傳感器與計(jì)算機(jī)、通信被稱為信息系統(tǒng)的三大支柱，傳感器技術(shù)優(yōu)劣成為衡量一個(gè)國家科技水平和是否處在國際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要標(biāo)志，是發(fā)達(dá)國家高度重視和爭(zhēng)相發(fā)展的核心基礎(chǔ)技術(shù)。傳感器廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、電力、交通、水利、新能源、電子、環(huán)保、家電、航天、航空、軍工武器裝備等國民經(jīng)濟(jì)及國防、科研等各個(gè)領(lǐng)域，關(guān)乎并影響技術(shù)創(chuàng)新以及國防、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全，對(duì)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮著重要作用，對(duì)于占領(lǐng)戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

 

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，傳感器處于連接被測(cè)對(duì)象和測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，構(gòu)成了系統(tǒng)信息輸入的主要“窗口”，提供著系統(tǒng)進(jìn)行控制、處理、決策、執(zhí)行所必須的原始信息，直接影響和決定著系統(tǒng)的功能。傳感器可以直接接觸被測(cè)對(duì)象，也可以間接接觸。許多控制系統(tǒng)功能因控制對(duì)象的信息難以采集與獲取而無法實(shí)現(xiàn)，成為系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與提升的障礙，也成為大數(shù)據(jù)的來源和采集以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與發(fā)展的最大障礙。

 

而隨著“工業(yè)4.0”概念的深化，全球的傳感器市場(chǎng)空間再一次被擴(kuò)寬。據(jù)預(yù)測(cè)，2016年-2021年，傳感器的復(fù)合年增長率預(yù)計(jì)為11%，到2021年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1906億美元。

 

小巧玲瓏的傳感器設(shè)備給我們的生活帶來巨大沖擊。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，傳感器作為機(jī)械的觸覺，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。尤其在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，這些毫不起眼卻至關(guān)重要的設(shè)備會(huì)將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為意義重大的決策。

 

目前，全球傳感器市場(chǎng)主要由美國、日本、德國的幾家領(lǐng)先企業(yè)主導(dǎo)，博世、霍尼韋爾、飛思卡爾、日立等傳統(tǒng)電子行業(yè)巨頭，都把傳感器作為未來業(yè)務(wù)的主要增長點(diǎn)。

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)云漸起之時(shí)，更加帶動(dòng)了數(shù)據(jù)收集者——傳感器的發(fā)展。從國家層面看，基于工業(yè)化與信息化融合戰(zhàn)略，政府大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向傳統(tǒng)行業(yè)中的深度滲透，使得傳感器成為提升我國現(xiàn)代信息技術(shù)、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最好突破口。從技術(shù)層面看，承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和傳輸重任的傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的引導(dǎo)，正在朝著智能化、微型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能、低功耗的方向發(fā)展。

 

 

MEMS傳感器面臨三大挑戰(zhàn)和四大趨勢(shì)

 

如今，我國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，正消耗著全球四分之一的MEMS器件。但目前，我國大部分MEMS傳感器仍依賴進(jìn)口。國內(nèi)MEMS傳感器也仍以中低端為主，技術(shù)相對(duì)落后，這一局面將在較長時(shí)間里一直存在下去。那么，各家MEMS企業(yè)又該如何擺平心態(tài)，正視這一挑戰(zhàn)，從而尋找其中的發(fā)展商機(jī)呢？

 

中國MEMS廠商面臨的挑戰(zhàn)非常多。首先，缺乏高端研發(fā)人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的本土MEMS工程師，導(dǎo)致基礎(chǔ)研究落后。同時(shí)，MEMS傳感器商業(yè)化應(yīng)用周期長，MEMS傳感器研發(fā)時(shí)間更長，這對(duì)MEMS企業(yè)的耐心、遠(yuǎn)見是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。

 

另一方面，中國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈在競(jìng)爭(zhēng)方面，力量還較薄弱，沒有產(chǎn)生在國際市場(chǎng)上具有領(lǐng)導(dǎo)地位的企業(yè)。MEMS傳感器和IC芯片一樣，具有很強(qiáng)的規(guī)模效應(yīng)，國內(nèi)企業(yè)出貨量上不去，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，例如前端流片等環(huán)節(jié)加工能力薄弱，一致性、生產(chǎn)重復(fù)性都不能滿足設(shè)計(jì)加工工藝要求。因此，整個(gè)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈均處于投入階段，盈利比較困難，產(chǎn)生了惡性循環(huán)。

 

此外，價(jià)格下滑導(dǎo)致MEMS廠商盈利困難。MEMS傳感器產(chǎn)品的價(jià)格，并非與產(chǎn)品的重要性或開發(fā)難度成正比。例如，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從應(yīng)用廣泛和競(jìng)爭(zhēng)激烈的陀螺儀和加速度傳感器市場(chǎng)來看，價(jià)格每季度下跌3％至5％，系統(tǒng)廠商對(duì)于MEMS產(chǎn)品需求量很大，但是它們也已經(jīng)把價(jià)格殺到MEMS廠商難以為繼的地步。

 

四大趨勢(shì)：新興器件、新應(yīng)用、顛覆性技術(shù)、新設(shè)計(jì)

 

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，國內(nèi)MEMS廠商如何樹立信心，尋求機(jī)遇呢？

 

首先必須承認(rèn)，中國是最大電子生產(chǎn)和消費(fèi)大國，終端消費(fèi)市場(chǎng)巨大，該優(yōu)勢(shì)應(yīng)該可以給各家MEMS廠商給予一定信心。而且受物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，MEMS傳感器的市場(chǎng)增量將相當(dāng)可觀。另外，MEMS傳感器產(chǎn)品多樣，也有巨大的創(chuàng)新空間。

 

MEMS傳感器制造需要依賴發(fā)達(dá)的半導(dǎo)體微加工技術(shù)

 

另一方面，根據(jù)MEMS傳感器的特點(diǎn)，MEMS傳感器一直依賴于使用基于半導(dǎo)體的微加工技術(shù)來制造器件，以取代更為復(fù)雜、笨重或不敏感的傳感器。據(jù)此，未來將有四大趨勢(shì)改變MEMS市場(chǎng)格局。它們分別是：新興器件、新應(yīng)用、顛覆性技術(shù)、新設(shè)計(jì)。

 

簡(jiǎn)單來說就是：新興器件，如微鏡和環(huán)境組合傳感器；新應(yīng)用，如壓力傳感器應(yīng)用于位置或高度感測(cè)；顛覆性技術(shù)，包括封裝、新材料，如壓電薄膜和300mm/12寸晶圓；新的設(shè)計(jì)，包括NEMS納機(jī)電系統(tǒng)和光學(xué)集成技術(shù)。

 

物聯(lián)網(wǎng)是我國未來十年的核心發(fā)展戰(zhàn)略，MEMS傳感器則是物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的一環(huán)，下一個(gè)十年，會(huì)涌現(xiàn)出遠(yuǎn)比現(xiàn)在主流MEMS傳感器更有市場(chǎng)前景的MEMS產(chǎn)品，期待中國MEMS產(chǎn)業(yè)能躋身世界前列。 

 

工業(yè)領(lǐng)域常用的傳感器分析

 

按被測(cè)量對(duì)象分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。

 

內(nèi)部信息傳感器主要檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的位置，速度，力，力矩，溫度以及異常變化。

 

外部信息傳感器主要檢測(cè)系統(tǒng)的外部環(huán)境狀態(tài)，它有相對(duì)應(yīng)的接觸式（觸覺傳感器、滑動(dòng)覺傳感器、壓覺傳感器）和非接觸式（視覺傳感器、超聲測(cè)距、激光測(cè)距）。

 

超聲波傳感器

 

按傳感器能量源

 

可分為有源傳感器和無源傳感器。

 

1）無源傳感器：不需外加電源。而是將被測(cè)量的相關(guān)能量轉(zhuǎn)換成電量輸出（主要有：壓電式、磁電感應(yīng)式、熱電式、光電式）又稱能量轉(zhuǎn)化型;

 

例如：

 

光電傳感器能將光射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其原理類似太陽能電池;

 

壓電傳感器能夠?qū)毫D(zhuǎn)換成電壓信號(hào);

 

熱電傳感器能將被測(cè)溫度場(chǎng)的能量（熱能）直接轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)的輸出等等。

 

2）有源傳感器：需要外加電源才能輸出電量，又稱能量控制型（主要有：電阻式、電容式、電感式、霍爾式）。

 

按作用形式

 

可分為主動(dòng)型和被動(dòng)型傳感器。

 

主動(dòng)型傳感器，此種傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象能發(fā)出一定探測(cè)信號(hào)，能檢測(cè)探測(cè)信號(hào)在被測(cè)對(duì)象中所產(chǎn)生的變化，或者由探測(cè)信號(hào)在被測(cè)對(duì)象中產(chǎn)生某種效應(yīng)而形成信號(hào)。

 

1）檢測(cè)探測(cè)信號(hào)變化方式的稱為作用型

 

2）檢測(cè)產(chǎn)生響應(yīng)而形成信號(hào)方式的稱為反作用型。

 

雷達(dá)與無線電頻率范圍探測(cè)器是作用型實(shí)例，而光聲效應(yīng)分析裝置與激光分析器是反作用型實(shí)例。

 

被動(dòng)型傳感器只是接收被測(cè)對(duì)象本身產(chǎn)生的信號(hào)，如紅外輻射溫度計(jì)、紅外攝像裝置等。

 

按外界輸入的信號(hào)變換為電信號(hào)采用的效應(yīng)

 

可分為物理型傳感器、化學(xué)型傳感器和生物型傳感器三大類　

 

物理型傳感器又可以分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。

 

結(jié)構(gòu)型傳感器是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，利用某些物理規(guī)律來感受（敏感）被測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。例如：

 

電容式壓力傳感器

 

必須有按規(guī)定參數(shù)設(shè)計(jì)制成的電容式敏感元件，當(dāng)被測(cè)壓力作用在電容式敏感元件的動(dòng)極板上時(shí)，引起電容間隙的變化導(dǎo)致電容值的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。

 

物性型傳感器就是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)感受（敏感）被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)的傳感器。例如：

 

壓電式壓力傳感器

 

利用具有壓電特性的石英晶體材料制成的壓電式壓力傳感器，就是利用石英晶體材料本身具有的正壓電效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力測(cè)量的;

 

壓阻式傳感器

 

利用半導(dǎo)體材料在被測(cè)壓力作用下引起其內(nèi)部應(yīng)力變化導(dǎo)致其電阻值變化制成的壓阻式傳感器，就是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力測(cè)量的。

 

一般而言，結(jié)構(gòu)型傳感器強(qiáng)調(diào)要依靠精密設(shè)計(jì)制作的結(jié)構(gòu)才能保證其正常工作;而物性型傳感器則主要依靠材料本身的物理特性、物理效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的敏感。

 

化學(xué)傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)或有機(jī)化學(xué)的物質(zhì)成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。最常用的是離子傳感器，即利用離子選擇性電極，測(cè)量溶液的pH值或某些離子的活度，如K+，Na+，Ca2+等。電極的測(cè)量對(duì)象不同，但其測(cè)量原理基本相同。

 

離子煙霧傳感器

　　

主要是利用電極界面（固相）和被測(cè)溶液（液相）之間的電化學(xué)反應(yīng)，即利用電極對(duì)溶液中離子的選擇性響應(yīng)而產(chǎn)生的電位差。所產(chǎn)生的電位差與被測(cè)離子活度對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，故檢測(cè)出其反應(yīng)過程中的電位差或由其影響的電流值，即可給出被測(cè)離子的活度。

 

化學(xué)傳感器的核心部分是離子選擇性敏感膜。膜可以分為固體膜和液體膜。玻璃膜、單晶膜和多晶膜屬固體膜;而帶正、負(fù)電荷的載體膜和中性載體膜則為液體膜。

 

化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、化學(xué)工業(yè)的在線檢測(cè)及環(huán)保檢測(cè)中。

 

生物傳感器是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性來識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。生物活性物質(zhì)對(duì)某種物質(zhì)具有選擇性親和力，也稱其為功能識(shí)別能力。

 

生物傳感器主要由兩大部分組成。

 

其一是功能識(shí)別物質(zhì)，其作用是對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行特定識(shí)別。

 

這些功能識(shí)別物有酶、抗原、抗體、微生物及細(xì)胞等。用特殊方法把這些識(shí)別物固化在特制的有機(jī)膜上從而形成具有對(duì)特定的從低分子到大分子化合物進(jìn)行識(shí)別功能的功能膜。

 

其二是電、光信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，此裝置的作用是把在功能膜上進(jìn)行的識(shí)別被測(cè)物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘?hào)或光信號(hào)。

 

生物傳感器的最大特點(diǎn)是能在分子水平上識(shí)別被測(cè)物質(zhì)，不僅在化學(xué)工業(yè)的監(jiān)測(cè)上，而且在醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)保監(jiān)測(cè)等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。

 

關(guān)于傳感器，由于敏感材料和傳感器的數(shù)量特別多，類別十分繁復(fù)，相互之間又有著交叉和重疊，這里就不再贅述。

 

 

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