傳感器與計算機、通信被稱為信息系統(tǒng)的三大支柱，傳感器技術(shù)優(yōu)劣成為衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰(zhàn)略競爭制高點的重要標(biāo)志，是發(fā)達(dá)國家高度重視和爭相發(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)濟及國防、科研等各個領(lǐng)域，關(guān)乎并影響技術(shù)創(chuàng)新以及國防、經(jīng)濟和社會安全，對于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮著重要作用，對于占領(lǐng)戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)的制高點具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

 

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，傳感器處于連接被測對象和測試系統(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對象，也可以間接接觸。許多控制系統(tǒng)功能因控制對象的信息難以采集與獲取而無法實現(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，全球的傳感器市場空間再一次被擴寬。據(jù)預(yù)測，2016年-2021年，傳感器的復(fù)合年增長率預(yù)計為11%，到2021年市場規(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)自動化領(lǐng)域，傳感器作為機械的觸覺，是實現(xiàn)工業(yè)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。尤其在自動化生產(chǎn)過程中，這些毫不起眼卻至關(guān)重要的設(shè)備會將數(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。

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)云漸起之時，更加帶動了數(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

 

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)相對落后，這一局面將在較長時間里一直存在下去。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)驗豐富的本土MEMS工程師，導(dǎo)致基礎(chǔ)研究落后。同時，MEMS傳感器商業(yè)化應(yīng)用周期長，MEMS傳感器研發(fā)時間更長，這對MEMS企業(yè)的耐心、遠(yuǎn)見是一個很大挑戰(zhàn)。

 

另一方面，中國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈在競爭方面，力量還較薄弱，沒有產(chǎn)生在國際市場上具有領(lǐng)導(dǎo)地位的企業(yè)。MEMS傳感器和IC芯片一樣，具有很強的規(guī)模效應(yīng)，國內(nèi)企業(yè)出貨量上不去，導(dǎo)致整個產(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)計加工工藝要求。因此，整個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，價格下滑導(dǎo)致MEMS廠商盈利困難。MEMS傳感器產(chǎn)品的價格，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)計數(shù)據(jù)顯示，從應(yīng)用廣泛和競爭激烈的陀螺儀和加速度傳感器市場來看，價格每季度下跌3％至5％，系統(tǒng)廠商對于MEMS產(chǎn)品需求量很大，但是它們也已經(jīng)把價格殺到MEMS廠商難以為繼的地步。

 

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

 

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

 

首先必須承認(rèn)，中國是最大電子生產(chǎn)和消費大國，終端消費市場巨大，該優(yōu)勢應(yīng)該可以給各家MEMS廠商給予一定信心。而且受物聯(lián)網(wǎng)市場驅(qū)動，MEMS傳感器的市場增量將相當(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，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，未來將有四大趨勢改變MEMS市場格局。它們分別是：新興器件、新應(yīng)用、顛覆性技術(shù)、新設(shè)計。

 

簡單來說就是：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；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，包括NEMS納機電系統(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)，下一個十年，會涌現(xiàn)出遠(yuǎn)比現(xiàn)在主流MEMS傳感器更有市場前景的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(nèi)部傳感器和外部傳感器。

 

內(nèi)部信息傳感器主要檢測系統(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系統(tǒng)的外部環(huán)境狀態(tài)，它有相對應(yīng)的接觸式（觸覺傳感器、滑動覺傳感器、壓覺傳感器）和非接觸式（視覺傳感器、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源傳感器。

 

1）無源傳感器：不需外加電源。而是將被測量的相關(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，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;

 

熱電傳感器能將被測溫度場的能量（熱能）直接轉(zhuǎn)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

 

可分為主動型和被動型傳感器。

 

主動型傳感器，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(yīng)而形成信號。

 

1）檢測探測信號變化方式的稱為作用型

 

2）檢測產(chǎn)生響應(yīng)而形成信號方式的稱為反作用型。

 

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

 

被動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(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）被測量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號實現(xiàn)測量的。例如：

 

電容式壓力傳感器

 

必須有按規(guī)定參數(shù)設(shè)計制成的電容式敏感元件，當(dāng)被測壓力作用在電容式敏感元件的動極板上時，引起電容間隙的變化導(dǎo)致電容值的變化，從而實現(xiàn)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(nèi)在特性及效應(yīng)感受（敏感）被測量，并轉(zhuǎn)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(yīng)而實現(xiàn)對壓力測量的;

 

壓阻式傳感器

 

利用半導(dǎo)體材料在被測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)而實現(xiàn)對壓力測量的。

 

一般而言，結(jié)構(gòu)型傳感器強調(diào)要依靠精密設(shè)計制作的結(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)來實現(xiàn)對被測量的敏感。

 

化學(xué)傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機或有機化學(xué)的物質(zhì)成分、濃度等轉(zhuǎn)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(yīng)，即利用電極對溶液中離子的選擇性響應(yīng)而產(chǎn)生的電位差。所產(chǎn)生的電位差與被測離子活度對數(shù)成線性關(guān)系，故檢測出其反應(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(xì)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(zhuǎn)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(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘枴?/div>