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傳感科普-傳感器的前世今生

閱讀:1594      發(fā)布時(shí)間:2020-8-5
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傳感器發(fā)展的前世今生??

自傳感器誕生伊始,就與人類(lèi)的生活息息相關(guān),它潛移默化的在各式各樣的產(chǎn)品和技術(shù)上進(jìn)行內(nèi)嵌與應(yīng)用并逐步的滲透到人類(lèi)的生活,已成為終端設(shè)備當(dāng)中*的組成部分。隨著時(shí)間的推進(jìn),互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的迅猛發(fā)展,盡管傳感器開(kāi)始與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,形成智能化協(xié)同一環(huán)。但人們突然發(fā)現(xiàn),傳感器市場(chǎng)仍處于小規(guī)模狀態(tài),國(guó)內(nèi)*聊聊無(wú)幾,很情況下仍依賴(lài)進(jìn)口等窘境。就在剛結(jié)束的2019重慶智博會(huì)中國(guó)智能博覽會(huì)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)高峰論壇上,多位專(zhuān)家群起獻(xiàn)策,商討傳感器產(chǎn)業(yè)的變局。本文將從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩個(gè)角度,來(lái)回顧一下傳感器發(fā)展的歷程和現(xiàn)狀,并通過(guò)與專(zhuān)家的采訪(fǎng)和商討,分析這個(gè)領(lǐng)域未來(lái)的行業(yè)趨勢(shì),希望對(duì)更多人了解傳感領(lǐng)域帶來(lái)幫助,且對(duì)工業(yè)傳感器有更多的認(rèn)知。

科技的不斷發(fā)展讓人類(lèi)的能力也不斷擴(kuò)展。如果說(shuō),機(jī)械延伸了人的體力,計(jì)算機(jī)延伸了人類(lèi)的智力,那么,無(wú)處不在的傳感器,就像人的神經(jīng)系統(tǒng),則大大延伸了人類(lèi)的感知力。

傳感器,不是 KOC
(Key Opinion Consume)群體的新造詞,而是一個(gè)非常傳統(tǒng)的常用詞匯,即便在新華詞典中也能找到。英文稱(chēng) Sensor 或是 Transducer。“傳感器”在新韋式大詞典中定義為:“從一個(gè)系統(tǒng)接受功率,通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個(gè)定義,傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式,所以不少學(xué)者也用“換能器-Transducer”來(lái)稱(chēng)謂“傳感器-Sensor”。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),傳感器就是一種檢測(cè)裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,可測(cè)量信息,也可以讓用戶(hù)感知到信息。通過(guò)變換方式,讓傳感器中的數(shù)據(jù)或價(jià)值信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他所需形式的輸出,以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。這就好像把計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的二進(jìn)制碼通過(guò)換算轉(zhuǎn)換成文字,圖片等信息一個(gè)道理。

 

 

其實(shí),傳感器一直存在于我們的生活中,小到遙控器、手機(jī)按鈕,大到電視、鍋爐檢測(cè)、電網(wǎng)傳輸、醫(yī)療器械診斷等,應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域,可以這么說(shuō),傳感技術(shù)和傳感器是產(chǎn)品當(dāng)中*的一部分。

從技術(shù)和應(yīng)用類(lèi)型來(lái)看,傳感器分為溫度、壓力、位移、超聲波、流量、電阻、圖像傳感器等;從學(xué)科來(lái)看,包含聲、光、電等,傳感器還分為化學(xué)、物理、生物傳感器等;從產(chǎn)業(yè)布局上來(lái)看,分為消費(fèi)級(jí)、汽車(chē)電子、工業(yè)級(jí)、醫(yī)療傳感器四種。自 1883 年*恒溫器上市以來(lái),傳感器就以各種形式存在了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。并且隨著時(shí)間的發(fā)展,IoT(
物聯(lián)網(wǎng)The Internet of things) 和 AI(人工智能) 技術(shù)不斷進(jìn)步情況下,智能傳感器被推向了市場(chǎng),在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)項(xiàng)目中得到廣泛的應(yīng)用。

作為科技產(chǎn)業(yè)風(fēng)向標(biāo)榜單,2019-2020年的《麻省理工科技評(píng)論》 TR10(突破性技術(shù))中,相關(guān)的傳感技術(shù)被多次提及,“傳感城市” 就是其中代表性的突破性技術(shù)之一。DeepTech 曾提到,將大量的智能傳感器融入整個(gè)城市場(chǎng)景當(dāng)中,就如同給其裝上全新的數(shù)字肢體和感知器官,萬(wàn)物實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、可感、可控,城市的運(yùn)行將由一個(gè)無(wú)比強(qiáng)大的 AI 接管。從目前的情況來(lái)看,傳感技術(shù)仍在探索廣泛用于相關(guān)產(chǎn)品落地和城市規(guī)劃用途。

 

當(dāng)然,傳感器仍有其他的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),由于投資較高,相比歐美的傳感器和傳感技術(shù)應(yīng)用,中國(guó)的部分傳感器和傳感技術(shù)仍處于相對(duì)落后狀態(tài)。

工業(yè)和信息化部原副部長(zhǎng)、中國(guó)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟名譽(yù)理事長(zhǎng)楊學(xué)山曾在演講中表示,雖然傳感技術(shù)在不斷進(jìn)步,但由于中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)起步較晚,缺乏相關(guān)人才,導(dǎo)致中國(guó)的傳感器與傳感技術(shù)仍依賴(lài)進(jìn)口,中國(guó)自主科技創(chuàng)新以及領(lǐng)域的傳感器產(chǎn)品都處于空白狀態(tài)。

以下將從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)兩個(gè)角度,來(lái)回顧一下傳感器發(fā)展的歷程和現(xiàn)狀,并分析一些未來(lái)趨勢(shì)。

傳感器和傳感技術(shù)歷程

1883 年,*恒溫器正式上市,一個(gè)名為 Warren S. Johnson 的發(fā)明者創(chuàng)造了它。這款恒溫器能夠?qū)囟缺3衷谝欢ǔ潭鹊?span id="mqzpzj9" class="bjFfcClass" style="color:red">準(zhǔn)確度,就是利用了傳感器和傳感技術(shù),在當(dāng)時(shí)看來(lái),是非常厲害的一項(xiàng)技術(shù)。

 



到了 20 世紀(jì) 40 年代末,款紅外傳感器問(wèn)世。隨后,許許多多的傳感器不斷被催生出來(lái),直到現(xiàn)在,大概有 35000 種以上的傳感器,數(shù)量和用途上非常繁雜,可以說(shuō),現(xiàn)在是傳感器和傳感技術(shù)火熱的一個(gè)時(shí)期。

1987 年,ADI(亞德諾半導(dǎo)體)開(kāi)始投入全新的傳感器研發(fā),這種傳感器與其他不太一樣,名叫 MEMS(
Microelectro Mechanical Systems) 傳感器,是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比,它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。而 ADI 是業(yè)界早做 MEMS 研發(fā)的公司。

1991 年,ADI 發(fā)布了業(yè)界顆 High-g MEMS 器件,主要用于汽車(chē)安全氣囊碰撞監(jiān)測(cè)。而后眾多 MEMS 傳感器被廣泛研發(fā),用在手機(jī)、電燈、水溫檢測(cè)等精密儀器上,截止到 2010 年,*有大約 600 余家單位從事 MEMS 的研制和生產(chǎn)工作。

隨著云計(jì)算、5G、大數(shù)據(jù)、AI 技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的爆發(fā),智能傳感器和智能傳感技術(shù)逐漸被提及起來(lái),大量的可穿戴式設(shè)備中含有多種生物以及環(huán)境智能感應(yīng)器,用以采集人體及環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)健康的管理,其傳感器更高的精度使得設(shè)備更加可靠。

傳感器的現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)

目前,消費(fèi)級(jí)的感應(yīng)器產(chǎn)品已大量流入市場(chǎng),消費(fèi)者現(xiàn)在都可以看得到,摸得著。甚至可以這么說(shuō),C 端的傳感器已經(jīng)*,所有人、所有地方都可以感受到傳感器的存在。在即將發(fā)布的 Google Pixel 4 手機(jī)中,會(huì)搭載全新的雷達(dá)檢測(cè),手勢(shì)操控,這些都需要消費(fèi)級(jí)傳感器,配合專(zhuān)業(yè)的傳感技術(shù)才可以達(dá)到,其實(shí) iPhone X 上的 Face ID 功能,也是通過(guò)多個(gè)傳感器感應(yīng)并將信息傳輸?shù)叫酒蛳到y(tǒng)中而實(shí)現(xiàn)的。

8 月 24 日,在重慶舉辦的 2019 年中國(guó)智能博覽會(huì)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)高峰論壇上,中國(guó)信息通信研究院副總工程師史德年在主旨演講中提到, MEMS 傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中,消費(fèi)電子占據(jù)了 45% 以上的份額,而未來(lái),傳感器也會(huì)通過(guò)手機(jī)設(shè)備,在3D地圖、虛擬現(xiàn)實(shí)等新型場(chǎng)景中用于更重要的位置。

在汽車(chē)電子領(lǐng)域,平均每輛汽車(chē)包含10只傳感器,高檔汽車(chē)中,大約采用25至40只MEMS傳感器。中國(guó)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)谷榮祥在接受DeepTech采訪(fǎng)時(shí)表示,汽車(chē)的傳感器在工業(yè)應(yīng)用里面算是比較大的,這一塊中國(guó)和國(guó)外相比,確實(shí)差距比較大。比如說(shuō)規(guī)模、汽車(chē)歷史發(fā)展、價(jià)格、品牌等,但是中國(guó)的創(chuàng)新動(dòng)力很強(qiáng),在技術(shù)上差距并不大,未來(lái)隨著汽車(chē)智能化的進(jìn)一步發(fā)展,傳感器的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

除了消費(fèi)級(jí)別的傳感器,值得
關(guān)注的就是工業(yè)智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r。與消費(fèi)電子相比,工業(yè)傳感器在穩(wěn)定性、精度、運(yùn)行安全等多方面要求都要更高。

 


根據(jù)前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明,截止 2017 年,我國(guó) MEMS 傳感器制造行業(yè)企業(yè)大約有 135 家。從產(chǎn)業(yè)能力來(lái)看,大多屬于初創(chuàng)類(lèi)中小型企業(yè),供給能力不強(qiáng),除此以外,企業(yè)存在著管理問(wèn)題、資金不足、科研能力弱和吸引高科技人才的能力較弱、技術(shù)能力不強(qiáng)等問(wèn)題。

目前,在感應(yīng)器制造供應(yīng)鏈中,包括研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試、軟件、系統(tǒng)應(yīng)用等流程,但是由于多種原因,在工業(yè)傳感器中,高度依賴(lài)進(jìn)口,從研發(fā)到設(shè)計(jì)仍需要大量的投入與人才供給,而很多傳感器制造企業(yè)都是從制造開(kāi)始,做著類(lèi)似代工的工作。

不管從資本來(lái)說(shuō),還是整個(gè)產(chǎn)業(yè)人才來(lái)看,這個(gè)領(lǐng)域依然是小的,傳感器的技術(shù)壁壘高,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),社會(huì)資本把傳感器芯片項(xiàng)目評(píng)為高風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致核心技術(shù)缺乏長(zhǎng)期投入,產(chǎn)業(yè)發(fā)展慢,終導(dǎo)致依賴(lài)進(jìn)口來(lái)源制造或加工傳感器產(chǎn)品,再流入中國(guó)市場(chǎng)。

但隨著關(guān)系加劇,以及貫徹落實(shí)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,傳感器產(chǎn)業(yè)逐漸開(kāi)始被重視起來(lái)。

2013 年,工業(yè)和信息化部、科技部等四部委制定了《加快推進(jìn)傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》,提到目前是中國(guó)傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,對(duì)于未來(lái)企業(yè)發(fā)展,國(guó)家將鼓勵(lì)、支持并培育產(chǎn)值超 10 億元的企業(yè)和產(chǎn)值 5000 萬(wàn)元以上的“?。ㄖ校┒⒕鴮?zhuān)、專(zhuān)而強(qiáng)”的創(chuàng)新型企業(yè)。

中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司傳感器中心副主任楊靖在專(zhuān)訪(fǎng)中也提到,目前中國(guó)的傳感器產(chǎn)業(yè)仍跟隨政策影響,他認(rèn)為國(guó)家應(yīng)該去定向地去扶持一些的新材料、新工藝、新技術(shù)等這類(lèi)傳感器,包括國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)的空白區(qū)域,仍是有很大的市場(chǎng)。

傳感器產(chǎn)業(yè)是有希望的

從技術(shù)進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看,傳感器領(lǐng)域雖然處在高度依賴(lài)進(jìn)口,高科技人才短缺等問(wèn)題中,但是中國(guó)已經(jīng)在不斷鼓勵(lì)傳感器企業(yè)做大做強(qiáng),希望從消費(fèi)品到工業(yè)領(lǐng)域,有更多創(chuàng)新的可能。

隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展,在首屆重慶智博會(huì)上,阿里巴巴集團(tuán)董事會(huì)主席馬云曾提到,未來(lái) 90% 的制造業(yè)將在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行,如今中國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)領(lǐng)-先其他國(guó)家,在物聯(lián)網(wǎng)+5G+AI 全面加持下,傳感器制造業(yè)仍有很大的市場(chǎng)。

 



*,技術(shù)和產(chǎn)業(yè)之間是需要形成比較好的正向迭代效應(yīng),落地場(chǎng)景越多,產(chǎn)品的制造就會(huì)越來(lái)越多,產(chǎn)業(yè)就會(huì)變得越來(lái)越大,傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展亦是如此。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,傳感器產(chǎn)業(yè)未來(lái)如何發(fā)展,政府如何吸引傳感器產(chǎn)業(yè)園區(qū)的落地等議題,仍是需要不斷探討的。中國(guó)四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)有限公司吳朋在接受采訪(fǎng)時(shí)提到,希望國(guó)家有一些比較好的規(guī)劃跟一些支持的政策,把整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈拉動(dòng)起來(lái),針對(duì)未來(lái)發(fā)展,大家加把勁,發(fā)揮主要優(yōu)勢(shì),助力物聯(lián)網(wǎng),傳感器產(chǎn)業(yè)就會(huì)變好了。

 

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