作者:贡晓丽 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/12/5 18:41:33
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传感器:“感知中国”的瓶颈

 

挥挥手让手机静音,或用手指在手腕处刷一下发送文本,或扬手切换应用程序……当这种直观的手势用户界面进入我们的日常生活时,我们会很快忘记它的存在。想象一下,在房间的某个角落,或者在你身体的某个地方,一个微小的超声波传感器艰难地工作着,它要从周围懒惰的空气分子中、从我们周围未使用到的超声波频谱中,提取出有用的信息。

如果物联网将实现数以百亿计的智能设备连接,或许到2020年,我们能以比语音和触摸更好的方式来与这个世界互动。而智能装备之所以先进,离不开它的基础感官设备——传感器的快速发展。

早在2009年,前国家总理温家宝在无锡听取我国传感网发展和应用的汇报,提出了发展我们自己的“感知中国”。经过七年发展,高端传感器技术不过关,仍然是物联网的发展瓶颈。

目前,传感器的四大应用领域为工业、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品。其中,在国内,工业和汽车电子产品用传感器占比约42%,而发展最快的是汽车电子和通信电子应用市场。从12月2日举办的全球传感器与智能化发展高峰论坛上可以看出,传感器在医疗、环境监测、油气管道、智能电网、可穿戴设备等领域的创新应用将成为新热点,有望在未来创造更多的市场需求。市场的驱动,也正是技术不断变革、进步的动力。

发展快速 潜力巨大

传感器指能够感受规定的物理量并按一定的规律(数学函数法则)转换成可用输出信号的器件或装置。“传感器是设备感受外界环境的重要硬件,决定了装备与外界环境交互的能力,是设备智能化的硬件基础,尤其在很多智能设备中,传感器决定着设备的核心能力。”中国工程院院士、清华大学副校长尤政表示,“传感器的创新发展是国家创新驱动发展战略下信息化发展的关键。”

万物互联,传感先行,已经成为业内共识。中科院微电子所昆山分所所长阎跃鹏指出,传感器如果以用途分类,可分为力敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、加速度传感器、生物传感器等。而国内传感器技术发展与创新的重点在材料、结构和性能改进3个方面:敏感材料从液态向半固态、固态方向发展;结构向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展;性能向检测量程宽、检测精度高、抗干扰能力强、性能稳定、寿命长久方向发展。

物联网技术的发展,对传统传感技术又提出了新的要求,产品正逐渐向微机电系统(MEMS)技术、无线数据传输技术、红外技术、新材料技术、纳米技术、陶瓷技术、薄膜技术、光纤技术、激光技术、复合传感器技术、多学科交叉融合的方向发展。

外延的全球传感器市场2015年超过700亿美元,其中中国超过1000亿元人民币,中国科学院微电子研究所所长、中国科学院物联网研究发展中心主任叶甜春指出,我国传感器市场的增长率超过15%,具有很大的增长潜力。

“目前国内传感器共分10大类、24小类、6000多个品种,而美国约1.7万种传感器。国外厂商西门子、霍尼韦尔、欧姆龙等公司占有较大份额,国内厂商虽然有了较大发展,但远远不能跟上形势的要求。”阎跃鹏指出,我国的传感器技术水平与种类数量都与技术先进国家有很大差距。

技术创新 成本降低

随着MEMS、激光技术、高科技材料等的技术进步,传感器的研发呈现多样化的趋势,有的利用生物材料模拟人类皮肤,创新传感器的触觉;有的利用MEMS技术研发微型智能化传感器,从而有利于复杂系统的集成;有的利用高精度的激光技术创造激光雷达,从而利于系统实时感知周边障碍物与环境等等。

摩尔精英创始人张竞扬在文章中指出,总体而言,传感器的研发过程呈现两阶段的趋势。一是技术创新,根据未能满足的需求开发新产品。在第一阶段中,传感器研发创新的方向源于智能装备、创新设备的需求,研发人员根据使用需求,创新出新型传感器。二是成本降低,应用落地,产品逐步切合产业化需求。在第二阶段研发创新的过程中,为了满足人们对于智能装备产业化应用的需求,研究人员从对技术开发的关注转为对成本下降的关注,以实现传感器大规模生产、智能装备产业化应用的愿景。

今年7月,由清华大学、淄博高新区MEMS研究院和国高(淄博)微系统科技有限公司共同完成的国内首套“硅基MEMS中试代工平台”达到国际先进水平,表明新型传感器产业化步伐加快。

“MEMS是目前世界制造业的热点,MEMS以其微型化的优势,在加速度计、陀螺仪、光学MEMS、图像传感器等领域都有相关应用,在军事领域和以汽车、电子、家电等为代表的民用行业有着极为广阔的应用前景。”参与了上述项目的尤政介绍说。

“传感器产业发展和区域产业发展密切相关,因为各个地区有不同的产业优势,在转型升级、产业结构调整过程中有自己的发展战略。”尤政指出,“从中国科研院所角度来讲,政策制定共有三个面向,面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场。主思路就是要和地方经济密切结合起来,根据区域经济发展规划,推动海内外的研究机构、创新型企业到适合的地区来发展。”

系统牵引 迎接挑战

虽然我国传感器产业已由仿制、引进逐步走向自主设计、创新发展阶段,但传感器在我国仍有诸多挑战:高端领域核心技术未掌握,高端人才不足,生产、封装及测试的自动化、规模化能力低,缺少龙头企业,对新技术、新产品、新应用的敏感度低。

阎跃鹏指出:“传感器行业入门容易,但形成大批量产品难,真正具有开发实例的传感器厂家是离不开产品设计、核心芯片,以及信号处理软件算法、封装测试技术与工艺的人才,并且由于传感器种类多,应用领域广泛,国内厂家只顾自家眼前市场和产品,在缺乏核心技术的无自信心理状态下,无暇抢占对手市场,更无心开拓新产品、新领域的应用。”

正是由于传感器行业存在诸多不足,使得“感知中国”提出七年来,物联网并没有带来预期的变革。“每一类传感器从被发现到进入产业大规模应用的年限很长,基本上需要15年到35年。”尤政认为,之所以转化时间长,是因为传感器就是要不断创新来获得竞争力。他认为,“传感器要提高竞争力还是应该以系统为主,要将传感器的信号处理、传输一起来做,系统要做牵引,从跟踪仿制、打牢基础到后来需求方提出系统需求牵引产业发展。”

“无论是国内主张的集成式创新还是国外提出的积木式创新,前提都是基础要好,我国在经济速度放缓的同时究竟要做什么事?”尤政赞同将硬件设备,如传感器等元器件重点发展,“把基础产业搞得更好一些”。

 
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