤其是MEMS（微型机电系统）技术，它使数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低。以纳米碳管或其它纳米材料制成的纳米传感器同样具有巨大的潜力。市场分析机构NanoMarkets LC 估计在2008年，纳米传感器在全球的市场将达到二百八十万美金，到2012年会增至一千七百二十万美金。
图1 在不久的将来，数字传感器被认为是电子市场的主力。
即使在萌芽阶段，人们仍然认为在不久的将来数字传感器对电子市场具有重要的推动作用。制作数字传感器的接口以及支持用于数字传感器网络的形式多样的通讯协议都是对技术工艺的巨大挑战。传感器的非均质特性和其操作条件的多样化也对技术工艺提出了巨大的挑战。目前在全世界有超过3000家传感器制造商正在运作，Intechno 咨询公司估计它们在2008年的总销售额将会超过500亿美金。
数字传感器不仅能够感知所测量的物理参数，诸如位置、温度、照度、压力、电压或电流等；它们还能处理接收到的信号并将其发送到网络中去。因此一个传感器节点除了传感器本身，还包括信号获取、处理、通讯及能耗管理等等的一整套电路系统。
图2 越来越多的传感器被整合到现代化汽车中。（来源：Strategy Analytics）
现在系统设计所包含的传感器和处理器越来越多。随着传感器和处理器价格的不断降低，取代机械控制结构的阈值也在不断变化。在系统中选择正确的传感器组合和处理算法可以显著地降低原材料及能耗的费用并提高系统的总体性能。目前，不断提高操作的简化程度和延长能源的使用寿命变得越来越重要，尤其是如今越来越多的传感器网络动辄就配置1000或更多的传感器节点。
数字传感器：在汽车中的几例应用
传感器越来越多地被应用到许多领域，包括军事、汽车、工业、医药、家居的安全与警戒、环境监测等等，甚至被应用到消费领域。在大型家用电器尤其是洗衣机和冰箱中，集成传感器的使用显著增长。
传感器技术在现代汽车的重大改进中起到了主要作用。抗磁性（拒磁）传感器（Magnetoresistive? sensors）在汽车中用于决定机械系统的角度、速度或位置，汽车的防滑系统以及发动机和变速箱的控制需要这些数据。在汽车中还有其它各种各样的传感器，像雷达、红外线、视频、惯性和超声传感器等等，它们的设计是以防锁煞车系统（antilock braking）、可遥控自动驾驶仪、电压稳压控制器（electronic-stability control）、换道并线及盲点探测系统、牵引控制、防撞系统以及气囊调节等等为目标的。汽车发动机管理系统是一个富含传感器的系统。除了监控司机与踏板之间的接触状况，此系统还测量许多变量，诸如系统中的空气、燃料和尾气的温度、压力以及化学成分等，并综合所有这些信息，以便优化发动机的输出功率、燃料效率、排放性能、传动经验甚至是适应不同的燃料类型。
图3 汽车发动机管理系统是传感器分支系统的一个代表。
数字传感器的新兴标准
如今传感器网络使用多种技术来为不同的工业服务。用于传感器网络的各种专属协议的数量激增。这就需要在传感器网络中引入综合翻译途径，它是一个复杂而又昂贵的体系。因此人们需要更大程度的标准化。
工程任务组（The Internet Engineering Task Force－IETF）正在为以蓝牙、Wi-Fi和802.15.4网等为基础的无线传感器网络开列一个标准，以便能将传感器节点连接到更宽广的互联网络上。IETF的目标是在传感器之间建立一种通讯方式，这种通讯方式不需要专属的翻译途径。这项协议将在2009年六月制定出台。由IEEE（电气和电子工程师协会）的1451委员会制定的标准于上世纪90年代中期被引入，它为连接在网络中的变换器（传感器和执行器）之间提供了一个通用而且完全透明的界面。这个标准体系包含不同的子体系：IEEE P1451.0定义了物理层面的必备条件，通讯协议和基本功能；IEEE1451.1控制信息在网络上的获取和发送；IEEE1451.2处理有线网络的界面事宜，与RS－233、ES－485和USB等标准兼容；IEEE1451.3启动处在多分支网络中的传感器的运行；于2003年通过的IEEE P1451.4规定与数字传感器相关的数据（像传感器的类别、型号、操作参数以及位置等）必须能够以电子数据表的格式从整合在传感器中的EEPROM（电可擦除只读存储器）存储器中读取，这种数据表被称为变换器电子数据表（TEDS－Transducer Electronic Data Sheet)。IEEE P1451.4标准极大地简化了传感器的布线以及更换故障传感器的问题。 它同时也免除了传感器在设置和校准方面的人工干预，这种干预即费时又易出错。这样传感器就成了即插即用的装置。在国家仪器网站（National Instruments’ web site）中有一个有效TEDS的数据库，它包括了可以在IEEE P1451网络中使用的各种老式的或没有EEPROM的传感器的专门资料。IEEE 1451.5标准仍在审核阶段，它规定的是将TEDS连接到无线网络中的必要条件，如与802.11、蓝牙或ZigBee等的连接。最近又提出了IEEE 1451.6标准议案，它定义TEDS和CAN总线的接口。
图4 IEEE P1451标准的制定为连接在网络上的变换器（传感器和执行器）之间提供了一个通用且完全透明的界面。
无线数字传感器
几十亿的有线传感器被广泛地用于电子系统中，从简单的热电偶到更复杂的专用系统。它们被用于测量和监控物理参数。许多工程师正在考虑改用无线传感器，因为它们具有一些显著的优点，价格低廉、适应性好，即使在不良环境中也易于安装和使用。根据市场分析机构Cahners Instat的估计，到2010年，将有超过1600亿个无线传感器网络节点被卖出。
传感器的无线网络将在一定区域内分布的各种传感器连接在一起并结合智能电路进行信号处理和数据传输。其可能的应用领域包括军事、环境及道路交通的监控、安全与警戒、家庭与工业自动化、医疗卫生系统和汽车。在工业环境中，建立一个传感器网络的费用有80%花在布线上，而且建立这样一个网络有时是不现实甚至是不可能的。在汽车方面，传感器的一个重要应用是用于遥控开锁系统（RKE－Remote Keyless Entry Systems），以无线代替了CAN总线，这样做大大节省了成本及空间，去除了昂贵而粗大的电缆。根据Cahners Instat最近的预测，到2010年将有超过1600亿个传感器网络节点被卖出；而且建立包含一万至十万个传感器节点的网络也是非常可能的事。这样，可测量性成为了一个非常关键的因素。此外，传感器必须可以现场编程和自行设置；网络必须能够在有一个或多个故障传感器存在的情况下正常运行。另一个关键参数是能耗，因为无线传感器也可能被设置在偏远地区。在无线传感器网络方面，一个非常有前途的无线技术是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4标准研发的，能确保低能耗和低成本。ZigBee 联盟的发起公司有深圳的华威科技、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、Texas Instruments、Samsung 和Siemens。West Technology，一个定向于无线电技术市场调查的公司预测，利用ZigBee 技术制作的符合IEEE 802.15.4标准的传感器芯片组的销售量将从今年的三千一百万组上升至2012年的三亿一千二百万组，其增长为稍高于100%的复合比。其它应用于无线传感器网络的无线技术还有由Cypress Semiconductor推出的无线－USB；以及z-Wave，一种由Zensys公司研发的技术，有超过160家公司组成了一个z-Wave 联盟来共同推广这一技术。
图5 MEMS加速计将成为便携式用户（消费）设备中许多高级界面的启动器。（来源：Sensor Platform）
无线传感器：新兴的用途
应用于住宅方面的传感器在全球具有60亿个节点的潜在市场，用于以无线传感器为基础的监控系统，它是无线传感器用途的一个重要体现。到2012年，用于智能住宅（smart house）的无线传感器网络将会有价值二十八亿美金的全球市场；相比较而言，其在2007年的市场只有四亿七千万美金。传感器最被看好的用途有照明控制、节能系统、保安模块、娱乐系统和远程就医（telemedicine）。无线传感器比有线传感器更易安装并且免除了昂贵而粗大的电缆。这种优势在工业领域尤为重要，电缆在其传感器网络安装费用中占80%。无线传感器在恶劣环境中使用具有优势，在这些环境中传感器要经得起震动、高温和电子噪声甚至是爆炸性气体。在如此恶劣的环境中安装有线传感器是不现实、昂贵甚或是不可能的。过去阻碍无线传感器在工业领域中使用的原因是保安问题以及工厂中不同无线电网络之间可能存在的干扰问题。无线传感器在其它领域中的应用经验可以作为参照来解决其在工业环境中应用所遇到的这些问题。例如，解码技术被用来保护无线传感器网络拒绝非法访问。
无线传感器应用的另一个强势领域是由汽车气体力学中的轮胎压力传感器产生的。根据2001年颁发的一项法律，美国强制性要求每一种新款汽车都必须配备这种轮胎压力传感器。The Yole Développement，一家法国市场分析公司预计，到2012年这种传感器的市场将达到1830亿美金，相对于2007年的一亿六千八百万美金，由于价格不断下跌的缘故其复合增长率仅为2%。从销售量的角度分析，德国的Wicht Technologie公司预计，在市场上此类无线传感器节点的数量将会由2011年的十万组增加到2015年的超过六千万组。如果类似美国的轮胎压力传感器法也在欧洲和亚洲通过的话，到2012年其市场可能会超过三亿美金。
图6 许多产品公司正在开发具有经济效益的解决方案以及小型化MEMS传感器技术，这些技术据称可以很经济地将运动感应功能加入到手机和消费产品中。（来源：STMicroelectronics）
无线传感器网络的必备条件
无线传感器网络的主要组成部分是数字传感器。无线传感器的主要必备条件是一个被降低的波形因数、低能耗以及有效工作范围，其有效工作范围与所发射的无线电信号强度和能耗均成正比的。无线传感器网络必须具备高效性、可靠性和可缩放性，它们还应该能支持数量众多的传感器节点（10,000 – 100,000个）。其另一个必要条件是极低的维修需求。无线传感器通常都安装在偏远地区，人工介入，即使是像更换电池这样简单的事也是很困难和昂贵的。因此无线传感器的能耗一定要极其低，以使其在一个电池更换周期内可以运行几个月甚至几年。基于这些原因，人们已经研发出了几种不需要电池的解决方案。它们以能量搜集技术为基础，可以从环境中汲取运行所需要的能量。它们通常能利用太阳能、热能或振动所带来的能量。再有，传感器必须能够现场编程和自我设置；即使在有一个或多个故障传感器存在的情况下，网络也能正常运行。信号发送率通常不是问题，因为在大多数应用中，传感器所产生的数据量不是很大，能以非连续方式来发送。
图7 在汽车领域，MEMS被用于导航和信息娱乐设备中。
数字微粒（smart dust）
微粒是放置在集成度非常高的驱动器和功能部件中的微型数字传感器，用于收集和分析信息以及管理静态存储器和闪速存储器。它的特性是能耗极低并支持近距离无线电通信。人们通常把它们与“无所不在的计算”和“数字微粒”等名称相提并论。这项技术是在1997年由美国加州大学伯克利分校研发的。它的应用领域包括军事、保安、家居自动化、工业控制、建筑控制、汽车网络（automotive networks）、医疗系统以及智能型消费电器等。目前，一个数字微粒的价格大约为100美金，并需要体积大寿命却比较短的电池来供电。不过其研究者说，在五年内它们的单价会被降到10美金以下。通过能量搜集技术，微粒也将能利用太阳能或动能自行供电。
这些微型数字传感器已经被用于商品电器中。伯克利大学正在与Intel合作研制传感器平台，使之与XScale处理器结合以保证电池寿命超过一年。数字微粒传感器的主要制造商是总部设在加州的Crossbow公司。根据市场分析家的预测，到2008年底，微粒的销售量将会超过2亿个。
图8 许多公司开始将生物测定传感器纳入现有的保安基础设施中。
我们每天都在不知不觉中与微型机电传感器（MEMS－micromechanical sensor）打交道：压力、临近与运动传感器（proximity and movement sensor）、陀螺仪、加速计、麦克风和压电装置等等。现如今，MEMS技术在以下四个领域取得了商业性的成功：用于气囊控制的加速计；用于监测汽车耗油量的压力传感器；喷墨打印机头和用于投影显示的反射镜。根据iSuppli的预测，微型机电传感器的全球市场将会由2006年的61亿美金增长到2012年的88亿美金。到2012年为止，MEMS仪器的单位出货量的年复合增长率预计为6.4%，其同期年销售额的复合增长率预计为5.5%。虽然产品总需求量的增长相对缓慢，但某些单项产品的市场却成长得非常迅速；例如，iSuppli预言手机的平均复合增长率将为22.9％，到2012年，仅此一项产品的市场将达到九亿二千五百万美金。事实上MEMS传感器正在越来越多地被用于消费电子产品。MEMS肯定会被大量地应用于消费电子产品中，最大的MEMS制造商们都把赌注押在了这块市场上。STMicroelectronics公司MEMS事业部门的总监Benedetto Vigna认为，MEMS技术的用户化将为此项技术开辟新的领域，它也将会受到无线传感器网络主体配置的影响。MEMS传感器也可以被整合到游戏控制器中，使它们能够在便携式终端上跟踪操纵者手部的运动，并以此来调节显示屏上的画面变化或进行目录浏览。
市场调研机构iSuppli认为，移动传感器(motion sensors)将代替传统的传感器成为MEMS市场的主要推动力，至少在2012年之前会是这样。尤其是加速计(accelerometer)，它在便携式消费电器中将被用来启动一系列高级界面功能。传感器在消费电器中的应用正在迅速飙升，像用于游戏、笔记本电脑和数码相机中的移动传感器就是实例。虽然以传感器为基础的微型机电系统（MEMS－microelectromechanical systems）的价格已经在迅速下降，它们还是太昂贵而不能被用在一些对价格敏感的消费产品中。
自从MEMS加速计被用在Wii和苹果牌iPhone中后，它们在消费市场中得到越来越多的关注。像Analo Devices 和STMicroelectronics 等MEMS加速计厂商都在其MEMS产品的销售上取得了巨大成功，这些产品全是为Wii 控制器和iPhone设计的。ABI Research 公司强调，为了打进一个主体市场，传感器的单位价格必须低于一美元。
产品制造商们正在研发低成本解决方案，据说用于手机和其它消费电器的微型化MEMS传感器在保证移动感应功能的同时成本更为低廉。
STMicroelectronics公司去年推出了新一代高度压缩的三轴线性加速计。LIS331系列的低能耗MEMS传感器为消费用电器及工业用电器提供了灵敏的内嵌式微型移动感应解决方案。这些功能包括便携和游戏装置中的移动用户界面、用于保护硬盘数据的自由落体探测以及家用电器的震动探测与补偿。
Freescale Semiconductor 公司也完成了它的MEMS传感器产品系列，推出了一个三轴数据输出加速计。这个装置免除了对模数转换器和外部存储器的需要。MMA7450L装置则能启动各种以移动为基础的功能，如在便携式终端和用手指点击操作的用户界面中需要感知移动、加速或减速，以便实施屏幕滚动、游戏控制及硬盘自由落体保护等功能。Anolog Devices也推出了ADXL330三轴加速计的随续产品，用于Wii的遥控。新加速计的功能有所改善，其中包括低能耗和低成本。
总部设在加利福尼亚的Sensor Platforms研制出了一种移动感应技术，它可以插入在设备中用于硬盘的自由空间指示、内部巡视和震动消除。本年度的下半年这个公司的此项产品将会面市。这类产品使用第三方供应商所提供的低成本MEMS加速计、磁力计和GPS传感器。Sensor Platforms声称研制出了一个自由空间指示器，它可以用AA电池来驱动，并保证其总的材料成本低于10美元。
在汽车领域，MEMS用于麦克风、加速计和MEMS陀螺仪，如导航仪、信息娱乐设备和驾驶员记录仪等。这后几种应用被嵌入CMOS（互补金属氧化物半导体）照相机，它们可以登记在事故发生前几秒钟内所发生的事件。STMicroelectronics 为日本和韩国的一些客户研发了类似的解决方案。
市场研究公司Yole Développement认为，在汽车市场中，陀螺仪、加速计和压力传感器是最重要的MEMS应用项目。例如许多国家立法要求在汽车的气囊和座椅中安装压力传感器。到2011年为止，MEMS在运输领域的市场预计将以12.5%的速率增长，销售额将达到十三亿五千万美金。
在汽车用MEMS的经销商中Bosch是第一名，其2007年的销售额为四亿三千万美金，其次是STMicroelectronics (三亿二千万美金)，Freescale Semiconductor （二亿三千五百万美金），Analog Devices (二亿一千万美金)，Denso (一亿七千六百万美金)，Infineon (由其分公司Sensonor带来的一亿三千万美金的年收入)，Delphi（一亿一千六百万美金）和Continental AG(五千六百万美金)。
其它被认为很具有前途的应用是防盗系统和LBS（Location Based Services－定位服务）系统。其中包括定向广告信息（以地区为基础的广告业）以及无线多人游戏，这种游戏可以把游戏参加者的地理位置考虑在内。MEMS也是将GPS功能整合入手机的一个关键装置。GPS定位需要在高电流（约为50mM）下进行；这种特性使其非常难于整合入像手机一类的便携式终端，因为在此类终端中一般都采用能耗优化来延长电池的使用寿命。与之相反的是MEMS陀螺仪和磁力传感器所需的电流比GPS低两个数量级。一旦用户的位置被确定下来，MEMS传感器就可以代替GPS，因此可以在移动网络中定期地短暂使用GPS来修正用户的位置，以便纠正MEMS传感器可能引起的误差。
在家居自动化中，MEMS传感器可用于降低洗衣机等的水电消耗量。像自动吸尘器和自动割草机等小型家用电器会以适当的数量打入市场，因为它们的能耗效率不是很高。MEMS传感器另一些引人注目的应用是在医疗领域，例如用于监控患者的各种重要生理指标，或用于对老年人进行远程就医等。
图9 生物测定传感器和读出器经常被用于像个人电脑、笔记本电脑、硬盘等大宗产品中，以防这些产品在被盗或丢失后其中的文件被非法用户读取。
一些公司正在着手把生物测定传感器纳入其现有的保安基础设施中。用于访问授权控制（access control）的硬件与软件销售额高达四十亿美金。国际生物测定集团（International Biometric Group）预计到2009年，仅生物测定访问授权控制系统一项将会占据整个生物测定系统市场的30%；到2010年，销售额将达到五十七亿美金。含有多种生物测定传感技术的综合生物测定系统将占总市场的5%。
生物测定传感器和读出器通常被整合到大宗电子产品中，诸如个人电脑、笔记本电脑、DVD、手机、USB存储器以及硬盘等，用来防止在此类物品被盗或丢失后其中的文件被非法用户读取。其它重要的应用有公共行政管理、移动交易（如电子商务或邮递商务）以及机场和在医院中控制患者的病历等。
以生物测定监视系统为基础的传感器技术发展十分迅速，并且在图象显示、反应速度和数据处理等方面提供了非常优越的性能。指纹传感器在分辨率、有效面积的获取、可靠性、坚固程度、体积、价格及保养需求等方面有着很大区别。NIST（美国国家标准技术研究所）标准规定一个“好”的指纹图像的分辨率应该高于500dpi（dot per inch）。当今应用最普遍的技术是光学法，使用一个传感器或一组CCD（电荷耦合装置）或CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器；还有使用电容法的。电容扫描器是更为精简的装置，因此它们是容量有限的便携式仪器的理想选择。最新一代用于获取指纹的传感器不需要手指与仪器有实质性的接触，这样就避免了由前一次获取指纹残留下来的指印所带来的干扰问题，这种残留指印会改变指纹读取结果。Upek，一个2004年由STMicroelectronics 派生出的公司，研制出了一种叫作TouchChip的活性像素电容感应技术，它提供了最佳的信号与噪声比率以及成像质量。与以往的电容感应技术相比，它也确保了图像不受寄生元件的干扰（parasite effects）。其感应区域由一个二维像素组构成，每一维由两个相邻的金属电极组成，由一个保护罩将它们与用户的手指和周围环境分开。那些电极形成了一个散射状的电容，它的电场力线被铺在硅表面上。当手指的皮肤处在传感器的感应区内时，它干扰了其电场的电场力线，因而降低了两个电极之间的有效电容量，通过电容减弱的程度就可以探测到皮肤表面高低起伏的变化。
虽然目前生物测定传感器的单位价格已经低于五美元，但是为了进一步降低它们的价格，奥地利的Nanoident公司研制出了由聚合物半导体制成的光学传感器，它的价格比其同类的硅半导体传感器要低廉得多。使用这种传感器能制出柔软易曲的指纹扫描器并能将其嵌入到智能卡中。每个传感器带有256个50μ×50μ的像素，所产生图像的分辨率为250dpi。
手掌静脉纹识别虽然是一项不太常用的生物测定技术，但它也在逐渐流行起来。它通常与指纹识别共同使用来实现更高级别的保安措施。其应用包括人员识别、人员进入的控制以及对使用电子收款机进行的金融交易实施保护等。Fujitsu公司研发了一种使用近红外光来确定静脉形状的技术。原理是在静脉中流动的血红蛋白吸收波长为760nm的近红外光，因此这项非接触性的技术是很可靠而安全的。静脉构造图是非常难以复制和伪造的，原因是它在手的组织内部并且需要血液流动才能够构成图像。由Fujitsu研发的这项技术使错误接受率低于0.00008%，而错误拒绝率则低于0.01%。
图像传感器：用CCD 还是CMOS？
对保安问题日益增加的关注导致了人们在监视系统上的投资越来越多。事实上视频监视领域正在不断地扩大。根据市场分析机构RNCOS的预测，人们对视频监视系统的需求量将从目前的10%增加到2009年的36%；在今后的五年里，其总销售额将从目前的七十亿美金增至一百三十亿美金。监视产业正在经历一场重大变革。据估计超过90%的监视录像机是模拟型的。模拟监视系统通过同轴电缆将CCTV（Closed-circuit television-闭路电视）摄像机连接到中央磁带录像机或硬盘上。如今模拟录像正逐步地被数字化、压缩并按照Internet 协议做成数据包送到Internet的服务器上。最新一代智能摄像机可以对捕捉到的图像进行高等分析。监视录像可以在数字摄像机上直接被编译成H.264码并以较低的位速率在Ethernet上传送。
图像传感器技术是上世纪六十年代末伴随第一代CCD（电荷耦合装置）而产生的，它是监视系统必备的装置。在一个CCD传感器中，每个像素中的电荷通过数目有限的输出节点（有时只有一个节点）传递并被转换成一个电压值作为模拟信号送出芯片。多年来CCD是起主导作用的图像获取技术，因为在现有的处理技术条件下CCD所提供的图像质量非常高（以效率和噪声作为衡量标准）。CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器几乎是与CCD同时期发明的。在一个CMOS传感器中，每个像素都具有电荷/电压转换功能，它通常还带有放大器、噪声补偿电路和数字化区。这些功能增加了芯片的复杂性也减少了传感器的体积。由于其信号转换是由每一个芯片独立完成的，因此像素的均一性比较差。尽管如此，CMOS传感器的整合性却非常好，使芯片摄像机（camera on a chip）得以实现。低成本CMOS图像传感器的出现也促进了摄像机或图像传感器在工序自动化方面的应用。CMOS传感器使整个系统的能耗及成本都大幅度降低。
据IC Insights估计，2008年图像传感器的市场总销售额将会达到七十六亿美金，比2007年多10%。CMOS图像传感器的销售额于2007年降低了12%之后，在2008年预计会上升19%，达到四十四亿美金；同时CCD（电荷耦合装置）的销售额在2008年会达到三十二亿美金，下降1%，相比之下，其2007年的销售额与以往持平。OmniVision在2007年成为CMOS图像传感器的最大供应商，其次是Micron Technology、STMicroelectronics、Toshiba和Sony。
CCD在CMOS传感器在性能上的差距随着处理技术和设计技巧的不断改进而被大大地缩小。上世纪九十年代产生了活性像素传感器（APS－active pixel sensor），它使用活性晶体管（active transistor）对光敏二极管产生的信号进行缓冲。DPS（Digital Pixel System－数字像素系统）平台是斯坦福大学历时八年的研究成果，它由斯坦福大学的让产易股公司Pixim销售，用于摄像机录像监视系统。DPS技术使整合在传感器中的模拟/数字转换器(analog-to-digital converter－ADC)在像素阶段直接对到达传感器的光进行信号转换。它的结构可以使更多的低速ADC平行运行并尽可能地靠近光敏二极管产生信号的位点；这使得每一个像素的信号与噪声比达到最佳值，传感器的数字化也使信号的读取更快更准确。意大利公司NeuriCam推出了一系列VISoC (Vision System on Chip – 芯片上的影像系统)光学传感器，它们可以用C或汇编语言编程并且其设计最适合用于汽车领域。VISoC是一个完整的微型影像系统，它包含一个32位RISC CPU（精简指令集中央处理器）、一个中性处理器（neutral processor）以及平行和串行接口。其CPU性能可以达到60MIPS（百万条指令/秒）；而平行处理器的性能可以达到1000MOPS(百万次运算/秒)。为了能够自主运行，它只需要RAM和闪速存储器（flash memory）。
Sharp公司最近推出了两种CCD传感器RJ2311CA0PB和RJ2321CA0PB，其敏感度为3,200mV，是目前CCD摄像机市场中最高的。多亏有了Sharp公司的微型精加工技术（micro-finishing technology），这项技术起源于高分辨率小型数码相机，使入射光的采集率和光电转化率得到了非常大的提高，敏感度比以前的类型高1.6倍。因为它们的这些优良性能，新的CCD传感器很适合用于保安摄像机系统，即使在夜间光线很差的情况下它们也能摄出清晰的图像。RJ2311CA0PB传感器产生的NTSC信号的分辨率为270,000像素；而RJ2321CA0PB产生的PAL信号的分辨率为320,000像素
数字传声器的优点及其小型化发展趋势
By Jannik Hammel Nielsen [
jannik.nielsen@analog.com]
Claus Fürst [
claus.furst@analog.com]
引言
传声器每年的销售量超过二十亿只，鉴于如此巨大的销量引起传声器市场的关注。在传声器市场中，大约一半是非常廉价的低档传声器，面向玩具市场以及对尺寸和性能参数要求不太严格的其它应用。另一半是便携式、高端应用市场，例如移动电话、手机、数码相机、笔记本电脑等。这个市场中的巨擘是移动电话制造商，他们每年使用九亿只传声器。按照预测的10%年增长率，移动电话被视为传声器市场中增速最快的部分。移动电话的体积越来越小，而功能越来越多，因此对下一代传声器性能的要求不断提高。
多年以来，通信应用中所采用的传声器一直是驻极体电容式传声器（ECM）。这种传声器由振膜、背板和驻极体层构成。可移动的振膜和固定的背板构成了可变电容器的两个极板。驻极体层存储着相当于大约100 V电容器电压的固定电荷。声压引起振膜振动，从而改变传声器的电容。由于分布在电容器上的电荷数是恒定的，所以电容器两端的电压随着电容的改变而变化，根据下面的电容器电荷公式：
其中，
Q是电荷，单位是库仑；
C是电容，单位是法拉；
V是电压，单位是伏特。随着声压的变化，电容微量增加或减少，记为Δ
C，由此引起电压成比例地减少或增加，记为Δ
V。
移动应用中的传声器体积非常小，通常直径为3 mm ~ 4 mm、厚度为1mm ~ 1.5 mm。因此它们的电容也相当小，典型值为3 pF ~ 5 pF，在某些情况下，甚至小到1 pF。
如果电容式传声器所产生的信号驱动能力不够，那么在对信号做进一步处理之前需要一只缓冲器或放大器。按照传统方法，一直使用一只简单的结型场效应管（JFET）输入放大器实现这种传声器的前置放大。图1示出了封装的基于JFET放大器ECM的截面图。
图1. 基于JFET放大器的传声器截面图
随着ECM微机械工艺的改进，传声器体积越来越小，电容也不断减小。由于标准的JFET放大器具有相当大的输入电容，对来自传声单元的信号造成显著的衰耗，因此JFET放大器不再适合传声器的要求。
幸运的是，CMOS制造工艺的改进推动了放大器电路的改进。采用CMOS模拟和数字电路取代JFET放大器有很多好处。与传统的JFET放大器相比，采用现代亚微米CMOS工艺实现的前置放大器有多种优点：
• 降低谐波失真
• 更容易增益设置
• 多功能模式，包括低功耗休眠模式
• 模数转换功能，能使传声器直接输出数字信号
• 极大地提高了声音的质量
• 提高了抗干扰能力
数字输出传声器的前置放大器
虽然简单的基于JFET放大器的功耗很低，但是其线性度差而且精度低。因此，改进传声器设计的主要目标就是将前置放大器和数字技术结合起来，在保持极低功耗的同时，通过提高线性度和降低噪声来增加动态范围。
移动电话处于固有的噪声环境。传统的JFET放大器（以及任何纯模拟）方案的问题是，模拟传声器的输出信号很容易受到潜伏在放大器和模数转换器（ADC）之间的噪声信号的干扰。因此，将ADC集成到传声器中，使传声器自身能够提供数字输出，以减小噪声干扰。
系统描述
集成的数字输出前置放大器及其接口的框图如图2所示。传声单元的信号首先经放大器放大，然后经ADC转换成数字信号。内部稳压电源向放大器和ADC供电，既确保了良好的电源电压抑制能力，又为模拟部分提供了独立的电源。
图2. 采用ADAU1301传声器前置放大器的数字传声器系统框图
T按照仪表放大器结构中利用匹配电容器设置增益的方法使用两只运算跨导放大器(OTA) 采用CMOS工艺制造前置放大器。这种带有MOS输入晶体管的结构，对于容性信号源具有接近零输入导纳的非常理想特性。由于使用电容进行增益设置，所以确保了高增益精度（只受光刻工艺限制）和多层-多层（poly-poly）电容器固有的高线性度。通过金属掩模编程很容易设置该放大器的增益，其增益可达到20 dB。
该ADC是一个四阶、单回路、单bit Σ-Δ调制器，其数字输出是单bit过采样信号。使用Σ-Δ调制器实现模数转换具有以下几个优点：
• 噪声整形将量化噪声的频谱移到高频段，移到有用频带之外很远之处。因此，该电路系统无需严格的匹配要求就能达到高精度。
• ADC采用单bit Σ-Δ调制器，因此使其具备固有高线性度。
• 在单bit、单回路调制器中，只有一个积分器有要求严格的设计限制。内回路积分器的输出都经过噪声整形处理，因此放宽了对它们的设计要求。这样就降低了功耗。
高阶Σ-Δ调制器的潜在问题是，当输入超过最大稳定幅度（MSA）时，容易产生不稳定。 当高阶Σ-Δ调制器（>2）由于过载变得不稳定时，即使输入降到最大稳定幅度以下，也不能够恢复到稳定工作状态。为了解决这个潜在的不稳定问题，数字控制反馈系统改变了Σ-Δ噪声传递函数，强迫制调制器回到稳定工作状态。
当系统输入时钟降到1 kHz以下时系统进入低功耗休眠模式。这时， 系统消耗的电流从400 µA 降到约50 µA， 这样当不需要传声器时允许用户节省电能。从低功耗休眠模式回到正常工作状态只需要10 ms的启动时间。
因为该系统具有失效分析功能，所以一种特殊的测试模式允许工程师访问该电路的内部不同节点。在启动期间通过把这些内部节点切换到DATA引脚，这样允许工程师访问加在DATA引脚上的特殊前导码进行失效分析。
噪声考虑
电容式传声器的CMOS 前置放大器的三个主要噪声源是闪烁噪声（1/f噪声）、输入晶体管的宽带白噪声以及（用于设置该放大器的直流工作点的）输入偏置电阻器RBIAS产生的经低通滤波的白噪声。考虑到人耳对低频成分的不敏感性，使用了A加权。
1/f噪声的功率频谱密度与晶体管的管芯面积成反比。折合到输入端，1/f噪声的幅度由下面公式给出
式中，Kf是与工艺有关的常数， f是频率，W和L分别是该MOS芯片的宽度和长度，Cox是单位面积的栅极电容。因此，通过增加输入晶体管的面积就可以降低1/f噪声的幅度。折合到输入端的的白噪声与金属氧化物半导体晶体管（MOST）的跨导值gm成反比
式中，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。当 MOST进入强反转工作模式时, gm≈ 2Id/Veff ，其中Id是漏电流，有效电压Veff = Vgs – Vth，即栅源电压减去 MOST 阈值电压Vth。通过把输入对管设计得非常宽，以便当它进入弱反转工作模式时，强制 MOST工作在类双极型模式。这时，gm = Id/（nVT），其中n是斜坡因子（MOST管的长宽比，典型值为1.5），VT是热电压。因此，通过最大化MOST管的长宽比可以优化白噪声性能。
将输入偏置电阻连接到容性源，因此其噪声是经过低通滤波后的噪声。假设噪声是低通滤波后的白噪声，低通滤波器的截止频率比音频段的频率小很多，可以得到总噪声功率是kT/C，其中C是该节点的电容值。
当今的趋势是传声单元越来越小，导致其电容越来越小，而噪声则随着传声单元电容的减小而增加。不过，由偏置电阻引起的音频段噪声的功率还取决于低通滤波器的截止频率。截止频率越低，在音频段范围内保留的总噪声功率就越小。为了将噪声压低，偏置电阻的阻值必须增加到传声电容值每一半的四倍。因此，对于 3 ~ 5 pF的传声器电容，电阻最小值约为10 GΩ。
在片内实现如此大的阻值，一个好的解决方案是使用一对反向并联、在平衡点附近具有极大阻值（通常为 1 TΩ ~ 10 TΩ）的二极管。对于大信号，阻值降低，假设在过载后具有快速建立时间。 图3示出带内噪声是输入偏置电阻 RBIAS的函数。
图3. 偏置电阻器噪声
必须相对传声器电容优化前置放大器的输入晶体管面积。如前所述，尽管如果输入晶体管做得很大，那么1/f噪声将会降低，但是信号源的容性负载也会增加，从而衰减了信号幅度并降低了有用宽带内的信噪比（SNR）。这里需要折衷考虑：如果输入晶体管做得很小，那么信号源的容性负载就变得很小，但是1/f噪声却显著增强，从而降低了低频的信噪比。对于1/f噪声，使信噪比达到最佳的方法是输入晶体管的栅源电容等于传声器电容加寄生电容。对白噪声，最佳化信噪比的方法是输入晶体管的栅源电容等于传声器电容加寄生电容的三分之一。在实际中，最好的折衷方法是栅电容落在这两个值之间。
自举电路可以将输入引脚对整片芯片输入电容的影响降到最低。由于折合到输出端的白噪声与gm成正比，所有电流源MOST都被偏置在强反转区域，从而将噪声的影响降到最低。
表1列出了ADAU1301传声器前置放大器的关键参数和性能。
表1. ADAU1301的典型参数和性能（除非另外说明）
| 参数 | 数值 | Comments |
| 电源电压 | 1.64 V ~ 3.65 V | 在整个电源电压范围能够工作，但在1.8 V条件下达到规定性能指标 |
| 电源电流 | 400 µA | @ VDD = 1.8 V |
| 最大增益偏差 | X ± 0.4 dBFS/VPeak | X是具体增益 |
| 信号带宽下限 | 25 Hz | |
| 信号带宽上限 | 20 kHz | |
| 折合到输入的噪声有效值 | 5 µV rms | A加权 |
| 信噪比 | 60.6 dBFS | 在–27 dBFS/Pa传声器灵敏度条件下计算 |
| 动态范围 | >86 dB | @ THD = 10%, 取决于增益 |
| 输入电容 | 0.1 pF | |
| 最小输入电阻 | 15 GΩ | |
| 启动时间 | 500 ms | 从VDD达到1.8 V 开始到ASIC 增益达到1 dB最终稳定值的时间 |
| 最大唤醒时间 | 10 ms | |
| 时钟频率 | 1 MHz ~ 4 MHz | 标称值Fclk = 2.4 MHz |
| 时钟占空比fDC | 40% ~ 60% | |
全集成数字传声器
这种数字输出放大器虽然完全满足ECM的要求，但它不能完全适合于新兴的微电子机械系统（MEMS）传声器市场，它要求更高的集成度。固态MEMS元件中没有驻极体层的等效物，因此容性元件需要一个集成的高压偏置源。因为传声单元构成了一个纯容性负载，没有电流从偏置参考源流出，因此这个扩展版本的放大器系统可能会包括一个低功耗的内置电荷泵，从而无需存储电荷源的问题。
结束语
专为移动电话市场设计的传声器前置放大器自然推动了数字输出传声器的兴起。通过噪声分析产生了达到要求动态范围的低噪声仪表放大器。低功耗Σ-Δ ADC不受严格的设计限制能达到高分辨率。低功耗休眠模式，当不需要传声器时进入节电模式，可以延长电池工作寿命。特殊测试模式，为制造商提供便于访问其它内部节点进行测试的方法，为检测前置放大器的模拟输出提供了便利条件。
传感器入门必读: digital_microphone.pdf
