未來(lái)傳感器技術(shù) “五”趨勢“四”領(lǐng)域

近年來(lái)，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、新結構、新應用不斷涌現。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(jìn)。一個(gè)方向是多種傳感功能與數據處理、存儲、雙向通信等的集成，可全部或部分實(shí)現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，具有低成本、高精度的信息采集、可數據存儲和通信、編程自動(dòng)化和功能多樣化等特點(diǎn)。如美國凌力爾特（LinearTechnology）公司的智能傳感器安裝了ARM架構的32位處理器。另一個(gè)方向是軟傳感技術(shù)，即智能傳感器與人工智能相結合，目前已出現各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、專(zhuān)家系統等人工智能技術(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(kāi)發(fā)出了對大量的傳感器監控實(shí)施簡(jiǎn)化的新方法“不變量分析技術(shù)”，并已于今年面向基礎設施系統投入使用。 　　二是可移動(dòng)化，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)應用加快。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵是克服節點(diǎn)資源限制（能源供應、計算及通信能力、存儲空間等），并滿(mǎn)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(lèi)未來(lái)生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術(shù)之首。目前研發(fā)重點(diǎn)主要在路由協(xié)議的設計、定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、數據融合技術(shù)、嵌入式操作系統技術(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、精準農業(yè)、林業(yè)監測、軍事、智能建筑、智能交通等領(lǐng)域對技術(shù)進(jìn)行了應用。如，從MIT獨立出來(lái)的VoltreePowerLLC公司受美國農業(yè)部的委托，在加利福尼亞州的山林等處設置溫度傳感器，構建了傳感器網(wǎng)絡(luò )，旨在檢測森林火情，減少火災損失。 　　三是微型化，MEMS傳感器研發(fā)異軍突起。隨著(zhù)集成微電子機械加工技術(shù)的日趨成熟，MEMS傳感器將半導體加工工藝（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(shí)現了規?；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(lái)，日本、美國、歐盟等在半導體器件、微系統及微觀(guān)結構、速度測量、微系統加工方法/設備、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(jìn)展。目前，MEMS傳感器技術(shù)研發(fā)主要在以下幾個(gè)方向：（1）微型化的同時(shí)降低功耗;（2）提高精度;（3）實(shí)現MEMS傳感器的集成化及智慧化;（4）開(kāi)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)結合）、生物化學(xué)傳感器（與生物技術(shù)、電化學(xué)結合）以及納米傳感器（與納米技術(shù)結合）。 　　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(lèi)：一種是同類(lèi)型多個(gè)傳感器的集成，即同一功能的多個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列，組成線(xiàn)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(shí)現補償和校正，是當前傳感器集成化發(fā)展的主要方向。如意法半導體提出把組合了多個(gè)傳感器的模塊作為傳感器中樞來(lái)提高產(chǎn)品功能;東芝公司已開(kāi)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(shí)檢測脈搏、心電、體溫及身體活動(dòng)等4種生命體征信息，并將數據無(wú)線(xiàn)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。新型敏感材料是傳感器的技術(shù)基礎，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。除了傳統的半導體材料、光導纖維等，有機敏感材料、陶瓷材料、超導、納米和生物材料等成為研發(fā)熱點(diǎn)，生物傳感器、光纖傳感器、氣敏傳感器、數字傳感器等新型傳感器加快涌現。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、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、絕緣性好、體積小、耗電少等特點(diǎn)，目前已應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換為與其成一定關(guān)系的電量輸出，具有穩定性好、重復性好、動(dòng)態(tài)特性好、響應迅速、使用維護方便等特點(diǎn)，應用領(lǐng)域非常廣泛。另?yè)﨎CCResearch公司指出，生物傳感器和化學(xué)傳感器有望成為增長(cháng)最快的傳感器細分領(lǐng)域，預計2014至2019年的年均復合增長(cháng)率可達9.7%。 　　未來(lái)值得關(guān)注的四大領(lǐng)域 　　隨著(zhù)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(huì )發(fā)展的需求，四大領(lǐng)域可能成為傳感器技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。 　　一是可穿戴式應用。據美國ABI調查公司預測，2017年可穿戴式傳感器的數量將會(huì )達到1.6億。以谷歌眼鏡為代表的可穿戴設備是最受關(guān)注的硬件創(chuàng )新。谷歌眼鏡內置多達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(xiàn)性加速傳感器等，實(shí)現了一些傳統終端無(wú)法實(shí)現的功能，如使用者僅需眨一眨眼睛就可完成拍照。當前，可穿戴設備的應用領(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(kāi)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(wú)人駕駛。美國IHS公司指出，推進(jìn)無(wú)人駕駛發(fā)展的傳感器技術(shù)應用正在加快突破。在該領(lǐng)域，谷歌公司的無(wú)人駕駛車(chē)輛項目開(kāi)發(fā)取得了重要成果，通過(guò)車(chē)內安裝的照相機、雷達傳感器和激光測距儀，以每秒20次的間隔，生成汽車(chē)周邊區域的實(shí)時(shí)路況信息，并利用人工智能軟件進(jìn)行分析，預測相關(guān)路況未來(lái)動(dòng)向，同時(shí)結合谷歌地圖來(lái)進(jìn)行道路導航。谷歌無(wú)人駕駛汽車(chē)已經(jīng)在內華達、佛羅里達和加利福尼亞州獲得上路行使權。奧迪、奔馳、寶馬和福特等全球汽車(chē)巨頭均已展開(kāi)無(wú)人駕駛技術(shù)研發(fā)，有的車(chē)型已接近量產(chǎn)。 　　三是醫護和健康監測。國內外眾多醫療研究機構，包括國際著(zhù)名的醫療行業(yè)巨頭在傳感器技術(shù)應用于醫療領(lǐng)域方面已取得重要進(jìn)展。如羅姆公司目前正在開(kāi)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，使用專(zhuān)用攝像元件拍攝反射光，通過(guò)改變近紅外光的波長(cháng)獲取圖像，然后通過(guò)圖像處理使血管等更加鮮明地呈現出來(lái)。一些研究機構在能夠嵌入或吞入體內的材料制造傳感器方面已取得進(jìn)展。如美國佐治亞理工學(xué)院正在開(kāi)發(fā)具備壓力傳感器和無(wú)線(xiàn)通信電路等的體內嵌入式傳感器，該器件由導電金屬和絕緣薄膜構成，能夠根據構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(huì )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(guò)智能傳感器將人機連接，并結合軟件和大數據分析，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(shí)指出，美國通過(guò)部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，各行業(yè)可實(shí)現1%的效率提升，15年內能源行業(yè)將節省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(wàn)多個(gè)傳感器，用于監測生產(chǎn)時(shí)的溫度、能源消耗和氣壓等數據，而工廠(chǎng)的管理人員可以通過(guò)iPad獲取這些數據，從而對生產(chǎn)進(jìn)行監督。 　　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(dòng)。 　　傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要趨勢 　　近年來(lái)，隨著(zhù)技術(shù)研發(fā)的持續深入，成本的下降，性能和可靠性的提升，在物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和高端裝備制造快速發(fā)展的推動(dòng)下，傳感器的典型應用市場(chǎng)發(fā)展迅速。據BCCResearch公司分析指出，2014年全球傳感器市場(chǎng)規模預計達到795億美元，2019年則有望達到1161億美元，復合年增長(cháng)率可達7.9%。 　　亞太地區將成為最有潛力的市場(chǎng)。目前，美國、日本、歐洲各國的傳感器技術(shù)先進(jìn)、上下游產(chǎn)業(yè)配套成熟，是中高端傳感器產(chǎn)品的主要生產(chǎn)者和最大的應用市場(chǎng)。同時(shí)，亞太地區成為最有潛力的未來(lái)市場(chǎng)。英泰諾咨詢(xún)公司指出，未來(lái)幾年亞太地區市場(chǎng)份額將持續增長(cháng)，預計2016年將提高至38.1%，北美和西歐市場(chǎng)份額將略有下降。 　　交通、信息通信成為市場(chǎng)增長(cháng)最快的領(lǐng)域。據英泰諾咨詢(xún)公司預測，2016年全球汽車(chē)傳感器規?？蛇_419.7億歐元，占全球市場(chǎng)的22.8%;信息通信行業(yè)至2016年也可達421.6億歐元，占全球市場(chǎng)的22.9%，且有可能成為最大的單一應用市場(chǎng)。而醫療、環(huán)境監測、油氣管道、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的創(chuàng )新應用將成為新熱點(diǎn)，有望在未來(lái)創(chuàng )造更多的市場(chǎng)需求。 　　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)基礎雄厚，各企業(yè)均形成了各自的技術(shù)優(yōu)勢，整體市場(chǎng)的競爭格局已初步確立（附表）。需要指出的是，大公司通過(guò)兼并重組，掌控技術(shù)標準和專(zhuān)利，在“高、精、尖”傳感器和新型傳感器市場(chǎng)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┒?、小而專(zhuān)”的方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)專(zhuān)有技術(shù)，產(chǎn)品定位特定細分市場(chǎng)。據統計，2010年7月至2011年9月，傳感器行業(yè)中大規模并購交易多達20多次。如美國私募股權公司VeritasCapitalIII以5億美元現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、測量設備制造業(yè)務(wù)。目前，越來(lái)越多的并購交易在新興市場(chǎng)國家出現。