2018年01月20日 | 我国工业传感面临的挑战和工业常用传感器分析

传感器技术发展迅速，探测精度提高、制作成本降低、芯片体积减小，应用非常广泛。传感器技术甚至已成我国工业领域发展瓶颈，国产化要求迫切。

传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱，传感器技术优劣成为衡量一个国家科技水平和是否处在国际战略竞争制高点的重要标志，是发达国家高度重视和争相发展的核心基础技术。传感器广泛应用于冶金、石油、化工、电力、交通、水利、新能源、电子、环保、家电、航天、航空、军工武器装备等国民经济及国防、科研等各个领域，关乎并影响技术创新以及国防、经济和社会安全，对于当前产业结构调整与转型升级发挥着重要作用，对于占领战略型新兴产业的制高点具有十分重要的战略意义。

在现代控制系统中，传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置，构成了系统信息输入的主要“窗口”，提供着系统进行控制、处理、决策、执行所必须的原始信息，直接影响和决定着系统的功能。传感器可以直接接触被测对象，也可以间接接触。许多控制系统功能因控制对象的信息难以采集与获取而无法实现，成为系统技术发展与提升的障碍，也成为大数据的来源和采集以及物联网技术与发展的最大障碍。

而随着“工业4.0”概念的深化，全球的传感器市场空间再一次被扩宽。据预测，2016年-2021年，传感器的复合年增长率预计为11%，到2021年市场规模将达到1906亿美元。

小巧玲珑的传感器设备给我们的生活带来巨大冲击。在工业自动化领域，传感器作为机械的触觉，是实现工业自动检测和自动控制的首要环节。尤其在自动化生产过程中，这些毫不起眼却至关重要的设备会将数据流转化为意义重大的决策。

目前，全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家领先企业主导，博世、霍尼韦尔、飞思卡尔、日立等传统电子行业巨头，都把传感器作为未来业务的主要增长点。

工业物联网风云渐起之时，更加带动了数据收集者——传感器的发展。从国家层面看，基于工业化与信息化融合战略，政府大力推进物联网技术向传统行业中的深度渗透，使得传感器成为提升我国现代信息技术、带动产业化发展的最好突破口。从技术层面看，承担着数据采集和传输重任的传感器，通过物联网领域的引导，正在朝着智能化、微型化、集成化、网络化、多功能、低功耗的方向发展。

MEMS传感器面临三大挑战和四大趋势

如今，我国作为全球最大的电子产品生产基地，正消耗着全球四分之一的MEMS器件。但目前，我国大部分MEMS传感器仍依赖进口。国内MEMS传感器也仍以中低端为主，技术相对落后，这一局面将在较长时间里一直存在下去。那么，各家MEMS企业又该如何摆平心态，正视这一挑战，从而寻找其中的发展商机呢？

中国MEMS厂商面临的挑战非常多。首先，缺乏高端研发人员和经验丰富的本土MEMS工程师，导致基础研究落后。同时，MEMS传感器商业化应用周期长，MEMS传感器研发时间更长，这对MEMS企业的耐心、远见是一个很大挑战。

另一方面，中国MEMS产业链在竞争方面，力量还较薄弱，没有产生在国际市场上具有领导地位的企业。MEMS传感器和IC芯片一样，具有很强的规模效应，国内企业出货量上不去，导致整个产业链，例如前端流片等环节加工能力薄弱，一致性、生产重复性都不能满足设计加工工艺要求。因此，整个MEMS产业链均处于投入阶段，盈利比较困难，产生了恶性循环。

此外，价格下滑导致MEMS厂商盈利困难。MEMS传感器产品的价格，并非与产品的重要性或开发难度成正比。例如，据统计数据显示，从应用广泛和竞争激烈的陀螺仪和加速度传感器市场来看，价格每季度下跌3％至5％，系统厂商对于MEMS产品需求量很大，但是它们也已经把价格杀到MEMS厂商难以为继的地步。

四大趋势：新兴器件、新应用、颠覆性技术、新设计

面对上述挑战，国内MEMS厂商如何树立信心，寻求机遇呢？

首先必须承认，中国是最大电子生产和消费大国，终端消费市场巨大，该优势应该可以给各家MEMS厂商给予一定信心。而且受物联网市场驱动，MEMS传感器的市场增量将相当可观。另外，MEMS传感器产品多样，也有巨大的创新空间。

MEMS传感器制造需要依赖发达的半导体微加工技术

另一方面，根据MEMS传感器的特点，MEMS传感器一直依赖于使用基于半导体的微加工技术来制造器件，以取代更为复杂、笨重或不敏感的传感器。据此，未来将有四大趋势改变MEMS市场格局。它们分别是：新兴器件、新应用、颠覆性技术、新设计。

简单来说就是：新兴器件，如微镜和环境组合传感器；新应用，如压力传感器应用于位置或高度感测；颠覆性技术，包括封装、新材料，如压电薄膜和300mm/12寸晶圆；新的设计，包括NEMS纳机电系统和光学集成技术。

物联网是我国未来十年的核心发展战略，MEMS传感器则是物联网中不可或缺的一环，下一个十年，会涌现出远比现在主流MEMS传感器更有市场前景的MEMS产品，期待中国MEMS产业能跻身世界前列。 

工业领域常用的传感器分析

按被测量对象分为内部传感器和外部传感器。

内部信息传感器主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化。

外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。

超声波传感器

按传感器能量源

可分为有源传感器和无源传感器。

1）无源传感器：不需外加电源。而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型;

例如：

光电传感器能将光射线转换成电信号，其原理类似太阳能电池;

压电传感器能够将压力转换成电压信号;

热电传感器能将被测温度场的能量（热能）直接转换成为电压信号的输出等等。

2）有源传感器：需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式）。

按作用形式

可分为主动型和被动型传感器。

主动型传感器，此种传感器对被测对象能发出一定探测信号，能检测探测信号在被测对象中所产生的变化，或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号。

1）检测探测信号变化方式的称为作用型

2）检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型。

雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例，而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例。

被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号，如红外辐射温度计、红外摄像装置等。

按外界输入的信号变换为电信号采用的效应

可分为物理型传感器、化学型传感器和生物型传感器三大类　

物理型传感器又可以分为结构型传感器和物性型传感器。

结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并将其转换为电信号实现测量的。例如：

电容式压力传感器

必须有按规定参数设计制成的电容式敏感元件，当被测压力作用在电容式敏感元件的动极板上时，引起电容间隙的变化导致电容值的变化，从而实现对压力的测量。

物性型传感器就是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受（敏感）被测量，并转换成可用电信号的传感器。例如：

压电式压力传感器

利用具有压电特性的石英晶体材料制成的压电式压力传感器，就是利用石英晶体材料本身具有的正压电效应而实现对压力测量的;

压阻式传感器

利用半导体材料在被测压力作用下引起其内部应力变化导致其电阻值变化制成的压阻式传感器，就是利用半导体材料的压阻效应而实现对压力测量的。

一般而言，结构型传感器强调要依靠精密设计制作的结构才能保证其正常工作;而物性型传感器则主要依靠材料本身的物理特性、物理效应来实现对被测量的敏感。

化学传感器是利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子传感器，即利用离子选择性电极，测量溶液的pH值或某些离子的活度，如K+，Na+，Ca2+等。电极的测量对象不同，但其测量原理基本相同。

离子烟雾传感器

主要是利用电极界面（固相）和被测溶液（液相）之间的电化学反应，即利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生的电位差。所产生的电位差与被测离子活度对数成线性关系，故检测出其反应过程中的电位差或由其影响的电流值，即可给出被测离子的活度。

化学传感器的核心部分是离子选择性敏感膜。膜可以分为固体膜和液体膜。玻璃膜、单晶膜和多晶膜属固体膜;而带正、负电荷的载体膜和中性载体膜则为液体膜。

化学传感器广泛应用于化学分析、化学工业的在线检测及环保检测中。

生物传感器是一种利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功能识别能力。

生物传感器主要由两大部分组成。

其一是功能识别物质，其作用是对被测物质进行特定识别。

这些功能识别物有酶、抗原、抗体、微生物及细胞等。用特殊方法把这些识别物固化在特制的有机膜上从而形成具有对特定的从低分子到大分子化合物进行识别功能的功能膜。

其二是电、光信号转换装置，此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。

生物传感器的最大特点是能在分子水平上识别被测物质，不仅在化学工业的监测上，而且在医学诊断、环保监测等方面都有着广泛的应用前景。

关于传感器，由于敏感材料和传感器的数量特别多，类别十分繁复，相互之间又有着交叉和重叠，这里就不再赘述。