当传感器进入中国工业

　　近年来，在新能源汽车、工业自动化、医疗、环保、消费等领域智能化、数字化需求的持续带动下，全球传感器市场规模保持稳步增长，为智能传感器的发展奠定了产品基础。同时，新能源汽车产量增加、智能家居渗透率不断提升、5G基站持续大规模建设等，带动了中国传感器市场规模上升，增速高于全球水平。

　　于工业智能化进程发挥重要作用

　　作为能与通信技术、计算机技术并列的现代信息技术三大支柱之一，传感器技术在工业发展中的重要性不言而喻。我国也在“十四五”规划纲要中明确提出，要聚焦传感器等关键领域，加快推进基础理论、基础算法、装备材料等研发突破与迭代应用。

　　当前，工业领域正逐步向智能化方向迈进，而传感器在其中发挥的作用，可以概括为感知、监测、预防性维护三个层面。

　　1）精准感知，推动自动化升级

　　传感器作为信息获取的神经，负责感知环境中的实时数据，并将其转化为可处理的信号。通过使用各类传感器，工业设备能够实时获取温度、压力、湿度等参数，为生产过程的监测和控制提供了精准的基础数据。这些数据可驱动自动化系统的运行，从而提高生产效率和稳定性。

　　2）实时监测，提高生产效率，减少事故风险

　　传感器的部署使得工厂能够实现实时监测和远程控制。例如，在生产线上使用压力传感器，可以实时检测管道中的压力波动，并在异常情况下及时发出警报。这种实时监测能帮助企业快速发现并解决问题，进一步提高生产效率。传感器的广泛应用使得工业环境的监测更加全面和精确。例如，在化工厂中使用气体传感器，可以实时监测有害气体浓度，一旦超出安全范围即可采取相应措施，有效降低事故风险。

　　3）预防设备故障，提升设备可靠性

　　通过在设备中集成振动、温度、声音、电流、液位等传感器，能够实时监测设备的运行状态，通过对传感器输出数据进行分析，可以诊断工厂设备的健康状况。此诊断可用于警报管理、设备的预测性维护以及更有效的维护巡逻。越来越多的企业认识到传统维护方式的高成本，因此开始采用预测性维护来减轻被动维护带来的压力和成本。预测性维护的传感器技术有望彻底改变预防性维护的处理方式，并进一步提高设备性能。

　　在中国的发展历程及现状

　　现代传感器制造是上世纪60年代正式落地于我国，但其实早在中国古代，我国已有了一些传感器的应用及发明。例如指南针（也称“司南”）以地球磁场为感应指明方向，后来传入欧洲后普遍应用在航海事业，此外还有地动仪、日冕等。

　　改革开放30年来，我国传感器技术及其产业取得了长足进步，例如建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地；MEMS、MOEMS（微光机电系统）等研究项目列入了国家高新技术发展重点；在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩，初步建立了敏感元件与传感器产业等。

　　目前，中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，据十多位专家、学者在《中国传感器（技术、产业）发展蓝皮书》中的总结，我国传感器（技术、产业）发展呈现以下七大趋势：

　　1）系统化

　　指不把传感器或传感技术作为一种单独器件或技术考虑，而是按照信息论和系统论要求，应用工程研究方法，强调传感器和传感技术发展的系统性和协同性。

　　将传感器置于信息识别和处理技术的一个重要组成部分，将传感技术与计算机技术、通信技术协同发展。必须系统地考虑传感技术、计算技术、通信技术之间的独立性、相融性、依存性。而智能网络化传感器正是这种发展趋势的主要标志之一。

　　2）创新性

　　主要包括利用新原理、新效应、新技术。如利用纳米技术制作纳米传感器，与传统传感器相比，尺寸减小、精度提高、性能大大改善，为传感器的制作提供了许多新方法。

　　利用新材料开发新型传感器，如利用纳米材料，制作的钯纳米112传感器、金纳米聚合物传感器、碳纳米聚合物传感器、电阻应变式纳米压力传感器。

　　利用纳米材料的巨磁阻效应，科学家们己经研制出各种“纳米磁敏传感器”。研发特种用途、特种环境、特殊工艺的传感器。如在高温、高压、耐腐蚀、强辐射等环境下的传感器。以及利用3D打印技术的传感器，柔性传感器，量子传感器等。

　　3）微型化

　　在自动化和工业应用领域，要求传感器本身的体积越小越好。传感器的微型性是指敏感元件的特征尺寸为“毫米（mm）—微米（um）—纳米（nm）”类传感器。这类传感器具有尺寸上的微型性和性能上的优越性，要素上的集成性和用途上的多样性，功能上的系统性和结构上的复合性。

　　4）智能化

　　传感器的智能化是指传感器具有记忆、存储、思维、判断、自诊等人工智能。其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微处理器后的数字信号，甚至具有执行控制功能。

　　技术发展表明，数字信号处理器（DSP）将推动众多新型下一代传感器产品的发展。随着5G通信、大数据、AR、VR、云计算等的发展，以及机器人内动驾驶、人工智能等新技术应用，世界从原有的电了时代进入智能时代，传感器也迎来一个新的智能化时代。当前，智能传感器正广泛应用于消费电子、新型高端汽车、工业检测与控制、智能医用、智能农业、智能交通等领域。

　　据了解，美国圣何塞的Accenture实验室已研究出一种名为“智能尘埃”的传感器。该传感器极其微小，能测温度、湿度、光等参数。传感器中嵌入了微处理器、软件代码、无线通信系统等，可以喷洒到树上或其他物体上，当检测到异常时，能发出信号，对所在地区进行监测。

　　5）无源化

　　传感器多为非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往用电池或太阳能供电，研制微功耗的无源传感器是必然的发展方向，既节省能源，又能提高系统寿命。

　　6）网络化

　　网络化是指传感器在现场实现TCP/IP协议，使现场测控数据就近登临网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享信息。要使网络化传感器成为独立节点，关键是网络接口标准化。目前己有“有线网络化传感器”和“无线网络化传感器”。

　　无线传感器网络是由布设在无人值守的监控区内，具有通信与计算能力的微小传感器节点组成，根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络是一种测控网络。

　　7）产业化

　　加速形成传感器从研发到产业化生产的发展模式，揭示传感器产业化规律，成本、价格之间的辩证关系，产业化是中国传感器真正走出象牙之塔的关键之步。

　　随着传感器产业在我国蓬勃发展而来的还有不容忽视的风险，例如关键核心技术未能突破，产业化难点未能解决，高端核心传感器依赖进口；国内高档传感器的应用市场几乎被国外垄断；一些高端传感器，国外对中国明确禁运等。

　　行业未来可期

　　2023年6月，据中国科学院消息，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室易建新副教授课题组在多维探测和识别的气体传感器方面取得进展。据悉，研究人员提出了一种化学电阻-电位型多变量传感器，实现了单一传感器对多种气体和火灾特征的三维探测和准确识别。低浓度气体的高灵敏探测和准确识别对于公共安全、环境保护、健康诊断和工业生产等诸多应用具有重要意义。相比于气相色谱和质谱等传统气相分析技术，气体传感器具有成本低、尺寸小、易集成和实时监测等优点，有利于大规模应用。

　　但是，常规传感器仅输出单一信号，不能识别气体，因此探测准确性低，在实用中易受其它气体或环境湿度等干扰而引起误报或漏报。这一问题严重限制了气体传感器的应用。

　　研究人员首先利用半导体氧化物电极在表面和界面上不同的响应机制，在同一电极上成功提取出化学电阻和电位两种不同原理的传感信号，并进一步配对获得了输出三个独立响应信号的双敏感电极传感器。得益于钙钛矿非常规的反向电位响应，传感器的气敏性能得到了显著提高，实现了2-乙基己醇、一氧化碳等多种危险和火灾特征气体的（亚）ppm级三维探测和准确识别，并展现出在火灾危险早期预警方面的应用潜力。

　　据介绍，这种兼具探测和识别功能的多变量气体传感器简单、高效、成本低，可适用于不同半导体材料电极和固体电解质基底，工作温度范围宽，并可进一步拓展获得更高维度的响应，为复杂环境中气体的高灵敏和准确探测提供了新思路。

　　由此，我们相信，尽管风险仍然难以避免，但是随着制造业智能制造的推进，以及物联网、人工智能、工业元宇宙、云计算、大数据等技术的迅猛发展和广泛应用，传感器行业必将获得更大的发展潜力，迎来新一轮的机遇。

　　（本文综合整理自猎芯视角、设备工程、罗姆半导体社区以及《中国传感器（技术、产业）发展蓝皮书》）