傳感器與計算機、通信被稱(chēng)為信息系統的三大支柱，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略競爭制高點(diǎn)的重要標志，是發(fā)達國家高度重視和爭相發(fā)展的核心基礎技術(shù)。傳感器廣泛應用于冶金、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)濟和社會(huì )安全，對于當前產(chǎn)業(yè)結構調整與轉型升級發(fā)揮著(zhù)重要作用，對于占領(lǐng)戰略型新興產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)具有十分重要的戰略意義。

 

在現代控制系統中，傳感器處于連接被測對象和測試系統的接口位置，構成了系統信息輸入的主要“窗口”，提供著(zhù)系統進(jìn)行控制、處理、決策、執行所必須的原始信息，直接影響和決定著(zhù)系統的功能。傳感器可以直接接觸被測對象，也可以間接接觸。許多控制系統功能因控制對象的信息難以采集與獲取而無(wú)法實(shí)現，成為系統技術(shù)發(fā)展與提升的障礙，也成為大數據的來(lái)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(zhù)“工業(yè)4.0”概念的深化，全球的傳感器市場(chǎng)空間再一次被擴寬。據預測，2016年-2021年，傳感器的復合年增長(cháng)率預計為11%，到2021年市場(chǎng)規模將達到1906億美元。

 

小巧玲瓏的傳感器設備給我們的生活帶來(lái)巨大沖擊。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，傳感器作為機械的觸覺(jué)，是實(shí)現工業(yè)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。尤其在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，這些毫不起眼卻至關(guān)重要的設備會(huì )將數據流轉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，博世、霍尼韋爾、飛思卡爾、日立等傳統電子行業(yè)巨頭，都把傳感器作為未來(lái)業(yè)務(wù)的主要增長(cháng)點(diǎn)。

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)云漸起之時(shí)，更加帶動(dòng)了數據收集者——傳感器的發(fā)展。從國家層面看，基于工業(yè)化與信息化融合戰略，政府大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向傳統行業(yè)中的深度滲透，使得傳感器成為提升我國現代信息技術(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，承擔著(zhù)數據采集和傳輸重任的傳感器，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的引導，正在朝著(zhù)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和四大趨勢

 

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(zhù)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(lài)進(jìn)口。國內MEMS傳感器也仍以中低端為主，技術(shù)相對落后，這一局面將在較長(cháng)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，從而尋找其中的發(fā)展商機呢？

 

中國MEMS廠(chǎng)商面臨的挑戰非常多。首先，缺乏高端研發(fā)人員和經(jīng)驗豐富的本土MEMS工程師，導致基礎研究落后。同時(shí)，MEMS傳感器商業(yè)化應用周期長(cháng)，MEMS傳感器研發(fā)時(shí)間更長(cháng)，這對MEMS企業(yè)的耐心、遠見(jiàn)是一個(gè)很大挑戰。

 

另一方面，中國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈在競爭方面，力量還較薄弱，沒(méi)有產(chǎn)生在國際市場(chǎng)上具有領(lǐng)導地位的企業(yè)。MEMS傳感器和IC芯片一樣，具有很強的規模效應，國內企業(yè)出貨量上不去，導致整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，例如前端流片等環(huán)節加工能力薄弱，一致性、生產(chǎn)重復性都不能滿(mǎn)足設計加工工藝要求。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)格下滑導致MEMS廠(chǎng)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(kāi)發(fā)難度成正比。例如，據統計數據顯示，從應用廣泛和競爭激烈的陀螺儀和加速度傳感器市場(chǎng)來(lái)看，價(jià)格每季度下跌3％至5％，系統廠(chǎng)商對于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(chǎng)商難以為繼的地步。

 

四大趨勢：新興器件、新應用、顛覆性技術(shù)、新設計

 

面對上述挑戰，國內MEMS廠(chǎng)商如何樹(shù)立信心，尋求機遇呢？

 

首先必須承認，中國是最大電子生產(chǎn)和消費大國，終端消費市場(chǎng)巨大，該優(yōu)勢應該可以給各家MEMS廠(chǎng)商給予一定信心。而且受物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)驅動(dòng)，MEMS傳感器的市場(chǎng)增量將相當可觀(guān)。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(lài)發(fā)達的半導體微加工技術(shù)

 

另一方面，根據MEMS傳感器的特點(diǎn)，MEMS傳感器一直依賴(lài)于使用基于半導體的微加工技術(shù)來(lái)制造器件，以取代更為復雜、笨重或不敏感的傳感器。據此，未來(lái)將有四大趨勢改變MEMS市場(chǎng)格局。它們分別是：新興器件、新應用、顛覆性技術(shù)、新設計。

 

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

 

物聯(lián)網(wǎng)是我國未來(lái)十年的核心發(fā)展戰略，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 )涌現出遠比現在主流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

 

按被測量對象分為內部傳感器和外部傳感器。

 

內部信息傳感器主要檢測系統內部的位置，速度，力，力矩，溫度以及異常變化。

 

外部信息傳感器主要檢測系統的外部環(huán)境狀態(tài)，它有相對應的接觸式（觸覺(jué)傳感器、滑動(dòng)覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器）和非接觸式（視覺(jué)傳感器、超聲測距、激光測距）。

 

超聲波傳感器

 

按傳感器能量源

 

可分為有源傳感器和無(wú)源傳感器。

 

1）無(wú)源傳感器：不需外加電源。而是將被測量的相關(guān)能量轉換成電量輸出（主要有：壓電式、磁電感應式、熱電式、光電式）又稱(chēng)能量轉化型;

 

例如：

 

光電傳感器能將光射線(xiàn)轉換成電信號，其原理類(lèi)似太陽(yáng)能電池;

 

壓電傳感器能夠將壓力轉換成電壓信號;

 

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

 

2）有源傳感器：需要外加電源才能輸出電量，又稱(chēng)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，此種傳感器對被測對象能發(fā)出一定探測信號，能檢測探測信號在被測對象中所產(chǎn)生的變化，或者由探測信號在被測對象中產(chǎn)生某種效應而形成信號。

 

1）檢測探測信號變化方式的稱(chēng)為作用型

 

2）檢測產(chǎn)生響應而形成信號方式的稱(chēng)為反作用型。

 

雷達與無(wú)線(xiàn)電頻率范圍探測器是作用型實(shí)例，而光聲效應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對象本身產(chǎn)生的信號，如紅外輻射溫度計、紅外攝像裝置等。

 

按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應

 

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(lèi)　

 

物理型傳感器又可以分為結構型傳感器和物性型傳感器。

 

結構型傳感器是以結構（如形狀、尺寸等）為基礎，利用某些物理規律來(lái)感受（敏感）被測量，并將其轉換為電信號實(shí)現測量的。例如：

 

電容式壓力傳感器

 

必須有按規定參數設計制成的電容式敏感元件，當被測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致電容值的變化，從而實(shí)現對壓力的測量。

 

物性型傳感器就是利用某些功能材料本身所具有的內在特性及效應感受（敏感）被測量，并轉換成可用電信號的傳感器。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而實(shí)現對壓力測量的;

 

壓阻式傳感器

 

利用半導體材料在被測壓力作用下引起其內部應力變化導致其電阻值變化制成的壓阻式傳感器，就是利用半導體材料的壓阻效應而實(shí)現對壓力測量的。

 

一般而言，結構型傳感器強調要依靠精密設計制作的結構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、物理效應來(lái)實(shí)現對被測量的敏感。

 

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

 

離子煙霧傳感器

　　

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

 

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)傳感器廣泛應用于化學(xué)分析、化學(xué)工業(yè)的在線(xiàn)檢測及環(huán)保檢測中。

 

生物傳感器是一種利用生物活性物質(zhì)選擇性來(lái)識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。生物活性物質(zhì)對某種物質(zhì)具有選擇性親和力，也稱(chēng)其為功能識別能力。

 

生物傳感器主要由兩大部分組成。

 

其一是功能識別物質(zhì)，其作用是對被測物質(zhì)進(jìn)行特定識別。

 

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

 

其二是電、光信號轉換裝置，此裝置的作用是把在功能膜上進(jìn)行的識別被測物所產(chǎn)生的化學(xué)反應轉換成便于傳輸的電信號或光信號。

 

生物傳感器的最大特點(diǎn)是能在分子水平上識別被測物質(zhì)，不僅在化學(xué)工業(yè)的監測上，而且在醫學(xué)診斷、環(huán)保監測等方面都有著(zhù)廣泛的應用前景。

 

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

 

 

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