傳感器越來(lái)越多地被應用到社會(huì )發(fā)展及人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，作為物理世界和數字世界的橋梁，市場(chǎng)應用凸顯獨特優(yōu)勢。近年來(lái)，國家支持發(fā)展政策密集出臺，傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)高度關(guān)注。
而隨著(zhù)信息技術(shù)研發(fā)的持續深入，成本的下降、性能和可靠性的提升，在物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和高端裝備制造快速發(fā)展的推動(dòng)下，傳感器在工業(yè)及汽車(chē)電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品專(zhuān)用設備四大領(lǐng)域的典型應用市場(chǎng)發(fā)展迅速。毫無(wú)疑問(wèn)，搭乘物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快車(chē)，傳感器的應用發(fā)展正以超乎我們想象的速度飛速發(fā)展，不斷刷新我們的認知。
上一期，我們邀請了業(yè)內資深專(zhuān)家，請他圍繞傳感器典型應用之碳中和、新能源汽車(chē)、環(huán)境監測等三大領(lǐng)域，談到其中的傳感器應用技術(shù)和未來(lái)前景。（點(diǎn)擊藍字標題進(jìn)入閱讀聚焦三大領(lǐng)域，觸發(fā)傳感器萬(wàn)億市場(chǎng)爆發(fā)力）。
這一期，我們邀請業(yè)內資深專(zhuān)家圍繞光電傳感器技術(shù)、柔性傳感器技術(shù)、MEMS技術(shù)、感知算法技術(shù)等4大傳感行業(yè)技術(shù)主題，深入探析其背后的技術(shù)原理、應用前景和市場(chǎng)規模。以下內容為專(zhuān)家所述精要，以饗讀者。
01光電傳感器技術(shù)，2024年市場(chǎng)規模將超300億元
光電技術(shù)傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，將被測量的物理量變化轉換成光信號的變化，然后由光電元件將光信號轉換成電信號。光電傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢呈現高集成化、低功耗、微型化、智能化和高靈敏性的特征。其中高度集成化技術(shù)呈現出在同一襯底上集成多種敏感元器件，制成能夠檢測多個(gè)參量且多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
光電傳感器的微型化技術(shù)，主要是指敏感元件的特征尺寸為微米(um)—納米(nm)的微小和性能上的優(yōu)越，在構成要素上集成和用途上的多樣性，功能上又具有系統性和結構的復合性，這就需要有新機理、新結構和新功能的高端微型系統的技術(shù)突破，其制備工藝涉及MEMS技術(shù)、IC技術(shù)、激光技術(shù)、精密超細加工技術(shù)等。
另外，光電技術(shù)傳感器的細分領(lǐng)域還包括熱釋電紅外傳感器，熱釋電紅外傳感器以非接觸形式檢測紅外線(xiàn)能量的變化，將其轉換成電信號輸出，傳感器本身不發(fā)出任何輻射，而且器件功耗小，有很強的抗干擾性。
該細分領(lǐng)域有較高的生產(chǎn)技術(shù)壁壘，一般企業(yè)缺乏自主生產(chǎn)紅外濾光片與紅外敏感陶瓷這兩種核心材料的技術(shù)能力，少數幾家擁有紅外濾光片與紅外敏感陶瓷材料配方技術(shù)及生產(chǎn)制備能力的企業(yè)，占據熱釋電紅外傳感器領(lǐng)域內絕大部分市場(chǎng)份額。
目前我國光電傳感器市場(chǎng)規模約為94.7億元。預計未來(lái)5年，我國光電傳感器市場(chǎng)將保持28.0%左右的增速增長(cháng)，到2024年市場(chǎng)規模將達到325億元左右。
02柔性傳感器技術(shù)，中國大陸專(zhuān)利數量位居全球前列
柔性傳感器具有可以拉伸、壓縮、彎曲，以及能夠無(wú)隙貼覆在非平整被測物表面的特點(diǎn)，使其在可穿戴電子、智能機器人、健康檢測、仿生電子皮膚、人機交互等領(lǐng)域具有非常好的應用前景。
柔性傳感器技術(shù)是將有機或無(wú)機材料電子器件制作在柔性或可延性基板上的一種新興電子技術(shù)，這種柔性電子技術(shù)不僅保持了電子產(chǎn)品的性能和可靠性，還擴展了傳感器的適用范圍，表現在厚度、重量、色彩、耐用性方面的明顯優(yōu)勢，同時(shí)柔性電子對柔性基底材料的要求較高，常見(jiàn)的柔性材料有聚乙烯醇（PVA）、聚酰亞胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、聚酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。
目前應用較多的柔性傳感器主要有柔性圖像感應陣列、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性壓力傳感器、柔性溫度傳感器等。
柔性圖像感應陣列的光敏性是柔性成像傳感系統，涉及的新材料包括納米線(xiàn)、納米帶、2D材料和納米復合材料，由此制造的高感測性能光電探測器能夠實(shí)現快速響應和寬帶寬，是生物健康監測和測控的技術(shù)核心。
柔性氣體傳感器在電極表面布置對氣體敏感的薄膜材料，具有更高的敏感性和相對簡(jiǎn)便的制作工藝，這很好地滿(mǎn)足了特殊環(huán)境下氣體傳感器的便攜、低功耗等需求，打破了以往氣體傳感器不易攜帶、測量范圍不全面、量程小、成本高等不利因素，比如對乙醇氣體在汽車(chē)電子中進(jìn)行簡(jiǎn)單精確的檢測應用。
柔性濕度傳感器以低成本、低能耗、易于制造和易集成到智能系統制造等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛研究，制作該類(lèi)柔性濕度傳感器的基底材料與其他柔性傳感器類(lèi)似，制造濕度敏感膜的方法也有很多，包括浸涂、旋轉涂料、絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等。
柔性濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類(lèi)，當空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電容值都發(fā)生變化，從而測量濕度，其一般是用高分子薄膜制成。常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。
作為新一代電子技術(shù)，柔性傳感器技術(shù)發(fā)展潛力巨大，受到了美日韓等多個(gè)國家的高度關(guān)注，全球柔性電子研發(fā)熱情較高，其中美國、中國大陸、日本關(guān)于柔性電子的專(zhuān)利數量位居全球前列。
03MEMS技術(shù)，實(shí)現多功能集成傳感器
MEMS (Micro-ElectroMechanical System)技術(shù)是指可批量制作的，將微型機構、微型傳感單元、微型執行器以及信號處理和控制電路、數據接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。它是以半導體制造技術(shù)為基礎發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的傳感器制造工藝，利用傳統的半導體工藝和材料，在芯片上微米級制造微型機械，并將其與電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)。
目前，我國MEMS產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，具有一定知名度和出貨量的本土MEMS企業(yè)仍然屈指可數，逐鹿中國市場(chǎng)的主要競爭者仍以跨國企業(yè)為主。我國MEMS傳感器產(chǎn)品在精度和靈敏度等性能指標上與國外存在一定差距，應用范圍也多局限于傳統領(lǐng)域。
近年來(lái)，傳感器基于MEMS技術(shù)，通過(guò)把微米級的敏感單元、信號處理器、數據處理器件封裝在一塊芯片上，通過(guò)硅基與微納加工工藝進(jìn)行批量制造，發(fā)展趨勢向著(zhù)無(wú)源化、材料多樣化、微型化、低功耗和集成智能化方向逐步深化，其中材料多樣化是指材料合成技術(shù)及制造工藝的多樣化，例如有研究人員將氧化鋯功能陶瓷、軟磁薄膜和薄帶材料、光纖材料、生物材料等新型材料用于制造MEMS傳感器。因此，MEMS傳感器的應用不僅涉及工業(yè)、航天航空等傳統行業(yè)領(lǐng)域，而且在可穿戴設備、未來(lái)醫療、人工智能以及汽車(chē)電子等領(lǐng)域的傳輸底層架構均要依賴(lài)MEMS傳感器來(lái)布局。
由于智能化終端產(chǎn)品對傳感器結構、尺寸、性能的嚴苛要求，MEMS傳感器之間開(kāi)始實(shí)現融合與協(xié)同，在同一襯底上集成多種敏感元器件，制成能夠檢測多種變化、輸出多個(gè)信號的集成 MEMS傳感器。通過(guò) MEMS技術(shù)實(shí)現不同的多個(gè)傳感器的集成，形成微傳感器陣列或微系統，發(fā)揮其協(xié)同作用，提高信息甄別和收集能力，多功能集成傳感器，包括多類(lèi)環(huán)境傳感器集成（氣壓傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器、噪聲傳感器等）、多類(lèi)慣性傳感器集成（加速度計、陀螺儀、磁傳感器等）以及特定終端產(chǎn)品對器件集成的要求，例如蘋(píng)果發(fā)布的iWatch智能手表至少整合10種以上的傳感器，而谷歌眼鏡更是內置了包括加速度、磁力、線(xiàn)性加速、陀螺儀等多種傳感器類(lèi)型。
04感知算法技術(shù)，讓傳感器更智能
值得關(guān)注的是軟件和算法技術(shù)正成為MEMS傳感器的重要組成部分，隨著(zhù)多種傳感器的系統集成，越來(lái)越多的數據需要處理，軟件集成使得多種數據融合成為可能，開(kāi)發(fā)具有軟件融合功能的智能MEMS傳感器，以促進(jìn)MEMS傳感器在人工智能領(lǐng)域應用。
而傳感器感知算法技術(shù)的基礎是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構和多傳感器數據融合算法，主要來(lái)自于面部識別、語(yǔ)音命令、眼球追蹤、手勢控制和自動(dòng)駕駛等技術(shù)應用，通過(guò)軟件技術(shù)可實(shí)現高精度的信息采集，具有一定的編程自動(dòng)化能力，多傳感器將檢測到的各種物理量按照指令處理這些數據，創(chuàng )造出新數據，完成分析和統計計算，形成硬件和軟件的共生演化。
傳感器感知算法技術(shù)的難點(diǎn)在于數據精度和數據實(shí)時(shí)性，這要求應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、深度學(xué)習算法、最優(yōu)化算法、邊緣計算和基于概率方法的預測、估值算法等進(jìn)行數據處理和數據融合的深度研究。由麥克風(fēng)陣列、圖像傳感器集成軟件系統的多傳感器數據融合，使得語(yǔ)音命令和面部識別已得到廣泛應用，而眼球追蹤和非接觸式手勢控制技術(shù)帶來(lái)了全新的輸入方式，正在逐步獲得技術(shù)擴展性推進(jìn)。手勢控制技術(shù)需要使用多個(gè)傳感器，記錄用戶(hù)手臂在三維空間中的運動(dòng)軌跡，并利用這樣的信息來(lái)實(shí)現控制。在這類(lèi)系統中，用戶(hù)不必觸摸屏幕表面進(jìn)行掃動(dòng)或轉動(dòng)，而是只要揮舞一下手臂即可完成操作。
而汽車(chē)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一需要多傳感器（圖像傳感器、毫米波雷達、激光雷達、慣性傳感器等）進(jìn)行環(huán)境感知，通過(guò)數據和計算驅動(dòng)，實(shí)現多源信息融合描述目標檢測，獲取更精準的感知能力和自監督學(xué)習，并自主判斷、分析和處理，來(lái)支持更高階的輔助駕駛。此外，傳感器感知算法技術(shù)在移動(dòng)終端、智能建筑、醫療設備和器械、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、航空航天等領(lǐng)域逐步發(fā)揮著(zhù)日益重要的作用。
多年來(lái)，人類(lèi)在傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)方面取得了巨大進(jìn)步，現在已經(jīng)達到傳感器能夠模仿甚至增強人類(lèi)大部分感知的程度：視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)，乃至情感/心靈感應以及美學(xué)欣賞。未來(lái)，隨著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新和應用場(chǎng)景的推動(dòng)，傳感器新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝和新材料不斷涌現，傳感器產(chǎn)業(yè)將呈現爆發(fā)之勢。
