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未來傳感器技術 “五”趨勢“四”領域

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/7/24     瀏覽次數:    
  近年來,傳感器技術新原理、新材料和新技術的研究更加深入、廣泛,新品種、新結構、新應用不斷涌現。其中,“五化”成為其發展的重要趨勢。

  一是智能化,兩種發展軌跡齊頭并進。一個方向是多種傳感功能與數據處理、存儲、雙向通信等的集成,可全部或部分實現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊,以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能,具有低成本、高精度的信息采集、可數據存儲和通信、編程自動化和功能多樣化等特點。如美國凌力爾特(LinearTechnology)公司的智能傳感器安裝了ARM架構的32位處理器。另一個方向是軟傳感技術,即智能傳感器與人工智能相結合,目前已出現各種基于模糊推理、人工神經網絡、專家系統等人工智能技術的高度智能傳感器,并已經在智能家居等方面得到利用。如NEC開發出了對大量的傳感器監控實施簡化的新方法“不變量分析技術”,并已于今年面向基礎設施系統投入使用。

  二是可移動化,無線傳感網技術應用加快。無線傳感網技術的關鍵是克服節點資源限制(能源供應、計算及通信能力、存儲空間等),并滿足傳感器網絡擴展性、容錯性等要求。該技術被美國麻省理工學院(MIT)的《技術評論》雜志評為對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術之首。目前研發重點主要在路由協議的設計、定位技術、時間同步技術、數據融合技術、嵌入式操作系統技術、網絡安全技術、能量采集技術等方面。迄今,一些發達國家及城市在智能家居、精準農業、林業監測、軍事、智能建筑、智能交通等領域對技術進行了應用。如,從MIT獨立出來的VoltreePowerLLC公司受美國農業部的委托,在加利福尼亞州的山林等處設置溫度傳感器,構建了傳感器網絡,旨在檢測森林火情,減少火災損失。

  三是微型化,MEMS傳感器研發異軍突起。隨著集成微電子機械加工技術的日趨成熟,MEMS傳感器將半導體加工工藝(如氧化、光刻、擴散、沉積和蝕刻等)引入傳感器的生產制造,實現了規?;a,并為傳感器微型化發展提供了重要的技術支撐。近年來,日本、美國、歐盟等在半導體器件、微系統及微觀結構、速度測量、微系統加工方法/設備、麥克風/揚聲器、水平/測距/陀螺儀、光刻制版工藝和材料性質的測定/分析等技術領域取得了重要進展。目前,MEMS傳感器技術研發主要在以下幾個方向:(1)微型化的同時降低功耗;(2)提高精度;(3)實現MEMS傳感器的集成化及智慧化;(4)開發與光學、生物學等技術領域交叉融合的新型傳感器,如MOMES傳感器(與微光學結合)、生物化學傳感器(與生物技術、電化學結合)以及納米傳感器(與納米技術結合)。

  四是集成化,多功能一體化傳感器受到廣泛關注。傳感器集成化包括兩類:一種是同類型多個傳感器的集成,即同一功能的多個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列,組成線性傳感器(如CCD圖像傳感器)。另一種是多功能一體化,如幾種不同的敏感元器件制作在同一硅片上,制成集成化多功能傳感器,集成度高、體積小,容易實現補償和校正,是當前傳感器集成化發展的主要方向。如意法半導體提出把組合了多個傳感器的模塊作為傳感器中樞來提高產品功能;東芝公司已開發出晶圓級別的組合傳感器,并于今年3月發布能夠同時檢測脈搏、心電、體溫及身體活動等4種生命體征信息,并將數據無線發送至智能手機或平板電腦等的傳感器模塊“Silmee”。

  五是多樣化,新材料技術的突破加快了多種新型傳感器的涌現。新型敏感材料是傳感器的技術基礎,材料技術研發是提升性能、降低成本和技術升級的重要手段。除了傳統的半導體材料、光導纖維等,有機敏感材料、陶瓷材料、超導、納米和生物材料等成為研發熱點,生物傳感器、光纖傳感器、氣敏傳感器、數字傳感器等新型傳感器加快涌現。如光纖傳感器是利用光纖本身的敏感功能或利用光纖傳輸光波的傳感器,有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、絕緣性好、體積小、耗電少等特點,目前已應用的光纖傳感器可測量的物理量達70多種,發展前景廣闊;氣敏傳感器能將被測氣體濃度轉換為與其成一定關系的電量輸出,具有穩定性好、重復性好、動態特性好、響應迅速、使用維護方便等特點,應用領域非常廣泛。另據BCCResearch公司指出,生物傳感器和化學傳感器有望成為增長最快的傳感器細分領域,預計2014至2019年的年均復合增長率可達9.7%。

  未來值得關注的四大領域

  隨著材料科學、納米技術、微電子等領域前沿技術的突破以及經濟社會發展的需求,四大領域可能成為傳感器技術未來發展的重點。

  一是可穿戴式應用。據美國ABI調查公司預測,2017年可穿戴式傳感器的數量將會達到1.6億。以谷歌眼鏡為代表的可穿戴設備是最受關注的硬件創新。谷歌眼鏡內置多達10余種的傳感器,包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器、磁力傳感器、線性加速傳感器等,實現了一些傳統終端無法實現的功能,如使用者僅需眨一眨眼睛就可完成拍照。當前,可穿戴設備的應用領域正從外置的手表、眼鏡、鞋子等向更廣闊的領域擴展,如電子肌膚等。日前,東京大學已開發出一種可以貼在肌膚上的柔性可穿戴式傳感器。該傳感器為薄膜狀,單位面積重量只有3g/m2,是普通紙張的1/27左右,厚度也只有2微米。

  二是無人駕駛。美國IHS公司指出,推進無人駕駛發展的傳感器技術應用正在加快突破。在該領域,谷歌公司的無人駕駛車輛項目開發取得了重要成果,通過車內安裝的照相機、雷達傳感器和激光測距儀,以每秒20次的間隔,生成汽車周邊區域的實時路況信息,并利用人工智能軟件進行分析,預測相關路況未來動向,同時結合谷歌地圖來進行道路導航。谷歌無人駕駛汽車已經在內華達、佛羅里達和加利福尼亞州獲得上路行使權。奧迪、奔馳、寶馬和福特等全球汽車巨頭均已展開無人駕駛技術研發,有的車型已接近量產。

  三是醫護和健康監測。國內外眾多醫療研究機構,包括國際著名的醫療行業巨頭在傳感器技術應用于醫療領域方面已取得重要進展。如羅姆公司目前正在開發一種使用近紅外光(NIR)的圖像傳感器,其原理是照射近紅外光LED后,使用專用攝像元件拍攝反射光,通過改變近紅外光的波長獲取圖像,然后通過圖像處理使血管等更加鮮明地呈現出來。一些研究機構在能夠嵌入或吞入體內的材料制造傳感器方面已取得進展。如美國佐治亞理工學院正在開發具備壓力傳感器和無線通信電路等的體內嵌入式傳感器,該器件由導電金屬和絕緣薄膜構成,能夠根據構成的共振電路的頻率變化檢測出壓力的變化,發揮完作用之后就會溶解于體液中。

  四是工業控制。2012年,GE公司在《工業互聯網:突破智慧與機器的界限》報告中提出,通過智能傳感器將人機連接,并結合軟件和大數據分析,可以突破物理和材料科學的限制,并將改變世界的運行方式。報告同時指出,美國通過部署工業互聯網,各行業可實現1%的效率提升,15年內能源行業將節省1%的燃料(約660億美元)。2013年1月,GE在紐約一家電池生產企業共安裝了1萬多個傳感器,用于監測生產時的溫度、能源消耗和氣壓等數據,而工廠的管理人員可以通過iPad獲取這些數據,從而對生產進行監督。
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