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傳感器技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢分析
傳感器融合了材料科學(xué)、納米技術(shù)、微電子等領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是新一代信息技術(shù)、制造裝備、新能源汽車等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，也是智能交通、智能樓宇、智慧醫(yī)療、智慧基礎(chǔ)設(shè)施等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，具有技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、輻射和帶動力強等特點。當(dāng)前，傳感器技術(shù)加速突破，呈現(xiàn)以下特點與態(tài)勢。
一、“五化”成為傳感器技術(shù)發(fā)展的重要趨勢
近年來，傳感器技術(shù)新原理、新材料和新技術(shù)的研究更加深入、廣泛，新品種、新結(jié)構(gòu)、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。其中，“五化”成為其發(fā)展的重要趨勢。
一是智能化，兩種發(fā)展軌跡齊頭并進。主要有兩個發(fā)展方向：一個方向是多種傳感功能與數(shù)據(jù)處理、存儲、雙向通信等的集成，可全部或部分實現(xiàn)信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，以及內(nèi)部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，具有低成本、高精度的信息采集、可數(shù)據(jù)存儲和通信、編程自動化和功能多樣化等特點。如美國凌力爾特（Linear Technology）公司的智能傳感器安裝了 ARM架構(gòu)的 32 位處理器。另一個方向是軟傳感技術(shù)，即智能傳感器與人工智能相結(jié)合，目前已出現(xiàn)各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的高度智能傳感器，并已經(jīng)在智能家居等方面得到利用。如 NEC 開發(fā)出了對大量的傳感器監(jiān)控實施簡化的新方法“不變量分析技術(shù)”，并已于今年面向基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)投入使用。
二是可移動化，無線傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用加快。無線傳感網(wǎng)技術(shù)的關(guān) 鍵是克服節(jié)點資源限制（能源供應(yīng)、計算及通信能力、存儲空間等），并滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)擴展性、容錯性等要求。該技術(shù)被美國麻省理工學(xué)院（MIT）的《技術(shù)評論》雜志評為對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的新興技術(shù)。目前研發(fā)重點主要在路由協(xié)議的設(shè)計、定位技術(shù)、時間同步技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、能量采集技術(shù)等方面。迄今，一些發(fā)達國家及城市在智能家居、農(nóng)業(yè)、林業(yè)監(jiān)測、軍事、智能建筑、智能交通等領(lǐng)域?qū)夹g(shù)進行了應(yīng)用。如，從 MIT 獨立出來的 Voltree Power LLC 公司受美國農(nóng)業(yè)部的委托，在加利福尼亞州的山林等處設(shè)置溫度傳感器，構(gòu)建了傳感器網(wǎng)絡(luò)，旨在檢測森林火情，減少火災(zāi)損失。
三是微型化，MEMS 傳感器研發(fā)異軍突起。隨著集成微電子機械加工技術(shù)的日趨成熟，MEMS 傳感器將半導(dǎo)體加工工藝（如氧化、光刻、擴散、沉積和蝕刻等）引入傳感器的生產(chǎn)制造，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，并為傳感器微型化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。近年來，日本、美國、歐盟等在半導(dǎo)體器件、微系統(tǒng)及微觀結(jié)構(gòu)、速度測量、微系統(tǒng)加工方法/設(shè)備、麥克風(fēng)/揚聲器、水平/測距/陀螺儀、光刻制版工藝和材料性質(zhì)的測定/分析等技術(shù)領(lǐng)域取得了重要進展。目前，MEMS 傳感器技術(shù)研發(fā)主要在以下幾個方向：（1）微型化的同時降低功耗；（2）提高精度；（3）實現(xiàn) MEMS 傳感器的集成化及智慧化；（4）開發(fā)與 光學(xué)、生物學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域交叉融合的新型傳感器，如 MOMES 傳感 器（與微光學(xué)結(jié)合）、生物化學(xué)傳感器（與生物技術(shù)、電化學(xué)結(jié)合） 以及納米傳感器（與納米技術(shù)結(jié)合）。
四是集成化，多功能一體化傳感器受到廣泛關(guān)注。傳感器集成化包括兩類：一種是同類型多個傳感器的集成，即同一功能的多個傳感 元件用集成工藝在同一平面上排列，組成線性傳感器（如 CCD 圖像 傳感器）。另一種是多功能一體化，如幾種不同的敏感元器件制作在 同一硅片上，制成集成化多功能傳感器，集成度高、體積小，容易實 現(xiàn)補償和校正，是當(dāng)前傳感器集成化發(fā)展的主要方向。如意法半導(dǎo)體 提出把組合了多個傳感器的模塊作為傳感器中樞來提高產(chǎn)品功能；東芝公司已開發(fā)出晶圓級別的組合傳感器，并于今年 3 月發(fā)布能夠同時檢測脈搏、心電、體溫及身體活動等 4 種生命體征信息，并將數(shù)據(jù)無 線發(fā)送至智能手機或平板電腦等的傳感器模塊“Silmee”。
五是多樣化，新材料技術(shù)的突破加快了多種新型傳感器的涌現(xiàn)。新型敏感材料是傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)，材料技術(shù)研發(fā)是提升性能、降低 成本和技術(shù)升級的重要手段。除了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料、光導(dǎo)纖維等， 有機敏感材料、陶瓷材料、超導(dǎo)、納米和生物材料等成為研發(fā)熱點， 生物傳感器、光纖傳感器、氣敏傳感器、數(shù)字傳感器等新型傳感器加 快涌現(xiàn)。如光纖傳感器是利用光纖本身的敏感功能或利用光纖傳輸光波的傳感器，有靈敏度高、抗電磁*力強、耐腐蝕、絕緣性好、體積小、耗電少等特點，目前已應(yīng)用的光纖傳感器可測量的物理量達70 多種，發(fā)展前景廣闊；氣敏傳感器能將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出，具有穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、動態(tài)特性好、響應(yīng)迅速、使用維護方便等特點，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。另據(jù) BCC Research公司指出，生物傳感器和化學(xué)傳感器有望成為增長快的傳感器細(xì)分領(lǐng)域，預(yù)計 2014 至 2019 年的年均復(fù)合增長率可達 9.7%。
二、未來值得關(guān)注的四大領(lǐng)域
隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)、微電子等領(lǐng)域前沿技術(shù)的突破以及經(jīng) 濟社會發(fā)展的需求，以下領(lǐng)域可能成為傳感器技術(shù)未來發(fā)展的重點。
一是可穿戴式應(yīng)用。據(jù)美國 ABI 調(diào)查公司預(yù)測，2017 年可穿戴 式傳感器的數(shù)量將會達到 1.6 億。以谷歌眼鏡為代表的可穿戴設(shè)備是受關(guān)注的硬件創(chuàng)新。谷歌眼鏡內(nèi)置多達 10 余種的傳感器，包括陀 螺儀傳感器、加速度傳感器、磁力傳感器、線性加速傳感器等，實現(xiàn) 了一些傳統(tǒng)終端無法實現(xiàn)的功能，如使用者僅需眨一眨眼睛就可完成 拍照。當(dāng)前，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域正從外置的手表、眼鏡、鞋子等 向更廣闊的領(lǐng)域擴展，如電子肌膚等。日前，東京大學(xué)已開發(fā)出一種 可以貼在肌膚上的柔性可穿戴式傳感器。該傳感器為薄膜狀，單位面 積重量只有 3g/m2，是普通紙張的 1/27 左右，厚度也只有 2 微米。
二是無人駕駛。美國 IHS 公司指出，推進無人駕駛發(fā)展的傳感器 技術(shù)應(yīng)用正在加快突破。在該領(lǐng)域，谷歌公司的無人駕駛車輛項目開 發(fā)取得了重要成果，通過車內(nèi)安裝的照相機、雷達傳感器和激光測距儀，以每秒 20 次的間隔，生成汽車周邊區(qū)域的實時路況信息，并利用人工智能軟件進行分析，預(yù)測相關(guān)路況未來動向，同時結(jié)合谷歌地圖來進行道路導(dǎo)航。谷歌無人駕駛汽車已經(jīng)在內(nèi)華達、佛羅里達和加利福尼亞州獲得上路行使權(quán)。奧迪、奔馳、寶馬和福特等汽車*均已展開無人駕駛技術(shù)研發(fā)，有的車型已接近量產(chǎn)。
三是醫(yī)護和健康監(jiān)測。國內(nèi)外眾多醫(yī)療研究機構(gòu)，包括的醫(yī)療行業(yè)*在傳感器技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域方面已取得重要進展。如羅姆公司目前正在開發(fā)一種使用近紅外光（NIR）的圖像傳感器，其原理是照射近紅外光 LED 后，使用攝像元件拍攝反射光，通過改變近紅外光的波長獲取圖像，然后通過圖像處理使血管等更加鮮明地呈現(xiàn)出來。一些研究機構(gòu)在能夠嵌入或吞入體內(nèi)的材料制造傳感器方面已取得進展。如美國佐治亞理工學(xué)院正在開發(fā)具備壓力傳感器和無線通信電路等的體內(nèi)嵌入式傳感器，該器件由導(dǎo)電金屬和絕緣薄膜構(gòu)成，能夠根據(jù)構(gòu)成的共振電路的頻率變化檢測出壓力的變化，發(fā)揮完作用之后就會溶解于體液中。
四是工業(yè)控制。2012 年，GE 公司在《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：突破智慧與機器的界限》報告中提出，通過智能傳感器將人機連接，并結(jié)合軟件和大數(shù)據(jù)分析，可以突破物理和材料科學(xué)的限制，并將改變世界的運行方式。報告同時指出，美國通過部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，各行業(yè)可實現(xiàn)1%的效率提升，15 年內(nèi)能源行業(yè)將節(jié)省 1%的燃料（約 660 億美元）。2013 年 1 月，GE 在紐約一家電池生產(chǎn)企業(yè)共安裝了 1 萬多個傳感器，用于監(jiān)測生產(chǎn)時的溫度、能源消耗和氣壓等數(shù)據(jù)，而工廠的管理人員可以通過 iPad 獲取這些數(shù)據(jù)，從而對生產(chǎn)進行監(jiān)督。此外，荷蘭殼牌、富士電機等跨國公司也都在該領(lǐng)域采取了行動。
三、傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要趨勢
近年來，隨著技術(shù)研發(fā)的持續(xù)深入，成本的下降，性能和可靠性的提升，在物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和裝備制造快速發(fā)展的推動下，傳感器的典型應(yīng)用市場發(fā)展迅速。據(jù) BCC Research 公司分析指出，2014 年傳感器市場規(guī)模預(yù)計達到 795 億美元，2019 年則有望達到 1161 億美元，復(fù)合年增長率可達 7.9%。
一是亞太地區(qū)成為有潛力的市場。目前，美國、日本、歐洲各國的傳感器技術(shù)*、上下游產(chǎn)業(yè)配套成熟，是中傳感器產(chǎn)品的主要生產(chǎn)者和大的應(yīng)用市場。同時，亞太地區(qū)成為有潛力的未來市場。英泰諾咨詢公司指出，未來幾年亞太地區(qū)*將持續(xù)增長，預(yù)計 2016 年將提高至 38.1%，北美和西歐*將略有下降。
二是交通、信息通信成為市場增長快的領(lǐng)域。據(jù)英泰諾咨詢公司預(yù)測，2016 年汽車傳感器規(guī)?？蛇_ 419.7 億歐元，占市場22.8%；信息通信行業(yè)至 2016 年也可達 421.6 億歐元，占市場 22.9%，且有可能成為大的單一應(yīng)用市場。而醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、 油氣管道、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用將成為新熱點，有望在未來創(chuàng) 造更多的市場需求。
三是企業(yè)并購日趨活躍。美國、德國和日本等國的傳感器大型企業(yè)技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)雄厚，各企業(yè)均形成了各自的技術(shù)優(yōu)勢，整體市場的競爭格局已初步確立（附表）。需要指出的是，大公司通過兼并重組，掌控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在“高、精、尖”傳感器和新型傳感器市場上逐步形成壟斷地位。在大企業(yè)的競爭壓力下，中小企業(yè)則向“?。ㄖ校┒⑿《鴮?rdquo;的方向發(fā)展，開發(fā)專有技術(shù)，產(chǎn)品定位特定細(xì)分市場。據(jù)統(tǒng)計，2010 年 7 月至 2011 年 9 月，傳感器行業(yè)中大規(guī)模并購交易多達 20 多次。如美國私募股權(quán)公司 Veritas Capital III 以 5 億美元現(xiàn)金收購珀金埃爾默公司的照明和檢測解決方案（IDS）業(yè)務(wù)；英國思百吉公司以 4.75 億美元收購美國歐米茄工程公司的溫度、測量設(shè)備制造業(yè)務(wù)。目前，越來越多的并購交易在新興市場國家出現(xiàn)。（本文轉(zhuǎn)自《科技發(fā)展研究》第32期）
