智能傳感器發(fā)展現(xiàn)狀探究

顧 燕

（常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213025）

智能傳感器發(fā)展現(xiàn)狀探究

顧 燕

（常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213025）

智能傳感作為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代泛在感知的重要基礎(chǔ)，已逐漸成為衡量國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志。就總體水平而言，國(guó)內(nèi)的傳感器產(chǎn)品仍以中低端為主，技術(shù)相對(duì)落后。中國(guó)市場(chǎng)上的中高端傳感器進(jìn)口占比達(dá)80%，數(shù)字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴(yán)重欠缺。國(guó)內(nèi)整體呈現(xiàn)起步晚、規(guī)模小的態(tài)勢(shì)，技術(shù)跟隨態(tài)勢(shì)，亟需明確技術(shù)發(fā)展方向、加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和技術(shù)工藝研發(fā)、增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈配套能力、開(kāi)展產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣，逐步提升本土產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。文章主要分析探討了智能傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀以及智能傳感器技術(shù)，以期為我國(guó)智能傳感器的發(fā)展提供一份借鑒。

智能傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器技術(shù)

1 智能傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器自20世紀(jì)50年代起，經(jīng)歷了三大發(fā)展階段，從最原始的結(jié)構(gòu)性傳感器演變?yōu)楣腆w傳感器至最新的智能傳感器。智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器，可以集傳感器、微處理器和執(zhí)行器于一體，具有信號(hào)檢測(cè)、處理、記憶和執(zhí)行等功能。智能傳感器首先要識(shí)別或檢測(cè)輸入信號(hào)（如運(yùn)動(dòng)或溫度變化），然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，最后將信號(hào)發(fā)送至執(zhí)行器/控制系統(tǒng)[1]。

智能傳感器目前應(yīng)用已相當(dāng)?shù)膹V泛和普及，目前智能傳感器的產(chǎn)品主要有以下幾種類型：運(yùn)動(dòng)類（加速度計(jì)、陀螺儀等）、光學(xué)類（環(huán)境光傳感器、接近傳感器、CMOS圖像傳感器）、環(huán)境監(jiān)測(cè)（MEMS麥克風(fēng)、壓力傳感器、氣體傳感器等）類等。目前智能傳感器領(lǐng)域主要屬霍尼韋爾、意法半導(dǎo)體、博世、樓氏電子、德州儀器等較為出名。

2 智能傳感器技術(shù)

2.1 壓電技術(shù)

壓電微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）作為新興技術(shù)具有產(chǎn)品覆蓋面廣、顛覆性強(qiáng)的特點(diǎn)，超聲指紋識(shí)別傳感器、自動(dòng)聚焦鏡片攝像頭、壓電電聲器件及陣列、多通路射頻開(kāi)關(guān)、射頻/毫米波濾波器等在智能消費(fèi)電子、新型人機(jī)交互(Human Machine Interface，HMI)、5G通信等終端上有10億規(guī)模的應(yīng)用，機(jī)械邏輯開(kāi)關(guān)、能量采集器在未來(lái)有百億規(guī)模應(yīng)用潛力，打印頭、微流控、掃描微鏡、超聲成像等在工業(yè)、汽車、光通訊、醫(yī)療等領(lǐng)域有千萬(wàn)量級(jí)規(guī)模應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。粗略估計(jì)，未來(lái)5年，壓電MEMS市場(chǎng)可達(dá)到50億美元左右，占到MEMS整體的1/3，更重要的是，其擴(kuò)展、成長(zhǎng)的空間很大，仍然屬于藍(lán)海市場(chǎng)。

2.2 熱式傳感技術(shù)

隨著歐盟、美國(guó)等對(duì)水銀溫度計(jì)的禁用，以及2020年中國(guó)禁用期限的即將到來(lái)，各類人體測(cè)溫槍的生產(chǎn)進(jìn)入高峰期，對(duì)高性價(jià)比溫度傳感器件的需求巨大。同時(shí)隨著公眾環(huán)保意識(shí)的不斷提高，以及汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，MEMS氣體傳感器和流量傳感器的需求也在快速增長(zhǎng)?？梢哉f(shuō)，以熱式傳感器為主的MEMS環(huán)境傳感器正在成長(zhǎng)為繼慣性傳感器之后又一個(gè)MEMS產(chǎn)品的高峰。

2.3 微流控Bio MEMS技術(shù)

按照主流的（如Yole等）市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告預(yù)測(cè)，未來(lái)5年微流控領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，并以工業(yè)打印領(lǐng)域與醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)橐I(lǐng)，其年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)75%，直接市場(chǎng)高達(dá)3億美元，以微流控芯片為基礎(chǔ)，將帶動(dòng)至少300億美元的市場(chǎng)。微流體技術(shù)是即時(shí)醫(yī)療檢測(cè)、生物醫(yī)療與藥物研發(fā)的核心技術(shù)，智能微流體組件是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。建立下一代智能微流體工藝平臺(tái)是生物醫(yī)療創(chuàng)新研發(fā)的基礎(chǔ)。

2.4 磁傳感技術(shù)

磁性傳感器種類繁多，性能和應(yīng)用場(chǎng)合各異，如超導(dǎo)量子干涉磁力儀、光泵原子磁力儀、磁阻傳感器、磁通門(mén)傳感器等，都可以用于磁場(chǎng)精密測(cè)量。IHS公司的市場(chǎng)追蹤報(bào)告顯示，從2012—2016年，這個(gè)磁性傳感器領(lǐng)域的營(yíng)業(yè)收入將增加至1.755億美元，5年平均復(fù)合年度增長(zhǎng)率為8%。

2.5 柔性傳感技術(shù)

柔性傳感技術(shù)除了整合電子電路、功能材料、微納制造等領(lǐng)域技術(shù)外，同時(shí)橫跨半導(dǎo)體、封裝、檢測(cè)、材料、化工、印刷電路、顯示面板等產(chǎn)業(yè)，協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提升產(chǎn)業(yè)附加值，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人類生活帶來(lái)革命性變化。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，柔性電子產(chǎn)業(yè)將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值600億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率近30%，呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

3 我國(guó)智能傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

2016年全球智能傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到258億美元，預(yù)計(jì)2019年將達(dá)到380億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)了10%。目前智能傳感器產(chǎn)品領(lǐng)域產(chǎn)值最大的是美國(guó)，美國(guó)、日本、德國(guó)等少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家占據(jù)了傳感器市場(chǎng)約60%的份額，發(fā)展中國(guó)家所占份額相對(duì)較少。市場(chǎng)規(guī)模最大的3個(gè)國(guó)家美國(guó)、日本和德國(guó)，分別占據(jù)了傳感器整體市場(chǎng)份額的29.0%，19.5%，11.3%。美國(guó)占世界智能傳感器產(chǎn)值的45%以上，歐洲占30%，日本占20%，中國(guó)（大陸及臺(tái)灣）占了5%，中國(guó)傳感器產(chǎn)值占世界比重依然很小[2]。目前在智能傳感器領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)排名都很靠后，排名靠前的都是歐美地區(qū)的企業(yè)。比如：排名第一的德國(guó)博世，他們業(yè)務(wù)領(lǐng)域主要集中在汽車電子和消費(fèi)電子，同時(shí)也是全球最大的MEMS傳感器制造商。博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾、德州儀器等傳統(tǒng)的電子行業(yè)巨頭，都把智能傳感器作為未來(lái)業(yè)務(wù)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。

在中國(guó)方面，據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)估算，我國(guó)2014年敏感元件與傳感器銷售額突破1 200億元；2015年需求量為652.9億個(gè)，增長(zhǎng)率高于18%，銷售額突破1 300億元。目前，我國(guó)已有1 700余家從事傳感器研制、生產(chǎn)和應(yīng)用的企事業(yè)單位，傳感器產(chǎn)品達(dá)到10大類、42小類、6 000多個(gè)品種。然而，與全球領(lǐng)先的MEMS傳感器供應(yīng)商相比，中國(guó)傳感器市場(chǎng)存在的問(wèn)題，即產(chǎn)品品種滿足率僅能達(dá)到60%～70%，新產(chǎn)品明顯不足，數(shù)字化、智能化、微型化等高新技術(shù)嚴(yán)重欠缺?？v觀我國(guó)智能傳感器新材料領(lǐng)域，雖經(jīng)歷多年的理論研究與技術(shù)驗(yàn)證，積累了大量寶貴的先進(jìn)材料經(jīng)驗(yàn)，但在真正進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往存在與生產(chǎn)平臺(tái)脫節(jié)的情況，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一些知名代工廠則因結(jié)果導(dǎo)向，往往只承接傳統(tǒng)平面工藝兼容且短期就能體現(xiàn)銷售額的業(yè)務(wù)[3]。

伴隨著新材料領(lǐng)域的多年積累，以往的一些特種材料例如AlN，Ⅲ—Ⅴ族，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（Piezoelectric Ceramic Transducer，PZT）薄膜等逐漸從研發(fā)階段進(jìn)入到產(chǎn)品實(shí)施階段，技術(shù)上的日趨成熟正催化著智能傳感器的進(jìn)一步反應(yīng)，范圍的超智能傳感器創(chuàng)新的步伐已延伸到了功率器件、通訊器件等諸多產(chǎn)品。在此絕佳的時(shí)間點(diǎn)上，一批又一批的產(chǎn)品公司陸續(xù)嶄露頭角，其中也不乏我國(guó)的創(chuàng)新企業(yè)。然而，在產(chǎn)品成長(zhǎng)的過(guò)程中必須經(jīng)歷的工藝研發(fā)平臺(tái)選擇時(shí)，這些產(chǎn)品又無(wú)一例外地選擇了國(guó)外的工藝平臺(tái)。

目前我國(guó)傳感器企業(yè)正努力追趕國(guó)外企業(yè)，并出現(xiàn)了區(qū)域性的傳感器企業(yè)集群。以長(zhǎng)三角地區(qū)為首的集聚群，國(guó)內(nèi)已有一批企業(yè)具備了一定的規(guī)模和技術(shù)實(shí)力，隨著自主研發(fā)能力提升，設(shè)計(jì)、制造、封裝等環(huán)節(jié)產(chǎn)生了一批創(chuàng)新成果，部分技術(shù)領(lǐng)域打破了國(guó)際壟斷。此外，隨著傳統(tǒng)半導(dǎo)體代工和封測(cè)廠商進(jìn)入智能傳感器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)組織模式以專業(yè)化分工明確的虛擬集成器件制造（Integrated Device Manufacture，IDM）模式為主。與此同時(shí)，我國(guó)的智能傳感器還存在一些共性問(wèn)題，例如，核心制造技術(shù)滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家，創(chuàng)新產(chǎn)品少、結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)缺失。當(dāng)前本土傳感廠商主要采用國(guó)外仿真工具，核心制造裝備幾乎全部依賴進(jìn)口?？蒲谐晒D(zhuǎn)化率及產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足，綜合實(shí)力較低。

鑒于中國(guó)智能傳感器領(lǐng)域弱勢(shì)地位，工信部發(fā)布了《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南（2017—2019年）》，聚焦智能終端、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、汽車電子等重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，有效提升了中高端產(chǎn)品供給能力，推動(dòng)了我國(guó)智能傳感器產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展?？傮w目標(biāo)是，到2019年，我國(guó)智能傳感器產(chǎn)業(yè)取得明顯突破，產(chǎn)業(yè)生態(tài)較為完善，涌現(xiàn)出一批創(chuàng)新能力較強(qiáng)的國(guó)際先進(jìn)企業(yè)，技術(shù)水平穩(wěn)步提升，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，供給能力有效提高。主要涉及3個(gè)方面：（1）產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖賶汛?；（2）創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)；（3）生態(tài)體系基本完善。在國(guó)家政策的大力支持下，本土傳感器企業(yè)有望提升技術(shù)從而攝取更多的市場(chǎng)份額[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

全球智能傳感器產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入歷史性的重大調(diào)整變革期，技術(shù)演進(jìn)和市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)改變，將帶動(dòng)傳感器產(chǎn)業(yè)鏈格局和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重大變革和調(diào)整。通過(guò)緊抓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，聚焦智能終端、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、汽車電子等重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，有效提升中高端產(chǎn)品供給能力，將推動(dòng)我國(guó)智能傳感器產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。

[1]羅林，胥玉萍，宋春華.傳感器的最新應(yīng)用與發(fā)展[J].信息通信，2016（3）：176-177.

[2]井云鵬，范基胤，王亞男，等.智能傳感器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)展望[J].黑龍江科技信息，2013（21）：111-112.

[3]谷有臣，孔英，陳若輝.傳感器技術(shù)的發(fā)展和趨勢(shì)綜述[J].物理實(shí)驗(yàn)，2002（12）：40-42.

[4]佚名.解讀《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南（2017—2019）》[J].智能城市，2017（6）：25-26.

Research on the development of smart sensors

Gu Yan
（Changzhou Liu Guojun Vocational Technology College, Changzhou 213025, China）

As an important foundation of ubiquitous perception in the Internet of Things, intelligent sensing has gradually become an important indicator of the degree of national informatization. On the overall level, the domestic sensor products are still in the lowend, technology is relatively backward. China’s market in the high-end sensor imports accounted for up to 80%, digital, intelligent and miniaturized products are seriously lacking. Intelligent sensor in the domestic situation is starting late and small scale, followed by the situation, people need to clear the direction of technological development, strengthen the basic theory and technology research and development, enhance the industrial chain supporting capacity and carry out the industrialization of application promotion, and then gradually enhance the local industry core competition force. This paper mainly discusses the development of intelligent sensors and intelligent sensor technology, to provide a reference for the development of China’s intelligent sensor.

smart sensor; Internet of Things; sensor technology

顧燕（1982— ），女，江蘇常州人，講師，學(xué)士；研究方向：機(jī)電一體化教學(xué)與研究。