新基建驅(qū)動(dòng)下的傳感器新思路與新價(jià)值

周水杉

傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵共性技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志，不僅體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展水平，也是體現(xiàn)綜合國(guó)力和生產(chǎn)力水平的重要標(biāo)志。新基建結(jié)合新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)特征，是我國(guó)新形勢(shì)下支撐高質(zhì)量發(fā)展和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略舉措，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享發(fā)展提供底層支撐的戰(zhàn)略性、網(wǎng)絡(luò)型基礎(chǔ)設(shè)施。基礎(chǔ)設(shè)施中感知種類(lèi)和應(yīng)用傳感器數(shù)量的多少，以及互聯(lián)互通能力，在很大程度上體現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施信息化、智能化和可持續(xù)發(fā)展的水平。

科技進(jìn)步為傳統(tǒng)傳感器發(fā)展帶來(lái)生機(jī)與活力

傳感器與集成電路一樣，是一個(gè)高度市場(chǎng)化的產(chǎn)品，需要不斷地更新?lián)Q代，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不斷升級(jí)。相比于20世紀(jì)80年代，我國(guó)的科技水平有了很大提升。技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了傳感器領(lǐng)域新材料和新工藝的廣泛應(yīng)用，使傳感器產(chǎn)品的性能不斷提高，產(chǎn)品不斷推陳出新。

微納制造技術(shù)讓傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、低功耗、高集成度、低成本和規(guī)?；圃?，現(xiàn)已成功應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)、手機(jī)等領(lǐng)域，并形成了百億美元的MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)。隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、集成電路等新技術(shù)的融人，MEMS傳感器將進(jìn)一步向網(wǎng)絡(luò)化智能化智慧化發(fā)展。

科技的進(jìn)步也帶動(dòng)了傳統(tǒng)傳感器的升級(jí)換代。借助微電子和MEMS的制造工藝，比如薄膜生長(zhǎng)技術(shù)、干法或濕法刻蝕技術(shù)、離子注人技術(shù)，陶瓷傳感器的加工精度能得到提高，電化學(xué)性能和陶瓷傳感器的性能也能得到改善。用物理方法或化學(xué)方法使需要的成分在基片上可控生長(zhǎng)，并將陶瓷材料制成厚度在微米量級(jí)的薄膜，這可在保持陶瓷優(yōu)越性能的同時(shí)提升其靈敏度和輸出信號(hào)幅度，并顯著提高其快速響應(yīng)與恢復(fù)的速度。離子注人到陶瓷表面能夠改善其表面特性，降低陶瓷的脆性，提高韌性，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷表面的催化，為氣體傳感器的發(fā)展帶來(lái)新的方向。

陶瓷傳感器具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度的顯著優(yōu)勢(shì)。汽車(chē)后處理傳感器中的氮氧傳感器、溫度傳感器、壓差傳感器、顆粒物傳感器、氨傳感器等都需要耐受高溫，但傳統(tǒng)的硅基傳感器無(wú)法耐受150C以上的溫度。因此，基于微納加工技術(shù)的陶瓷傳感器為高溫傳感器提供了一種新的研究思路，目前已有多家機(jī)構(gòu)開(kāi)展了相關(guān)研究。

陶瓷還可以直接作為傳感器的封裝外殼，通過(guò)微組裝工藝，使傳感器的裝配工藝難度大幅度降低。在目前的物聯(lián)網(wǎng)演示系統(tǒng)中，一般采購(gòu)來(lái)的現(xiàn)有傳感器會(huì)根據(jù)安裝要求設(shè)計(jì)外殼，并裝配到結(jié)構(gòu)上，這種做法有安裝復(fù)雜、測(cè)量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。新基建的實(shí)施要求傳感器與結(jié)構(gòu)緊密融合，并在建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)模塊化組裝。陶瓷傳感器可直接作為外殼使用，它耐腐蝕性強(qiáng)，可直接接觸被測(cè)量介質(zhì)。與此同時(shí)，注射成型工藝等新型技術(shù)為陶瓷成型開(kāi)辟了新道路，可以制造出目前流延工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此更容易融人到基建結(jié)構(gòu)中，形成智能與感知結(jié)構(gòu)。制造環(huán)節(jié)的減少還有利于減低生產(chǎn)成本，從而實(shí)現(xiàn)智能制造。

傳統(tǒng)的陶瓷內(nèi)埋技術(shù)和多層疊加技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種傳感器與處理電路的異構(gòu)集成，而新興的多種材料，比如在同一基板上生長(zhǎng)和加工的陶瓷基異質(zhì)集成可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度和和更強(qiáng)的功能性，能夠在同一個(gè)基板上實(shí)現(xiàn)感知和信號(hào)處理、電源開(kāi)關(guān)、通信和執(zhí)行等功能。比如，壓電陶瓷既可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和壓力等信號(hào)的傳感，也能作為執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的功能。除此之外，它還具備能量收集的功能。通過(guò)諧振式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它可將外界振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電。供電和信號(hào)線傳輸是影響傳感器在基建設(shè)施中大規(guī)模布置和應(yīng)用的主要障礙之一，但多層陶瓷技術(shù)可以規(guī)避這一障礙。它能夠?qū)崿F(xiàn)電容和電感等無(wú)源元件的集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)諧振電路的集成，將受溫度、壓力等信號(hào)影響較大的元件串人諧振回路。這樣一來(lái)，諧振頻率就與被檢測(cè)信號(hào)相關(guān)，因此利用有一定距離的讀取電路就可以采集到諧振頻率，實(shí)現(xiàn)無(wú)線無(wú)源傳感。與此同時(shí)，它還可以把傳感器直接“澆筑”到結(jié)構(gòu)中，在需要的時(shí)候直接讀取信號(hào)，減少了連線和維護(hù)的費(fèi)用。

新基建拓展傳感器的

廣闊應(yīng)用空間

傳感器是重要的信息和數(shù)據(jù)來(lái)源.作為“兩化”深度融合的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感器已經(jīng)成為各種智能物聯(lián)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)。傳感器在新基建實(shí)施過(guò)程中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深人。

傳感器是人類(lèi)對(duì)世界萬(wàn)物進(jìn)行準(zhǔn)確感知、制造和加工、運(yùn)行的依據(jù)。從生態(tài)環(huán)境交通安全、通信、能源到社會(huì)生產(chǎn)生活領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都離不開(kāi)測(cè)試測(cè)量?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有傳感技術(shù)就沒(méi)有高質(zhì)量的生活和工業(yè)體系。作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心要素，信息的產(chǎn)生更多地來(lái)自各種傳感器，，因此沒(méi)有精準(zhǔn)的傳感，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新基建便無(wú)從談起。

新基建設(shè)施需要大量傳感器的接人和共享，而5G技術(shù)讓傳感器實(shí)現(xiàn)了海量連接。與現(xiàn)有的無(wú)線技術(shù)相比，傳感器技術(shù)能提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的接入數(shù)。它在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中消耗的功耗極低，且其電池壽命在5年以上，因此可以做到延長(zhǎng)整個(gè)產(chǎn)品的壽命周期。此外，傳感器的發(fā)射能力提升了100倍左右，因此它的應(yīng)用讓地鐵、地下管廊等地方也能實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋.5G技術(shù)讓傳感器實(shí)現(xiàn)了共享，滿足了新基建的重要需求。一個(gè)傳感器可以被多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用，比如，一個(gè)攝像頭即可為交管部門(mén)提供路面交通情況，可為公安部門(mén)提供安全信息，可為市政提供環(huán)境信，息，可為園林部門(mén)提供植被信息，還可為環(huán)保部門(mén)提供污染源信息。因此，傳感器被多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用可以打破信息孤島的局面。

基礎(chǔ)設(shè)施的智慧運(yùn)行需要依靠全面的感知來(lái)進(jìn)行決策，擁有數(shù)量巨大的傳感器信號(hào)卻不能實(shí)時(shí)處理，也無(wú)法得到正確的信息。因此，在這種情況下，大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的重要性就得以凸顯。大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)可將海量傳感器傳輸?shù)膹?fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算、處理和數(shù)據(jù)融合，還能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使基礎(chǔ)設(shè)施能夠及時(shí)獲取所需的可靠信息。嵌人式微處理器和邊緣計(jì)算讓傳感器也具備了處理信息的能力，使其成為智能傳感器，從而實(shí)現(xiàn)邊緣傳感器中樞的功能。這樣就可以發(fā)送最重要的數(shù)據(jù)到云端，讓中央系統(tǒng)進(jìn)行更重要的判斷和決策。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)、新應(yīng)用的不斷滲透，信息安全作為國(guó)家安全的一部分，其地位和重要性日益凸顯。傳感器作為信息采集的人口及信息安全的第一端口，其安全性已經(jīng)成為了信息安全不可分割的重要組成部分。因此，越來(lái)越多的企事業(yè)單位出于安全性的考慮，紛紛把目光轉(zhuǎn)到了國(guó)內(nèi)的傳感器產(chǎn)品。

新型基礎(chǔ)信息建設(shè)為傳感器提供了廣闊的應(yīng)用環(huán)境。傳感器可以通過(guò)聲音、圖像、溫濕度、壓力、流量、振動(dòng)、環(huán)境、姿態(tài)等各種參數(shù)指標(biāo)的變化，來(lái)監(jiān)控各種設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)和安全狀況。與此同時(shí)，它還可以結(jié)合系統(tǒng)體系構(gòu)架、軟件服務(wù)模型，形成完整的“智能”與“智慧”系統(tǒng)，滿足設(shè)施領(lǐng)域的智能管理需求。數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)無(wú)疑為傳感器技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提供了充分的想象空間。

隨著國(guó)家新基建戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施和各地方對(duì)新基建部署的不斷深人，傳感器市場(chǎng)規(guī)模將呈現(xiàn)高速的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。這會(huì)極大地促進(jìn)傳感器技術(shù)的突破和創(chuàng)新發(fā)展，同時(shí)也為傳感器在新時(shí)代的價(jià)值創(chuàng)造提供千載難逢的機(jī)會(huì)。