近年來(lái)，在新能源汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、環(huán)保、消費(fèi)等領(lǐng)域智能化、數(shù)字化需求的持續(xù)帶動(dòng)下，全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模保持穩(wěn)步增長(zhǎng)，為智能傳感器的發(fā)展奠定了產(chǎn)品基礎(chǔ)。同時(shí)，新能源汽車(chē)產(chǎn)量增加、智能家居滲透率不斷提升、5G基站持續(xù)大規(guī)模建設(shè)等，帶動(dòng)了中國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模上升，增速高于全球水平。

　　于工業(yè)智能化進(jìn)程發(fā)揮重要作用

　　作為能與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列的現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一，傳感器技術(shù)在工業(yè)發(fā)展中的重要性不言而喻。我國(guó)也在“十四五”規(guī)劃綱要中明確提出，要聚焦傳感器等關(guān)鍵領(lǐng)域，加快推進(jìn)基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)算法、裝備材料等研發(fā)突破與迭代應(yīng)用。

　　當(dāng)前，工業(yè)領(lǐng)域正逐步向智能化方向邁進(jìn)，而傳感器在其中發(fā)揮的作用，可以概括為感知、監(jiān)測(cè)、預(yù)防性維護(hù)三個(gè)層面。

　　1）精準(zhǔn)感知，推動(dòng)自動(dòng)化升級(jí)

　　傳感器作為信息獲取的神經(jīng)，負(fù)責(zé)感知環(huán)境中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為可處理的信號(hào)。通過(guò)使用各類(lèi)傳感器，工業(yè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)獲取溫度、壓力、濕度等參數(shù)，為生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制提供了精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行，從而提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。

　　2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高生產(chǎn)效率，減少事故風(fēng)險(xiǎn)

　　傳感器的部署使得工廠(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。例如，在生產(chǎn)線(xiàn)上使用壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)管道中的壓力波動(dòng)，并在異常情況下及時(shí)發(fā)出警報(bào)。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能幫助企業(yè)快速發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。傳感器的廣泛應(yīng)用使得工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)更加全面和精確。例如，在化工廠(chǎng)中使用氣體傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有害氣體濃度，一旦超出安全范圍即可采取相應(yīng)措施，有效降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

　　3）預(yù)防設(shè)備故障，提升設(shè)備可靠性

　　通過(guò)在設(shè)備中集成振動(dòng)、溫度、聲音、電流、液位等傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以診斷工廠(chǎng)設(shè)備的健康狀況。此診斷可用于警報(bào)管理、設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)以及更有效的維護(hù)巡邏。越來(lái)越多的企業(yè)認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)維護(hù)方式的高成本，因此開(kāi)始采用預(yù)測(cè)性維護(hù)來(lái)減輕被動(dòng)維護(hù)帶來(lái)的壓力和成本。預(yù)測(cè)性維護(hù)的傳感器技術(shù)有望徹底改變預(yù)防性維護(hù)的處理方式，并進(jìn)一步提高設(shè)備性能。

　　在中國(guó)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

　　現(xiàn)代傳感器制造是上世紀(jì)60年代正式落地于我國(guó)，但其實(shí)早在中國(guó)古代，我國(guó)已有了一些傳感器的應(yīng)用及發(fā)明。例如指南針（也稱(chēng)“司南”）以地球磁場(chǎng)為感應(yīng)指明方向，后來(lái)傳入歐洲后普遍應(yīng)用在航海事業(yè)，此外還有地動(dòng)儀、日冕等。

　　改革開(kāi)放30年來(lái)，我國(guó)傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，例如建立了傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微米/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家傳感技術(shù)工程中心等研究開(kāi)發(fā)基地；MEMS、MOEMS（微光機(jī)電系統(tǒng)）等研究項(xiàng)目列入了國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)；在“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中，傳感器技術(shù)研究取得了51個(gè)品種86個(gè)規(guī)格新產(chǎn)品的成績(jī)，初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)等。

　　目前，中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段，據(jù)十多位專(zhuān)家、學(xué)者在《中國(guó)傳感器（技術(shù)、產(chǎn)業(yè)）發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》中的總結(jié)，我國(guó)傳感器（技術(shù)、產(chǎn)業(yè)）發(fā)展呈現(xiàn)以下七大趨勢(shì)：

　　1）系統(tǒng)化

　　指不把傳感器或傳感技術(shù)作為一種單獨(dú)器件或技術(shù)考慮，而是按照信息論和系統(tǒng)論要求，應(yīng)用工程研究方法，強(qiáng)調(diào)傳感器和傳感技術(shù)發(fā)展的系統(tǒng)性和協(xié)同性。

　　將傳感器置于信息識(shí)別和處理技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，將傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)協(xié)同發(fā)展。必須系統(tǒng)地考慮傳感技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)之間的獨(dú)立性、相融性、依存性。而智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器正是這種發(fā)展趨勢(shì)的主要標(biāo)志之一。

　　2）創(chuàng)新性

　　主要包括利用新原理、新效應(yīng)、新技術(shù)。如利用納米技術(shù)制作納米傳感器，與傳統(tǒng)傳感器相比，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，為傳感器的制作提供了許多新方法。

　　利用新材料開(kāi)發(fā)新型傳感器，如利用納米材料，制作的鈀納米112傳感器、金納米聚合物傳感器、碳納米聚合物傳感器、電阻應(yīng)變式納米壓力傳感器。

　　利用納米材料的巨磁阻效應(yīng)，科學(xué)家們己經(jīng)研制出各種“納米磁敏傳感器”。研發(fā)特種用途、特種環(huán)境、特殊工藝的傳感器。如在高溫、高壓、耐腐蝕、強(qiáng)輻射等環(huán)境下的傳感器。以及利用3D打印技術(shù)的傳感器，柔性傳感器，量子傳感器等。

　　3）微型化

　　在自動(dòng)化和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，要求傳感器本身的體積越小越好。傳感器的微型性是指敏感元件的特征尺寸為“毫米（mm）—微米（um）—納米（nm）”類(lèi)傳感器。這類(lèi)傳感器具有尺寸上的微型性和性能上的優(yōu)越性，要素上的集成性和用途上的多樣性，功能上的系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)上的復(fù)合性。

　　4）智能化

　　傳感器的智能化是指?jìng)鞲衅骶哂杏洃?、存?chǔ)、思維、判斷、自診等人工智能。其輸出不再是單一的模擬信號(hào)，而是經(jīng)過(guò)微處理器后的數(shù)字信號(hào)，甚至具有執(zhí)行控制功能。

　　技術(shù)發(fā)展表明，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）將推動(dòng)眾多新型下一代傳感器產(chǎn)品的發(fā)展。隨著5G通信、大數(shù)據(jù)、AR、VR、云計(jì)算等的發(fā)展，以及機(jī)器人內(nèi)動(dòng)駕駛、人工智能等新技術(shù)應(yīng)用，世界從原有的電了時(shí)代進(jìn)入智能時(shí)代，傳感器也迎來(lái)一個(gè)新的智能化時(shí)代。當(dāng)前，智能傳感器正廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、新型高端汽車(chē)、工業(yè)檢測(cè)與控制、智能醫(yī)用、智能農(nóng)業(yè)、智能交通等領(lǐng)域。

　　據(jù)了解，美國(guó)圣何塞的Accenture實(shí)驗(yàn)室已研究出一種名為“智能塵埃”的傳感器。該傳感器極其微小，能測(cè)溫度、濕度、光等參數(shù)。傳感器中嵌入了微處理器、軟件代碼、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)等，可以噴灑到樹(shù)上或其他物體上，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，能發(fā)出信號(hào)，對(duì)所在地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　5）無(wú)源化

　　傳感器多為非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時(shí)離不開(kāi)電源，在野外現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方，往往用電池或太陽(yáng)能供電，研制微功耗的無(wú)源傳感器是必然的發(fā)展方向，既節(jié)省能源，又能提高系統(tǒng)壽命。

　　6）網(wǎng)絡(luò)化

　　網(wǎng)絡(luò)化是指?jìng)鞲衅髟诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享信息。要使網(wǎng)絡(luò)化傳感器成為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)化。目前己有“有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化傳感器”和“無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化傳感器”。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由布設(shè)在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)內(nèi)，具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)組成，根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。

　　7）產(chǎn)業(yè)化

　　加速形成傳感器從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展模式，揭示傳感器產(chǎn)業(yè)化規(guī)律，成本、價(jià)格之間的辯證關(guān)系，產(chǎn)業(yè)化是中國(guó)傳感器真正走出象牙之塔的關(guān)鍵之步。

　　隨著傳感器產(chǎn)業(yè)在我國(guó)蓬勃發(fā)展而來(lái)的還有不容忽視的風(fēng)險(xiǎn)，例如關(guān)鍵核心技術(shù)未能突破，產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)未能解決，高端核心傳感器依賴(lài)進(jìn)口；國(guó)內(nèi)高檔傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)幾乎被國(guó)外壟斷；一些高端傳感器，國(guó)外對(duì)中國(guó)明確禁運(yùn)等。

　　行業(yè)未來(lái)可期

　　2023年6月，據(jù)中國(guó)科學(xué)院消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室易建新副教授課題組在多維探測(cè)和識(shí)別的氣體傳感器方面取得進(jìn)展。據(jù)悉，研究人員提出了一種化學(xué)電阻-電位型多變量傳感器，實(shí)現(xiàn)了單一傳感器對(duì)多種氣體和火災(zāi)特征的三維探測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別。低濃度氣體的高靈敏探測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別對(duì)于公共安全、環(huán)境保護(hù)、健康診斷和工業(yè)生產(chǎn)等諸多應(yīng)用具有重要意義。相比于氣相色譜和質(zhì)譜等傳統(tǒng)氣相分析技術(shù)，氣體傳感器具有成本低、尺寸小、易集成和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，有利于大規(guī)模應(yīng)用。

　　但是，常規(guī)傳感器僅輸出單一信號(hào)，不能識(shí)別氣體，因此探測(cè)準(zhǔn)確性低，在實(shí)用中易受其它氣體或環(huán)境濕度等干擾而引起誤報(bào)或漏報(bào)。這一問(wèn)題嚴(yán)重限制了氣體傳感器的應(yīng)用。

　　研究人員首先利用半導(dǎo)體氧化物電極在表面和界面上不同的響應(yīng)機(jī)制，在同一電極上成功提取出化學(xué)電阻和電位兩種不同原理的傳感信號(hào)，并進(jìn)一步配對(duì)獲得了輸出三個(gè)獨(dú)立響應(yīng)信號(hào)的雙敏感電極傳感器。得益于鈣鈦礦非常規(guī)的反向電位響應(yīng)，傳感器的氣敏性能得到了顯著提高，實(shí)現(xiàn)了2-乙基己醇、一氧化碳等多種危險(xiǎn)和火災(zāi)特征氣體的（亞）ppm級(jí)三維探測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別，并展現(xiàn)出在火災(zāi)危險(xiǎn)早期預(yù)警方面的應(yīng)用潛力。

　　據(jù)介紹，這種兼具探測(cè)和識(shí)別功能的多變量氣體傳感器簡(jiǎn)單、高效、成本低，可適用于不同半導(dǎo)體材料電極和固體電解質(zhì)基底，工作溫度范圍寬，并可進(jìn)一步拓展獲得更高維度的響應(yīng)，為復(fù)雜環(huán)境中氣體的高靈敏和準(zhǔn)確探測(cè)提供了新思路。

　　由此，我們相信，盡管風(fēng)險(xiǎn)仍然難以避免，但是隨著制造業(yè)智能制造的推進(jìn)，以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、工業(yè)元宇宙、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，傳感器行業(yè)必將獲得更大的發(fā)展?jié)摿?，迎?lái)新一輪的機(jī)遇。

　?。ū疚木C合整理自獵芯視角、設(shè)備工程、羅姆半導(dǎo)體社區(qū)以及《中國(guó)傳感器（技術(shù)、產(chǎn)業(yè)）發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》）

關(guān)注讀覽天下微信， 100萬(wàn)篇深度好文， 等你來(lái)看……