現(xiàn)代傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
作者： 合力為科技
來(lái)源： 物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù)
發(fā)布時(shí)間：2017-02-27 00:00
傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，是當(dāng)前各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的高新技術(shù)，是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一。傳感器技術(shù)所涉及的知識(shí)領(lǐng)域非常廣泛，其研究和發(fā)展也越來(lái)越多地和其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系。本文描述了傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了近幾年世界高端前沿的MEMS傳感器技術(shù)的主要研究狀況，并通過(guò)簡(jiǎn)述當(dāng)前的我國(guó)傳感器發(fā)展?fàn)顩r，展望了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。
1. 國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀
美國(guó)早在20世紀(jì)80年代就認(rèn)為世界已進(jìn)入了傳感器時(shí)代，成立了國(guó)家技術(shù)小組（BTG），幫助政府組織和領(lǐng)導(dǎo)各大公司與國(guó)家企事業(yè)部門的傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，美國(guó)國(guó)家長(zhǎng)期安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要的22項(xiàng)技術(shù)中有6項(xiàng)與傳感器信息處理技術(shù)直接相關(guān)。日本把開(kāi)發(fā)和利用傳感器技術(shù)作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展6大核心技術(shù)之一。日本科學(xué)技術(shù)廳制定的上世紀(jì)90 年代重點(diǎn)科研項(xiàng)目中有70 個(gè)重點(diǎn)課題，其中有18 項(xiàng)是與傳感器技術(shù)密切相關(guān)。傳感器與通信、計(jì)算機(jī)被稱為現(xiàn)代信息系統(tǒng)的三大支柱。因其技術(shù)含量高、滲透能力強(qiáng)，以及市場(chǎng)前景廣闊等特點(diǎn)，引起了世界各國(guó)的廣泛重視。
傳感器在資源探測(cè)，海洋，環(huán)境監(jiān)測(cè)，安全保衛(wèi)，醫(yī)療診斷，家用電器，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，等領(lǐng)域都有廣泛利用。在軍事方面，美國(guó)已為自己的F-22戰(zhàn)機(jī)裝備了新型的多譜傳感器，實(shí)現(xiàn)了全被動(dòng)式搜索與跟蹤，可在諸如有霧、煙或雨等各種惡劣天氣情況下使用，不僅可以全天候作戰(zhàn)，還提高了隱身能力。英國(guó)在航天飛機(jī)上使用的傳感器約有100多種，總數(shù)達(dá)到4000多個(gè)，用于監(jiān)測(cè)航天器的信息，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，并可以在遇到問(wèn)題時(shí)作出診斷。日本則在“雷達(dá)4號(hào)”衛(wèi)星上安裝了傳感器，可全天候?qū)Φ孛婺繕?biāo)進(jìn)行拍攝。
在世界范圍內(nèi)傳感器增長(zhǎng)最快是汽車市場(chǎng)需求 ，還有通信市場(chǎng)。汽車電子控制系統(tǒng)水平關(guān)鍵在于采用傳感器數(shù)量水平，目前一臺(tái)普通家用轎車安裝幾十到上百個(gè)傳感器，豪華轎車傳感器數(shù)量達(dá)到200 多。我們國(guó)家是汽車生產(chǎn)大國(guó)，年產(chǎn)汽車一千多萬(wàn)輛，但是汽車用的傳感器幾乎被國(guó)外壟斷。
2.傳感器趨勢(shì)
隨著我們對(duì)事物的新認(rèn)識(shí)，科技的不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)大體上也經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)代：
第1代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來(lái)感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。 例如： 電阻應(yīng)變式傳感器，它是利用金屬材料發(fā)生彈性形變時(shí)電阻的變化來(lái)轉(zhuǎn)化電信號(hào)的。
第2代傳感器是70 年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的固體傳感器， 這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成的。 如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)， 分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。70 年代后期， 隨著集成技術(shù)、分子合成技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 出現(xiàn)集成傳感器。集成傳感器包括2 種類型：傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。例如： 電荷耦合器 件（ CCD） ， 集成溫度傳感器AD 590，集成霍爾傳感器UG 3501等。這類傳感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口靈活等特點(diǎn)。 集成傳感器發(fā)展非常迅速， 現(xiàn)已占傳感器市場(chǎng)的2/ 3 左右，它正向著低價(jià)格、多功能和系列化方向發(fā)展。
第3代傳感器是80年代剛剛發(fā)展起來(lái)的智能傳感器。 所謂智能傳感器是指其對(duì)外界信息具有一定檢測(cè)、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力， 是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 80年代智能化測(cè)量主要以微處理器為核心，把傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、微計(jì)算機(jī)、存貯器及接口集成到一塊芯片上， 使傳感器具有一定的人工智能。 90年代智能化測(cè)量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高，在傳感器一級(jí)水平實(shí)現(xiàn)智能化， 使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測(cè)量功能以及聯(lián)網(wǎng)通信功能等。
新技術(shù)的層出不窮，讓傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。傳感器與MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的結(jié)合，已成為當(dāng)前傳感器領(lǐng)域關(guān)注的新趨勢(shì)。
目前美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了名為“智能灰塵”的MEMS傳感器。這種傳感器的大小只有1.5立方毫米，重量只有5毫克，但是卻裝有激光通信、CPU、電池等組件，以及速度、加速度、溫度等多個(gè)傳感器。以往做這樣一個(gè)系統(tǒng)，尺寸會(huì)非常大，智能灰塵尺寸如此之小，卻可以自帶電源、通信，并可以進(jìn)行信號(hào)處理，可見(jiàn)傳感器技術(shù)進(jìn)步速度之快。MEMS傳感器目前已在多個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用。比如，很多人使用的iPhone手機(jī)中就裝有陀螺儀、麥克風(fēng)、電子快門等多個(gè)MEMS傳感器;耐克公司推出的一款“智能鞋墊”也內(nèi)置了MEMS傳感器，可以記錄用戶運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，并與手機(jī)連接將數(shù)據(jù)上傳。此外，MEMS傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。比如患者在測(cè)量眼壓時(shí)可能因過(guò)于緊張，導(dǎo)致眼壓很難測(cè)準(zhǔn)的情況出現(xiàn)。而利用MEMS傳感器技術(shù)，將眼壓計(jì)內(nèi)嵌到隱形眼鏡中，這樣就可以更方便地對(duì)患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確。
除了與微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合，傳感器還與仿生信息學(xué)結(jié)合，并產(chǎn)生了諸多新的應(yīng)用。法國(guó)已研制出了模仿人類眼睛的視覺(jué)晶片，可以模仿人類眼睛的能力，分辨不同顏色，并觀測(cè)動(dòng)作。奔騰處理器每秒能處理數(shù)百萬(wàn)項(xiàng)指令，這種視覺(jué)晶片每秒能處理大約兩百億項(xiàng)指令。這種仿生視覺(jué)晶片將會(huì)引起感測(cè)與成像的革命，并在國(guó)防領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
3.我國(guó)傳感器發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)早在 20 世紀(jì)60年代開(kāi)始涉足傳感器制造業(yè)，“八五”期間，我國(guó)將傳感器技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，建成了“傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“國(guó)家傳感器工程中心”等研究開(kāi)發(fā)基地。而且MEMS等研究項(xiàng)目列入了國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。目前，傳感器產(chǎn)業(yè)已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。我們國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程和電子信息產(chǎn)業(yè)20%以上速度高速增長(zhǎng)，帶動(dòng)傳感器市場(chǎng)快速上升。我們國(guó)家手機(jī)產(chǎn)量突破7.5億，手機(jī)市場(chǎng)增長(zhǎng)給傳感器市場(chǎng)帶來(lái)新機(jī)遇，該領(lǐng)域占的傳感器領(lǐng)域占市場(chǎng)1/4。我國(guó)是白電生產(chǎn)大國(guó)，2009年總產(chǎn)量達(dá)到3億多臺(tái)，用的傳感器占市場(chǎng)1/5，傳感器在醫(yī)療環(huán)保專業(yè)設(shè)備當(dāng)中應(yīng)用高速增長(zhǎng)，占市場(chǎng)份額 15%左右。
與此同時(shí)，我國(guó)在傳感器發(fā)展方面的問(wèn)題也日益突出。我國(guó)雖然傳感器企業(yè)眾多，但大都面向中低端領(lǐng)域，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，研究水平不高。許多企業(yè)都是引用國(guó)外的芯片加工，自主研發(fā)的產(chǎn)品較少，自主創(chuàng)新能力薄弱，在高端領(lǐng)域幾乎沒(méi)有市場(chǎng)份額。此外，科研院所在傳感器技術(shù)的研究方面已與國(guó)際接軌，但產(chǎn)業(yè)化瓶頸遲遲未能突破。目前我國(guó)從事傳感器技術(shù)研發(fā)的主要是高校、中科院和相關(guān)部委的研究機(jī)構(gòu)，企業(yè)的技術(shù)實(shí)力較弱，很多是與國(guó)外合作，或是進(jìn)行二次封裝。而在發(fā)達(dá)國(guó)家，傳感器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化更多由企業(yè)來(lái)主導(dǎo)。那么，我國(guó)的傳感器產(chǎn)業(yè)該如何突破當(dāng)前的發(fā)展瓶頸？
近年來(lái)，我國(guó)也不斷提高對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)的重視，并出臺(tái)了一系列政策推進(jìn)其發(fā)展。2011年7月出臺(tái)的《中國(guó)電子元件“十二五”規(guī)劃》指出，“十二五”期間將投資5000億元，主要集中在新型電子元件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。而在今年2月由工信部等四部委聯(lián)合印發(fā)的《加快推進(jìn)傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》中，還制定了具體的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，并給出了2013年至2025年的發(fā)展路線圖。
根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，未來(lái)將在傳感器領(lǐng)域建立超百億元的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)集群，以及產(chǎn)值超過(guò)10億元的行業(yè)龍頭和產(chǎn)值超過(guò)5000萬(wàn)元的小而精的企業(yè)。
對(duì)于上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該從兩方面入手，一是要走產(chǎn)業(yè)化的道路，二是要采取整體解決方案的模式。
在傳感器技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化方面，除了需要成熟的市場(chǎng)和產(chǎn)品，以及充足的資本和人才，志在長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)營(yíng)理念，也是傳感器產(chǎn)業(yè)化成功的基礎(chǔ)。傳感器研發(fā)和推廣的周期比較長(zhǎng)，想短期見(jiàn)到效果往往比較難。比如漢威，從創(chuàng)業(yè)到上市，一共走過(guò)了10年的歷程。整體解決方案的模式，是經(jīng)漢威實(shí)踐后的一條行之有效的路徑。傳感器雖然是關(guān)鍵器件，技術(shù)含量很高，但需要依存于其他的系統(tǒng)和具體的應(yīng)用，本身很難形成很大的產(chǎn)值和規(guī)模。因此，他建議從核心元器件入手，向下游產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行延伸，并為客戶提供整體的解決方案。通過(guò)這種整體解決方案的模式，我們能夠得到第一手的用戶體驗(yàn)信息，并根據(jù)這些信息對(duì)傳感器進(jìn)行完善和改進(jìn)。同時(shí)，由于末端應(yīng)用的利潤(rùn)比較高，企業(yè)可以把在末端應(yīng)用賺來(lái)的錢，投入到前端的核心技術(shù)研發(fā)上，這樣研發(fā)也有了后續(xù)的力量。
4.結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。今后，隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來(lái)的傳感器系統(tǒng)必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。在各種新興科學(xué)技術(shù)呈輻射狀廣泛滲透的當(dāng)今社會(huì)，作為現(xiàn)代科學(xué)“耳目”的傳感器系統(tǒng)，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎(chǔ)，必將進(jìn)一步得到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。我國(guó)加大研發(fā)新型傳感器力度，追上其他科技發(fā)達(dá)國(guó)家，其意義長(zhǎng)遠(yuǎn)。
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