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    傳感器技術作為信息技術的三大基礎之一,是當前各發達國家競相發展的高新技術,是進入21世紀以來優先發展的十大頂尖技術之一。傳感器技術所涉及的知識領域非常廣泛,其研究和發展也越來越多地和其他學科技術的發展緊密聯系。本文描述了傳感器技術的發展現狀,綜述了近幾年世界高端前沿的MEMS傳感器技術的主要研究狀況,并通過簡述當前的我國傳感器發展狀況,展望了現代傳感器技術的發展和應用前景。

    1. 國際發展現狀

    美國早在20世紀80年代就認為世界已進入了傳感器時代,成立了國家技術小組(BTG),幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業部門的傳感器技術開發工作,美國國家長期安全和經濟繁榮至關重要的22項技術中有6項與傳感器信息處理技術直接相關。日本把開發和利用傳感器技術作為國家重點發展6大核心技術之一。日本科學技術廳制定的上世紀90 年代重點科研項目中有70 個重點課題,其中有18 項是與傳感器技術密切相關。傳感器與通信、計算機被稱為現代信息系統的三大支柱。因其技術含量高、滲透能力強,以及市場前景廣闊等特點,引起了世界各國的廣泛重視。

    傳感器在資源探測,海洋,環境監測,安全保衛,醫療診斷,家用電器,農業現代化,等領域都有廣泛利用。在軍事方面,美國已為自己的F-22戰機裝備了新型的多譜傳感器,實現了全被動式搜索與跟蹤,可在諸如有霧、煙或雨等各種惡劣天氣情況下使用,不僅可以全天候作戰,還提高了隱身能力。英國在航天飛機上使用的傳感器約有100多種,總數達到4000多個,用于監測航天器的信息,驗證設計的正確性,并可以在遇到問題時作出診斷。日本則在“雷達4號”衛星上安裝了傳感器,可全天候對地面目標進行拍攝。

    在世界范圍內傳感器增長最快是汽車市場需求 ,還有通信市場。汽車電子控制系統水平關鍵在于采用傳感器數量水平,目前一臺普通家用轎車安裝幾十到上百個傳感器,豪華轎車傳感器數量達到200 多。我們國家是汽車生產大國,年產汽車一千多萬輛,但是汽車用的傳感器幾乎被國外壟斷。

    2.傳感器趨勢

    隨著我們對事物的新認識,科技的不斷發展,傳感器技術大體上也經歷了3個時代:

    1代是結構型傳感器,它利用結構參量變化來感受和轉化信號。 例如: 電阻應變式傳感器,它是利用金屬材料發生彈性形變時電阻的變化來轉化電信號的。

    2代傳感器是70 年代開始發展起來的固體傳感器, 這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成的。 如:利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應, 分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。70 年代后期, 隨著集成技術、分子合成技術、微電子技術及計算機技術的發展, 出現集成傳感器。集成傳感器包括2 種類型:傳感器本身的集成化和傳感器與后續電路的集成化。例如: 電荷耦合器 件( CCD) , 集成溫度傳感器AD 590,集成霍爾傳感器UG 3501等。這類傳感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口靈活等特點。 集成傳感器發展非常迅速, 現已占傳感器市場的2/ 3 左右,它正向著低價格、多功能和系列化方向發展。

    3代傳感器是80年代剛剛發展起來的智能傳感器。 所謂智能傳感器是指其對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力, 是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物。 80年代智能化測量主要以微處理器為核心,把傳感器信號調節電路、微計算機、存貯器及接口集成到一塊芯片上, 使傳感器具有一定的人工智能。 90年代智能化測量技術有了進一步的提高,在傳感器一級水平實現智能化, 使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。

    新技術的層出不窮,讓傳感器的發展呈現出新的特點。傳感器與MEMS(微機電系統)的結合,已成為當前傳感器領域關注的新趨勢。

     

    目前美國相關機構已經開發出了名為“智能灰塵”的MEMS傳感器。這種傳感器的大小只有1.5立方毫米,重量只有5毫克,但是卻裝有激光通信、CPU、電池等組件,以及速度、加速度、溫度等多個傳感器。以往做這樣一個系統,尺寸會非常大,智能灰塵尺寸如此之小,卻可以自帶電源、通信,并可以進行信號處理,可見傳感器技術進步速度之快。MEMS傳感器目前已在多個領域有所應用。比如,很多人使用的iPhone手機中就裝有陀螺儀、麥克風、電子快門等多個MEMS傳感器;耐克公司推出的一款“智能鞋墊”也內置了MEMS傳感器,可以記錄用戶運動的數據,并與手機連接將數據上傳。此外,MEMS傳感器在醫療領域也發揮著重要的作用。比如患者在測量眼壓時可能因過于緊張,導致眼壓很難測準的情況出現。而利用MEMS傳感器技術,將眼壓計內嵌到隱形眼鏡中,這樣就可以更方便地對患者進行監測,測量出來的數據也更為準確。

    除了與微機電系統結合,傳感器還與仿生信息學結合,并產生了諸多新的應用。法國已研制出了模仿人類眼睛的視覺晶片,可以模仿人類眼睛的能力,分辨不同顏色,并觀測動作。奔騰處理器每秒能處理數百萬項指令,這種視覺晶片每秒能處理大約兩百億項指令。這種仿生視覺晶片將會引起感測與成像的革命,并在國防領域得到廣泛的應用。

    3.我國傳感器發展狀況

    我國早在20 世紀60年代開始涉足傳感器制造業,“八五”期間,我國將傳感器技術列為國家重點科技攻關項目,建成了“傳感器技術國家重點實驗室”、“國家傳感器工程中心”等研究開發基地。而且MEMS等研究項目列入了國家高新技術發展重點。目前,傳感器產業已被國內外公認為具有發展前途的高技術產業,它以技術含量高、經濟效益好、滲透力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。我們國家工業現代化進程和電子信息產業20%以上速度高速增長,帶動傳感器市場快速上升。我們國家手機產量突破7.5億,手機市場增長給傳感器市場帶來新機遇,該領域占的傳感器領域占市場1/4。我國是白電生產大國,2009年總產量達到3億多臺,用的傳感器占市場1/5,傳感器在醫療環保專業設備當中應用高速增長,占市場份額 15%左右。

    與此同時,我國在傳感器發展方面的問題也日益突出。我國雖然傳感器企業眾多,但大都面向中低端領域,技術基礎薄弱,研究水平不高。許多企業都是引用國外的芯片加工,自主研發的產品較少,自主創新能力薄弱,在高端領域幾乎沒有市場份額。此外,科研院所在傳感器技術的研究方面已與國際接軌,但產業化瓶頸遲遲未能突破。目前我國從事傳感器技術研發的主要是高校、中科院和相關部委的研究機構,企業的技術實力較弱,很多是與國外合作,或是進行二次封裝。而在發達國家,傳感器的研發和產業化更多由企業來主導。那么,我國的傳感器產業該如何突破當前的發展瓶頸?

    近年來,我國也不斷提高對傳感器產業的重視,并出臺了一系列政策推進其發展。2011年7月出臺的《中國電子元件“十二五”規劃》指出,“十二五”期間將投資5000億元,主要集中在新型電子元件的研發和產業化領域。而在今年2月由工信部等四部委聯合印發的《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業發展行動計劃》中,還制定了具體的產業發展目標,并給出了2013年至2025年的發展路線圖。

    根據國家規劃,未來將在傳感器領域建立超百億元的創新產業集群,以及產值超過10億元的行業龍頭和產值超過5000萬元的小而精的企業。

    對于上述目標的實現,應該從兩方面入手,一是要走產業化的道路,二是要采取整體解決方案的模式。

    在傳感器技術的產業化方面,除了需要成熟的市場和產品,以及充足的資本和人才,志在長遠的經營理念,也是傳感器產業化成功的基礎。傳感器研發和推廣的周期比較長,想短期見到效果往往比較難。傳感器雖然是關鍵器件,技術含量很高,但需要依存于其他的系統和具體的應用,本身很難形成很大的產值和規模。因此,他建議從核心元器件入手,向下游產業鏈進行延伸,并為客戶提供整體的解決方案。通過這種整體解決方案的模式,我們能夠得到第一手的用戶體驗信息,并根據這些信息對傳感器進行完善和改進。同時,由于末端應用的利潤比較高,企業可以把在末端應用賺來的錢,投入到前端的核心技術研發上,這樣研發也有了后續的力量。

    4.結束語

    當前技術水平下的傳感器系統正向著微小型化、智能化、多功能化和網絡化的方向發展。今后,隨著CAD技術、MEMS技術、信息理論及數據分析算法的繼續向前發展,未來的傳感器系統必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統化。在各種新興科學技術呈輻射狀廣泛滲透的當今社會,作為現代科學“耳目”的傳感器系統,作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎,必將進一步得到社會各界的普遍關注。我國加大研發新型傳感器力度,追上其他科技發達國家,其意義長遠

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