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        傳感器發展歷史,你知道嗎?

        傳感器發展歷史,你知道嗎?

        作者:jzht    來源:未知    發布時間:2021-05-19 14:10    瀏覽量:

        傳感器與通信、計算機被稱為現代信息技術的三大支柱和物聯網基礎,其應用涉及國民經濟及國防科研的各個領域,是國民經濟基礎性、戰略性產業之一。當前倍受國際關注的物聯網、大數據、云計算技術,乃至智慧城市中的各種技術實現,對于傳感器技術的需求也是巨大。
         
        科技,讓人類的能力圈不斷擴大。如果說,機械延伸了人類的體力,計算機延伸了人類的智力,那么,無處不在的傳感器,大大延伸了人類的感知力。


        早在20世紀80年代,美國就宣稱世界已經進入了傳感器時代。早在20世紀80年代初,美國就成立了國家技術小組(BGT),幫助政府組織和領導大公司、國有企業和機構的傳感器技術的發展。在保護美國武器系統質量優勢的關鍵技術中,有八項是被動傳感器。2000年,美國空軍列舉了15項有助于提高21世紀空軍能力的關鍵技術,其中傳感器技術排名第二。
         
        美國的發展模式遵循先軍工后民用、先改進后普及的發展道路,其特點是顯著的:
        (1)重視傳感器功能材料的研究;
        (2)重視傳感器技術的發展。美國霍尼韋爾公司的固態傳感器開發中心每年投資5000萬美元在設備上,目前擁有計算機輔助設計、單晶生長、加工、圖形發生器、分步重復攝影、自動噴漆。最先進的成套設備和生產設備。每三年左右更新n條線路,例如膠和光刻、等離子體蝕刻、濺射、擴散、外延、蒸發、離子注入化學氣相沉積、掃描電子顯微鏡、封裝和屏蔽動態測試。只有這樣,才能保證技術的領先水平。
        (3)重視工藝研究:傳感器的原理不難,也不保密,最機密的是工藝(制造)。許多評價傳感器不是一般的工業產品,而是完美的工藝杰作。在美國,大約有1300家生產和開發傳感器的制造商,以及100多個研究所和學院。
        傳感器,不是 KOC 那種的新造詞,而是一個非常傳統的常用詞匯,大家在新華詞典中就可以輕松找到。英文稱 Sensor 或是 Transducer。“傳感器”在新韋式大詞典中定義為:“從一個系統接受功率,通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。根據這個定義,傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式,所以不少學者也用“換能器-Transducer”來稱謂“傳感器-Sensor”。
         
        簡單來說,傳感器就是一種檢測裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成,可以測量信息,也可以讓用戶感知到信息。通過變換方式,讓傳感器中的數據或價值信息轉換成電信號或其他所需形式的輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
         
        國內外發展歷程與現狀
         
        20世紀70年代初,西方發達國家大力發展計算機與通訊技術,忽視了傳感器技術發展,造成了“大腦”發達,而“五官”遲鈍的窘境,傳感器產業相對慘淡。80年代初,美、日、德、法、英等國家相繼確立加速傳感器技術發展的方針,視為涉及科技進步、經濟發展和國家安全的關鍵技術,紛紛列入長遠發展規劃和重點計劃之中。并采取嚴格的保密規定對技術封鎖和控制,禁止技術出口,尤其是針對中國。
         
        日本1979年在《對今后十年值得注意的技術》中將傳感器列為首位;美國國防部1985年公布的二十項軍事關鍵技術中,被列為第十四項;《星球大戰》計劃、歐洲《尤里卡》計劃、前蘇聯《軍事航天》計劃,英、法、德等國家高技術領域發展規劃中均將傳感器列為重點發展技術,并將其科研成果和制造工藝與裝備列入國家核心技術。
         
        美國認為,計算機技術是核心,敏感技術、光電子技術是關鍵和重點,新材料、微電子技術是支撐和基礎。通信與計算機結合,以及多元化、新技術的融合代表著美國信息技術發展方向。
         
        福布斯認為,當前,甚至今后幾十年內,影響和改變著世界經濟格局和人們生活方式的10大科技產品,傳感器列為10大科技產品之首。
         
        美國國家科學發展基金會認為,本世紀的重大變革就是:通過網絡,把物質世界聯接起來,并賦予它一個電子神經系統,使它具有能夠感知信息的生命,而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。每年度財政預算約有69億美元,用于傳感器基礎技術與應用研究,稱其為“Sensor Revolution”(即:傳感器革命)。
         
        目前國際上缺乏制定國際標準的準則與規范,尚未制定出權威性的傳感器標準類型。只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。
         
        例如,物理傳感器有:聲、力、光、磁、溫、濕、電、射線等等;化學傳感器有:各種氣敏、酸堿PH值、離子化、極化、化學吸附、電化學反應等現象等等;生物傳感器有:酶電極和介體生物電等等。在產品用途和形成過程中的因果關系互相咬合,既不能劃分到物理類,也不能劃分為化學類,難以嚴格劃分。
         
        用傳感器分類和命名方式,主要有以下幾種類型:


        (1)按轉換原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。
        (2)按傳感器的檢測信息來分可分為聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。
        (3)按照供電方式可分為有源或無源傳感器。
        (4)按其輸出信號可分為模擬量輸出、數字數字量輸出和開關量傳感器。
        (5)按傳感器使用的材料可分為:半導體材料;晶體材料;陶瓷材料;有機復合材料;金屬材料;高分子材料;超導材料;光纖材料;納米材料等傳感器。
        (6)按能量轉換可分為能量轉換型傳感器和能量控制型傳感器。
        (7)按照其制造工藝,可分為機械加工工藝;復合與集成工藝;薄膜、厚膜工藝;陶瓷燒結工藝;MEMS工藝;電化學工藝等傳感器。
         
        全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種,我國已經擁有約1.4萬多種,大多為常規類型和品種;7000多種可產品化,而在醫療、科研、微生物、化學分析等特殊品種上仍有短缺和空白,存在著較大的技術創新空間。
         
        共性基礎工藝與三大技術創新趨勢
         
        眾所周知,由于敏感機理、敏感材料不同,加之工業現場環境、使用場景,以及被檢測介質與個性化參數、結構等復雜性要求等特點,長期以來傳感器一直處于多品種小批量生產狀態,結合工藝技術的分散性、復雜性影響和設備裝置價格昂貴等因素制約,業界稱其生產過程為制造“工業工藝品”。各國工程技術人員圍繞著工藝技術協同、融合,在產品規范化、性能歸一化、功能集成化、結構標準化,以及工藝設備和工裝夾具的產業化方面展開了長期的技術開發與創新,形成了一大批不同特色和特點的技術成果。
         
        在美國硅谷傳感器領域,圍繞著以MEMS工藝技術為基礎,根據不同行業和功能的需求,展開的不同封裝結構的各種傳感器產品創新,已經持續了近25年,形成的千奇百怪、五花八門的各種類型傳感器產品,應用領域不斷擴展,得到了各行業的廣泛認同與接受。
         
        正如硅谷MEMS工藝技術創始人丹尼斯先生所說:“20多年來,硅谷傳感器產品一直都是圍繞著以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業領域的市場應用需求,開展不同結構形式的封裝的產品競爭與創新”。因此,MEMS工藝技術是各種類型傳感器的共性基礎工藝技術,被業界稱之為傳感器創新源泉。2011年,美國行業認為MEMS工藝已經成熟,可以廣泛推廣應用,確立并形成了傳感器產業圍繞MEMS工藝技術和應用兩大方向創新與突破:
         
        一是敏感機理創新與工藝突破。提高了MEMS工藝技術在材料與工藝結構等基礎理論與應用水平,比如在晶體與非晶體、各種半導體材料應用;在硅-硅鍵合工藝、硅薄膜工藝、金屬薄膜工藝等多個領域的工藝技術創新,大大提高了產品生產的微型化、低成本、復合型、集成度等產業化基礎水平。
         
        二是智能化水平提高和應用創新。在多功能集成化、模塊化構架、嵌入式能力、網絡化接口等形成了創新與突破。極大地改善了產用難以對接的矛盾,搭建了生產制造與市場應用橋梁與技術通道,突破了行業在生產和應用長期形成的技術壁壘和發展瓶頸。同時也提高了各行業的產品自主選擇和應用設計能力,大大刺激了應用需求,拓展了市場空間。
         
        從美國傳感器產業發展來看,呈現幾個特點:
        一是在共性基礎技術上下功夫,并注重新技術、新工藝創新應用,不斷提升品質。
        二是強調傳感器網絡化、智能化節點技術、能量捕捉技術及協同創新。
        三是核心技術都有政府管控、扶持、資助與推動的影子。
        四是重點推廣應用領域的引領與帶動作明顯。如軍事工業、裝備制造、物流、生態環境監控(森林防控)、移動醫療、智能家居等。
         
        產業化生態體系與環境建設
         
        借助共性基礎技術和工藝,建立生產可柔性化、工藝規范化、產品標準化的生產體系,尋找產品的配套市場,徹底改變技術和市場的孤島化、碎片化問題是傳感器產業化的關鍵之處。根據MEMS工藝技術和產品市場應用特點,溫敏、聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、頻率等7大類型產品符合產業化技術特點和市場規?;枨?,可實現產業化規模生產。
         
        另外,以硅麥克風為代表的聲敏傳感器已經在國內外形成了十大主流特色品牌產品和商家(其中有瑞聲、歌爾國內兩家企業),實現了產業化規模生產;溫、濕度傳感器美國、德國、瑞士、日本、中國等國家都有規?;a能力,在未來發展中溫濕度將復合在其他物理量傳感器之中,比如,力敏、磁敏可同時檢測溫濕度參數;頻率含RF射頻、毫米波等共性工藝技術接近、而參數、功能、應用差異較大的產品,可在同一廠家實現產業化。特別是在手機、智能交通、生物感知等應用領域具有爆發式增長,具有較大的誘惑力。射頻器件95%仍是歐美廠商主導,甚至沒有一家亞洲廠商進入。為了打破行業壟斷現象,這將成為未來技術創新與競爭的焦點。
         
        與國外相比,我國傳感器產業發展緩慢主要是認識上的差距所致!對傳感器帶有偏見和片面的認識,缺乏國家戰略認識高度。由于傳感器分屬不同行業和部門,存在多頭管理,在發展上難于取得共識,管理亂象,政策支持缺乏力度導致產業分散,產品不能成為系列化;1200多家企業中95%以上屬于小微企業,一方面缺乏足夠的人力、物力、工藝技術條件等資源配置,產業化基礎薄弱;另一方面市場準入門檻過高,缺乏相應的應用開發和技術創新能力,產品整體技術水平和參數性能指標,特別是可靠性、穩定性指標與國外同類產品相比要低1~2個數量級,無法滿足市場對企業資質和配套能力的要求。第三是缺乏龍頭企業引領和行業帶動,缺乏國際化品牌、市場影響力、競爭優勢和基礎研究能力,導致行業內專業化企業數不足3%;核心芯片大都依賴進口,中高檔產品幾乎100%進口。整體工藝技術水平落后國外先進國家10~15年。


        針對國內外產業現狀對比和行業特點及存在問題,結合傳感器技術工藝特征,業內期待在經濟、技術優勢和發達地區,聚集國內外數十家以上的傳感器專業性公司和科研院所,組成具有產品技術工藝特色和產業化規模優勢,以及國際市場影響力的產業集群或基地,形成年銷售額1000億元人民幣(150億美元)以上,并以年增長大于20%速度增長的國際化傳感器特色產業園區。形成以敏感元器件為核心,智能化、網絡化、模塊化等集成應用為創新主體,物聯網、智慧城市為應用目標的產業鏈構架(產業生態),同時具備政、產、學、研、用、服六維一體生態環境,實現產業化集群式發展,形成我國傳感器“雙生態”產業鏈,具有產業特色明顯和區位優勢突出的國際傳感器產業園——即“傳感谷”。
         
        傳感器技術發展經歷的三個歷史階段
         
        第1代是結構型傳感器,它利用結構參量變化來感受和轉化信號。例如:電阻應變式傳感器,它是利用金屬材料發生彈性形變時電阻的變化來轉化電信號的。
         
        第2代傳感器是70 年代開始發展起來的固體傳感器,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成的。如:利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,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、分子合成技術、微電子技術及計算機技術的發展, 出現集成傳感器。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。集成傳感器發展非常迅速,現已占傳感器市場的2/ 3 左右,它正向著低價格、多功能和系列化方向發展。
         
        第3代傳感器是80年代剛剛發展起來的智能傳感器。所謂智能傳感器是指其對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力,是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物。80年代智能化測量主要以微處理器為核心,把傳感器信號調節電路、微計算機、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年代智能化測量技術有了進一步的提高,在傳感器一級水平實現智能化,使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。


        傳感器的崛起歷程及行業發展現狀
         
        蘋果新一代手機iPhone 6和智能手表的亮相,讓全球眾多蘋果手機的追隨者又有了一次徹夜排隊的理由。賦予蘋果手機越來越強大功能的,不僅是越來越強大的芯片,更重要的是手機上越來越多、越來越精良的傳感器。
         
        數年前,當喬布斯拿著蘋果手機“晃一晃”就可以讓它有所反應的時候,手機的智能化時代真正開始了。幾年后,手機從一種通訊工具變成了一個人們離不開的伙伴。
         
        讓手機具備這樣“魔力”的,是觸摸屏、陀螺儀、加速度計等各式各樣的傳感器。
         
        ——觸摸屏是一種電容觸摸傳感器。用于感受手機位置和運動的,是陀螺儀和加速感應器。當你接電話把耳朵貼到屏幕上時,讓屏幕變暗并關閉觸摸屏的是紅外線接近傳感器。根據環境光線強弱自動調節屏幕亮度的,是環境光傳感器。當然,還有用于導航的“指南針”——磁阻傳感器,以及用光電傳感器制作的攝像頭。
         
        在9月9日的發布會上,最大的亮點還是蘋果在傳感器運用上的突破。iPhone 6手機增加了集合多種傳感器的動作協感應器,可以用來測量海拔高度的氣壓傳感器,可以實現指紋支付的近場通訊模塊和指紋傳感器。iWatch背后的四個環狀傳感器,原理是通過LED光照射到皮膚上形成反射,以此判斷血管的運動、檢測佩戴者的脈搏。
         
        不僅僅是手機,在汽車、家用電器、可穿戴設備上,以及工業自動化領域,越來越多的傳感器成為機器的“耳目”。
         
        普通公眾了解甚少的是,即將給人們生活方式帶來更大變化的物聯網,其最核心的基礎技術也是傳感器。有科學家預言,傳感器將像“人體的五官”一樣,在未來充滿各個領域和空間。
         
        當下,隨著物聯網時代的開啟,各式各樣的傳感器正成為無處不在的神經元,全球對于傳感器的需求也開始呈現爆發性的增長。但是,在這一次盛宴開啟的前夜,業界又遺憾地發現,中國似乎又落伍了。
         
        在德國的博世,美國的霍尼韋爾、飛思卡爾這些傳感器巨頭享受它們“厚積薄發”帶來的收益時,中國企業如何從中分一杯羹?
         
        模仿人體五官
         
        “傳感器就好像是人的五官。”中科院微系統所傳感技術聯合國家重點實驗室主任李昕欣對財新記者說,人類在計算機的時代,解決了大腦的模擬問題,相當于用0和1實現了信息的數字化,利用布爾邏輯解決問題;現在是后計算機時代,開始模擬五官。
         
        傳感器(transducer、sensor)往往又被稱為換能器,功用是把其他信息轉換為電信號。它通常由敏感元件和轉換元件組成,能將檢測感受到的信息,按一定規律變換成為電信號輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求??梢哉f,是傳感器讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官,讓物體慢慢變得活了起來。
         
        傳感器的發展,最早是來自工業自動化的推動。
         
        出于提高效率的目的,工業生產開始由中央控制室控制各個生產節點上的參量,包括流量、物位、溫度和壓力四大參數,催生了傳感器的發展。這個趨勢從上世紀70年代開始,到現在也是傳感器應用最多的一種形式。
         
        清華大學精密儀器系教授董永貴告訴財新記者,在傳感器這一概念“出現”之前,早期的測量儀器中其實就有傳感器,只不過是以整套儀器中一個部件的形式出現。所以,中國在1980年以前,介紹傳感器的教科書叫做“非電量的電測量”。
         
        傳感器概念的出現其實是測量儀器逐步走向模塊化的結果。此后,傳感器從整套儀器系統中獨立出來,單獨作為一個功能器件進行研究、生產、銷售。
         
        根據傳感器工作原理,可分為物理傳感器和化學傳感器兩大類。物理傳感器應用的是物理效應,將被測信號量的微小變化轉換成電信號,諸如壓電效應,磁致伸縮現象,離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。
         
        化學傳感器則是以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器。近年來,出現了利用各種生物特性做成的生物型傳感器,用以檢測與識別生物體內化學成分。
         
        在董永貴看來,嚴格來說傳感器不算是一個單純的學科方向,因為各個學科都有研究傳感器的。依據新發現的物理現象、化學效應制造的新的傳感器,實際上是對別的專業基礎研究成果的二次開發。
         
        他說,伴隨電子電路技術的飛速發展,越來越多的測量問題集中到了傳感器這一環節上。最終,傳感器的性能決定了整套測量儀器的性能。“這是傳感器發展最重要的推動力。”
         
        “模擬人的五官”,只是傳感器的一個比較形象的說法。傳感器技術發展相對成熟的,還是工業測量中經常用到的如力、加速度、壓力、溫度等物理量。對于真實人的感覺,包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺,從傳感器的角度來看,大部分不是很成熟。
         
        “視覺、聽覺可認為是物理量,相對好一些,觸覺就比較差一些,至于嗅覺及味覺,由于涉及到生物化學量的測量,工作機理比較復雜,遠未達到技術成熟的階段。”他說。
         
        傳感器的市場,其實是由應用推動的。比如,化學工業中,壓力、流量傳感器市場相當大;汽車工業中,轉速、加速度等傳感器市場非常大?;谖㈦娮訖C械系統(MEMS)的加速度傳感器現在技術較為成熟,對汽車工業的需求拉動功不可沒。
         
        MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是指可批量制作的,集微型機械結構、微型傳感器、微型執行器、通信等于一體的微型器件或系統。它體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高,適于批量化生產,易于集成和實現智能化,同時也能實現某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。


        谷歌已經花費了五年的時間來研發無人駕駛汽車。這些汽車上已經沒有了加速踏板、剎車踏板和后視鏡,而是通過內部的傳感器和車載電腦來控制汽車的運行。
         
        在各類傳感器的幫助下,過去屬于人與人之間的互聯網,延伸和擴展到了任何物品與物品之間。
         
        1999年,在美國召開的移動計算和網絡國際會議就提出,“傳感網是下一個世紀人類面臨的又一個發展機遇”;2003年,美國《技術評論》提出傳感網絡技術將是未來改變人們生活的十大技術之首。
         
        2005年國際電信聯盟(ITU)發布了《ITU互聯網報告2005:物聯網》。該報告指出,無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨,世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行交換。射頻識別技術(RFID)、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。
         
        美國權威咨詢機構FORRESTER預測,到2020年,世界上物物互聯的業務,跟人與人通信的業務相比,將達到30比1,因此,“物聯網”被稱為是下一個萬億級的通信業務。
         
        M2M就是把物與物聯系起來,以達到人與物、物與物的實時交流,是物聯網的最直接實現方式。
         
        M2M技術,可以在運輸過程中確保昂貴貨物的安全,可以為運輸中的冷藏貨柜監測位置和溫度,可以遠程診斷發動機的狀態,車主還可以實時接受導航和交通信息。
         
        根據AT&T的評估,到2020年,全球M2M的連接數量將達到500億。實際上,隨著M2M解決方案的日漸成熟,通信、傳感設備成本的下降,物聯網將逐步滲入各個行業。
         
        汽車、機械、大型設備等機器的全球互聯,利用新的分析技術和商業智能解決方案,可以從海量數據中抽取出更多有價值的信息,也可以為客戶提供更多的增值服務。
         
        “物聯網最核心、最基礎的就是傳感器。”中國物聯網研究發展中心主任葉甜春對財新記者說,沒有傳感器就沒有辦法讓機器自動感知信息。正是因為有了傳感器加入網絡,物聯網的概念才被提出來。


        外企厚積薄發
        傳感器在技術水平和功能上的迅速發展,一方面來自于計算機、檢測等技術的發展,另一方面則源于應用領域需求的驅動。
         
        2004年,摩托羅拉的半導體部門從摩托羅拉獨立出來,成立飛思卡爾半導體公司,為汽車、消費、工業、網絡和無線市場設計并制造嵌入式半導體產品。短短幾年內,飛思卡爾就成為世界最大的半導體公司之一。
         
        飛思卡爾迅速成功的最大理由,是手握來自摩托羅拉的數千項專利。這些專利有些可能來自幾十年前,但是其厚重的積累終于換來了近年的爆發。
         
        飛思卡爾部分重要的產品就是各類傳感器。包括用于導航、動作捕捉的加速度傳感器、磁力計,滿足了醫療設備、導航設備、移動終端對高度精確的電子羅盤功能的需求。
         
        近年來,在汽車領域,用于檢測由于墜落、傾斜、運動、定位、振動和沖擊等產生的力的變化的加速度傳感器,被廣泛用于安全氣囊系統、電子穩定控制系統、電子泊車制動系統等解決方案。
         
        基于MEMS的壓力傳感器可以測量大氣壓也可測量血壓、胎壓,為家電、醫療、消費電子、工業控制和汽車市場提供了強大的解決方案。
         
        運動傳感器結合壓力傳感器,可以用來監控臥床不起的患者,測量呼吸和心率,甚至在患者試圖下床時向護士站報警,尋求幫助。
         
        MEMS傳感器的運用絕不僅限于手機,電腦、汽車、導航甚至電熨斗、運動裝備中隨處可見它的身影,比如導航儀在沒有衛星信號的隧道可以判斷是否可按慣性軌跡行駛,筆記本電腦在掉落時可自動開啟硬盤保護程序,電熨斗在高溫平放時自動切斷電源等等。
         
        “2008年喬布斯就拿著手機晃了一晃,就帶來了加速度傳感器市場的爆發。”無錫感芯半導體(consensic)副總經理張毅對財新記者說。但是,在他看來,壓力傳感器的市場將會更大。


        他說,壓力傳感器與其他傳感器不同在于,市場應用高度碎片化。壓力傳感器上世紀70年代已經被開發出來,幾十年里應用遍布世界各個角落,但是因為距離老百姓生活比較遙遠,不那么廣為人知。壓力傳感器在汽車的胎壓監測、油壓監測、一些高端家電上應用非常廣泛,未來將在智能產品上獲得更多應用。
         
        隨著技術的進步,讓壓力傳感器的成本降得足夠低,把過去應用于軍事、工業上的高端傳感器,最終將應用到智能終端上。
        “很多傳感器過去是用在飛機上的,現在用到了手機上,比如加速度傳感器、磁力計、氣壓計、陀螺儀。”張毅說,隨著iPhone 6和iWatch上實現了氣壓計的應用,壓力傳感器的市場被打開了,未來會有大幅度上升,未來五年會有10億美元以上的增量。
         
        有了氣壓計,人們所在之處的海拔高度就可以被精確識別;用于室內導航的話,就可以進行樓層識別;在為汽車導航的時候,就可以分辨汽車是在在高架上還是高架下,而且隨著氣壓計更多的進入移動終端,就可以讓每個人都成為氣象終端,進行個性化的氣象預報。
         
        隨著材料科學的進步,人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器,光導纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器,用陶瓷制成壓力傳感器。
         
        高小龍說,如今我們會看到傳感器集成更多智能,并且需要更加緊密地將傳感器與單片機和數字網絡產品相互集成。傳感器需要更多的分層智能,以便解決電力保存、安全性和連接性問題。隨著即將來臨的物聯網應用浪潮,傳感器系統會變得更加復雜、更具背景和環境感知能力。“幸運的是,我們所有身在其中的人將會感覺更加有趣。”
        李昕欣介紹,從現在傳感器的能力來說,有些地方還達不到五官的能力,但是有些能力能夠超過,比如監測爆炸物的傳感器。從傳感器的發展趨勢上看,需要解決功耗、體積、造價和壽命問題,讓傳感器越來越小,越來越便宜,功耗越來越低,每個人都可以有、可以大量占有。
         
        現在博世、意法半導體、霍尼韋爾、飛思卡爾、日立等傳統的電子制造業巨頭,都把傳感器作為未來業務的主要增長點,目前MEMS傳感器年產值在200億美元左右,但增長十分迅猛。
        “現在很多公司都對傳感器感興趣,最重要的是如何設計一種產品,如何讓用戶接受傳感器所帶來的服務。”他說。
         
        “每年20%的工業自動化的傳感器的更換,這不是最偉大的市場。”他說,最偉大是歷史上從來沒有的市場,誰也沒想到陀螺儀可以用到手機里,原來根本不敢有這個奢望。但是蘋果就實現了,這才是更加寶貴的第一桶金。
         
        武裝到牙齒”
         
        今年以來,全球幾大消費電子巨頭紛紛發力搶占以智能眼鏡及智能手表為代表的可穿戴設備市場。
         
        在本輪可穿戴設備的追逐熱潮中,傳感器已然成為可穿戴設備產業鏈上最重要的組成部分。
         
        2014年初,谷歌宣布,正在研發一款血糖監測隱形眼鏡,通過使用微型血糖傳感器和無線發送器,依靠對人的眼淚分析就能監測出體內血糖濃度,可讓患者擺脫對血糖儀的依賴。英特爾公司也宣布耗資1億美元收購Basis Science公司,該公司的傳感器技術可以監測心率、血流量和散熱量。
         
        9月初,芬蘭赫爾辛基的睡眠傳感器公司Beddit宣布最新一輪融資獲800萬美元。
         
        這家公司的傳感器,就是通過穿戴者心臟收縮力檢測個人的心跳,用胸壁運動探測呼吸的節律。胸帶測量使用者就寢時間、起床時間、睡眠時間,檢測心率、睡眠質量和呼吸運動,包括打鼾。
         
        常見的可穿戴式物理傳感器產品,包括可以監測心率的智能手機與智能手表,更加精確測量心率和心血管指標的胸帶式傳感器,放在跑鞋或鞋墊上,測量運動節奏、速度和距離的計步器。在不斷發展的電子元件與新服裝材料的推動下,傳感器開始與服裝集成,被應用到身體撞擊檢測、生物信號監控、生物力學監控和生物反饋等方面。
         
        隨著非植入式電化學和生物傳感器的發展,可穿戴式傳感器可以利用對眼淚、唾液、汗液,以及皮膚組織液等體液的檢測來填補實時監測體內疾病及藥效的空白。
         
        谷歌的血糖監測隱形眼鏡,就是通過淚液與血液間葡萄糖含量的相關性,應用于糖尿病的監測和管理。
         
        過去鑲嵌在假牙上的唾液傳感器,現在已改進成了在牙齒上的圖騰,并與遠程無線數據傳輸相結合,實時反映人體情緒、激素、營養和代謝的情況。
         
        此外,汗液、皮膚組織液、甚至尿液中也都有可以反映人體健康狀況的物質。針對這些指標,大大小小的公司都在研發各種既輕小又精準的傳感器,為實時檢測人體健康狀況創造了條件。
         
        今年7月底,售價僅79元的小米手環顛覆了手環市場。小米生態鏈產品總監夏勇峰對財新記者說,這已經是手環的成本價格。
         
        小米手環最主要的成本來自藍牙芯片和加速度傳感器,可以實現手機解鎖、運動量監測、睡眠質量監測等功能。其中來自美國ADI亞德諾半導體的加速度傳感器,號稱是最低功耗的運動傳感器、最省電的軍用運動傳感器。據該公司介紹,在美國的軍用頭盔上,也用了三顆同樣的傳感器。
         
        加速度傳感器在進入消費電子市場之前,實際上已被廣泛應用于汽車電子領域,主要集中在車身操控、安全系統和導航,典型的應用如汽車安全氣囊(Airbag)、ABS防抱死剎車系統、電子穩定程序(ESP)、電控懸掛系統等。


        今年9月初,在上海召開的生物大數據研討會上,軍事醫學科學院微生物流行病研究所教授楊瑞馥指出,基于微流控、生物傳感器和微機電技術的POCT(point-of-care testing)快速檢測技術,讓檢測設備越來越小型化,可以讓檢測走出實驗室,來到野外、車載和家庭。
         
        POCT可以解釋為隨時隨地的檢測,由于這種技術快速簡便,效率高,成本低,檢驗周期短、標本用量少,而且試劑穩定且便于保存和攜帶,已經被廣泛用于臨床,甚至自我檢測。
         
        一個例證是,美國《時代周刊》評選出的2013年十大醫療突破中,就包括了一種能顯示懷孕多久的家用驗孕棒。該測試裝置的原理,通俗來說就是把在原先醫院中才能做的荷爾蒙人絨毛膜促性腺激素的水平檢測,集成為一種生物傳感器。
         
        在POCT上應用的生物傳感器技術,是利用離子選擇電極、底物特異性電極、電導傳感器等特定的生物檢測器進行分析檢測。該類技術是酶化學、免疫化學、電化學與計算機技術結合的產物?,F在不僅有微型血糖檢測儀,微型測序儀,甚至還有包含多種藥物,可以實時檢測患者體內狀況,選擇性釋放藥物的智能藥丸。
         
        在高小龍看來,我們現在所接觸到的僅僅是可穿戴設備的冰山一角。先進的傳感器將被整合到許多領域當中,例如服裝、嬰兒紙尿片和創可貼等。他認為,在不影響分辨率的前提下改進傳感器的尺寸和功耗是推出更多應用的第一步。其他即將涌現的很酷的傳感器應用包括智能配藥系統和能夠改善患者生活質量的醫療設備、機器人家電產品,以及汽車主動安全系統。
         
        中國傳感器差距
         
        傳感器作為現代科技的前沿技術,被認為是現代信息技術的三大支柱之一,也是國內外公認的最具有發展前途的高技術產業。
         
        然而,在傳感器迎來春天的時候,中國公眾看到的似乎仍然是國外半導體巨頭的盛宴。
         
        業內人士認為,雖然中國的傳感器市場發展很快,但本土傳感器技術與世界水平相比仍存在很大差距。
         
        這種差距,一方面表現為傳感器在感知信息方面的落后,另一方面,則表現為傳感器自身在智能化和網絡化方面的技術落后。由于沒有形成足夠的規?;瘧?,導致國內的傳感器不僅技術低,而且價格高,在市場上很難有競爭力。
         
        董永貴教授介紹,中國大致從1980年以后開始重視傳感器技術的研究。經過多年的努力,在傳感器研究方面的發展水平還算是比較好的。但是,在產品化方面的技術進步還不是很理想,很多傳感器技術,其實國內的實驗室研究水平并不是很差,可惜未能充分利用,沒有轉化為進入市場的成熟產品。
         
        他說,傳感器技術的研究需要比較長時間的投入,一款傳感器的研發,要6年-8年才能成熟,一般中國企業都承受不了這么長的周期。中國企業更難以承受失敗,而傳感器的研究失敗的風險很高。
         
        根據董永貴在日本訪問時了解到的情況,日本企業支持的研發中,很多形不成產品,但是企業能夠承受,10項中只要2項-3項能夠變成產品就行。
         
        “相比之下,我們很多企業都是準備去拿別人現有的東西。”董永貴說,這種思路是有問題的,包括我們總是希望引進國外現成的、有自己項目的人才。“都不準備養魚,而是撈一條魚來。”
         
        相比于比較大型的儀器設備,傳感器在產品化過程中需要的投資一般不是很大,所以比較適合小型企業投資。在這方面,中國應該是有優勢的。然而,如果從另外一個方面考慮,這也是一個短處。
         
        傳感器行業的一個特點是,傳感器本身技術含量高,但單只傳感器的價格一般不高。此特點導致的一個結果是,盡管傳感器的技術附加值高,但單純依賴傳感器很難形成可觀的產值。
         
        按照董永貴教授的比喻,傳感器有點像中藥里的“藥引”,本身功能很重要,但真正形成規模還需要依賴整服藥劑才行。國外很多傳感器公司一旦在某種傳感器上有突破,很快會有相關的測量儀器開發出來。
         
        “國內的企業在后續技術研發能力相對要差一些。”他說。


        李昕欣對財新記者說,其實我們研究上不是差很多,但是一到產業化就出現很多問題,雖然許多原始創新國外還是帶著我們走,更重要的是產業化的步伐太慢。技術上,中國的微制造的產能很大,容易實現批量制造,但是創造性還是差一些,如果把設計上的能力提高上去,產能才能發揮更大的作用。
         
        無錫感芯半導體主要產品集中在壓力傳感器領域,其負責人張毅介紹,國內做類似產品的比較多,但真正有規模的只有一兩家,因為產品種類非常多,測試比較困難,投資比較大,產業鏈非常長,手工測試很難滿足消費電子客戶的要求。
         
        “要滿足需求量大的應用,必須走標準化的測試設備,流程非常好,投資會非常大。”張毅說。
         
        而且,在中國的專利保護機制下,傳感器中辛辛苦苦研發出來的關鍵技術,往往呈現一種“訣竅”性質,被抄襲后,很難說清楚,企業也打不起官司。國內雖然也有MEMS傳感器企業,但都是委托加工,搞不好就被加工企業自己拿去做了,目前的企業創新體系有很大的問題。
         
        2012年的時候,一位國內傳感器領域的前輩在一次會議上說,為什么中國傳感器事業發展不好,就是缺乏能夠到國務院講課的領袖人物,這個領域研發的時間長,顯著度不夠,本身是很小的東西,所依據的物理現象是幾十年、上百年前就發現的。
         
        這位學者指出,這種研究實際上非常辛苦,比如說有一種加速度傳感器,在石油行業中用于地震波測量,所依據的是蘇聯幾十年前提出的原理,但是直到這位專家在蘇聯解體后,到了美國才形成產品得到應用。
         
        “越是需要厚積薄發、廣種薄收的領域,我們差距越大。”董永貴認為,現在差距有進一步拉大的趨勢。
         
        今天,德國、日本、美國、俄羅斯等老工業國家仍活躍于國際市場,在這些國家,傳感器應用廣泛,許多廠家已實現大規模生產,一些企業的年生產能力可達數千萬甚至上億。相比之下,中國的傳感器應用還比較狹窄,更多的還停留在航空航天和工業測控領域。根據相關數據,中國最大的傳感器公司的年產值只有55000。此外,高精密、精密的傳感器和新型傳感器的市場是幾乎被外國品牌或合資企業壟斷。
         
         但現在我們國家的傳感器正面臨著歷史上最好的時期。有巨大的市場需求和國家政策支持。一方面,國內許多企業都在努力開發自己的新技術,企業的管理模式也得到了很大的改進。另一方面,來自國際AMA的德國傳感器協會也參與支持。傳感器的質量、價格和功能將是國內企業未來改進的重點領域。將來,國內傳感器將經歷從工業過程測試到功能轉換的過程。國內企業將更有效的學習自己的長處和短處,以便盡快與國外企業站在同一起跑線上,朝著小型化、網絡化和規格化邁進。傳感器現代化。我們期待著未來的中國傳感器取得巨大成果,而我國的傳感器企業還有很長的路要走。

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