现代传感器的发展现状与趋势

　　传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。本文描述了传感器技术的发展现状，综述了近几年世界高端前沿的MEMS传感器技术的主要研究状况，并通过简述当前的我国传感器发展状况，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。

　　1. 国际发展现状

　　美国早在20世纪80年代就认为世界已进入了传感器时代，成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作，美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关。日本把开发和利用传感器技术作为国家重点发展6大核心技术之一。日本科学技术厅制定的上世纪90 年代重点科研项目中有70 个重点课题，其中有18 项是与传感器技术密切相关。传感器与通信、计算机被称为现代信息系统的三大支柱。因其技术含量高、渗透能力强，以及市场前景广阔等特点，引起了世界各国的广泛重视。

　　传感器在资源探测，海洋，环境监测，安全保卫，医疗诊断，家用电器，农业现代化，等领域都有广泛利用。在军事方面，美国已为自己的F-22战机装备了新型的多谱传感器，实现了全被动式搜索与跟踪，可在诸如有雾、烟或雨等各种恶劣天气情况下使用，不仅可以全天候作战，还提高了隐身能力。英国在航天飞机上使用的传感器约有100多种，总数达到4000多个，用于监测航天器的信息，验证设计的正确性，并可以在遇到问题时作出诊断。日本则在“雷达4号”卫星上安装了传感器，可全天候对地面目标进行拍摄。

　　在世界范围内传感器增长最快是汽车市场需求 ，还有通信市场。汽车电子控制系统水平关键在于采用传感器数量水平，目前一台普通家用轿车安装几十到上百个传感器，豪华轿车传感器数量达到200 多。我们国家是汽车生产大国，年产汽车一千多万辆，但是汽车用的传感器几乎被国外垄断。

　　2.传感器趋势

　　随着我们对事物的新认识，科技的不断发展，传感器技术大体上也经历了3个时代：

　　第1代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。 例如： 电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

　　第2代传感器是70 年代开始发展起来的固体传感器， 这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。 如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应， 分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。70 年代后期， 随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展， 出现集成传感器。集成传感器包括2 种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如： 电荷耦合器 件（ CCD） ， 集成温度传感器AD 590，集成霍尔传感器UG 3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。 集成传感器发展非常迅速， 现已占传感器市场的2/ 3 左右，它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。

　　第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。 所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力， 是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。 80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上， 使传感器具有一定的人工智能。 90年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器一级水平实现智能化， 使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

　　新技术的层出不穷，让传感器的发展呈现出新的特点。传感器与MEMS（微机电系统）的结合，已成为当前传感器领域关注的新趋势。

　　目前美国相关机构已经开发出了名为“智能灰尘”的MEMS传感器。这种传感器的大小只有1.5立方毫米，重量只有5毫克，但是却装有激光通信、CPU、电池等组件，以及速度、加速度、温度等多个传感器。以往做这样一个系统，尺寸会非常大，智能灰尘尺寸如此之小，却可以自带电源、通信，并可以进行信号处理，可见传感器技术进步速度之快。MEMS传感器目前已在多个领域有所应用。比如，很多人使用的iPhone手机中就装有陀螺仪、麦克风、电子快门等多个MEMS传感器;耐克公司推出的一款“智能鞋垫”也内置了MEMS传感器，可以记录用户运动的数据，并与手机连接将数据上传。此外，MEMS传感器在医疗领域也发挥着重要的作用。比如患者在测量眼压时可能因过于紧张，导致眼压很难测准的情况出现。而利用MEMS传感器技术，将眼压计内嵌到隐形眼镜中，这样就可以更方便地对患者进行监测，测量出来的数据也更为准确。

　　除了与微机电系统结合，传感器还与仿生信息学结合，并产生了诸多新的应用。法国已研制出了模仿人类眼睛的视觉晶片，可以模仿人类眼睛的能力，分辨不同颜色，并观测动作。奔腾处理器每秒能处理数百万项指令，这种视觉晶片每秒能处理大约两百亿项指令。这种仿生视觉晶片将会引起感测与成像的革命，并在国防领域得到广泛的应用。

　　3.我国传感器发展状况

　　我国早在 20 世纪60年代开始涉足传感器制造业，“八五”期间，我国将传感器技术列为国家重点科技攻关项目，建成了“传感器技术国家重点实验室”、“国家传感器工程中心”等研究开发基地。而且MEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点。目前，传感器产业已被国内外公认为具有发展前途的高技术产业，它以技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。我们国家工业现代化进程和电子信息产业20%以上速度高速增长，带动传感器市场快速上升。我们国家手机产量突破7.5亿，手机市场增长给传感器市场带来新机遇，该领域占的传感器领域占市场1/4。我国是白电生产大国，2009年总产量达到3亿多台，用的传感器占市场1/5，传感器在医疗环保专业设备当中应用高速增长，占市场份额 15%左右。

　　与此同时，我国在传感器发展方面的问题也日益突出。我国虽然传感器企业众多，但大都面向中低端领域，技术基础薄弱，研究水平不高。许多企业都是引用国外的芯片加工，自主研发的产品较少，自主创新能力薄弱，在高端领域几乎没有市场份额。此外，科研院所在传感器技术的研究方面已与国际接轨，但产业化瓶颈迟迟未能突破。目前我国从事传感器技术研发的主要是高校、中科院和相关部委的研究机构，企业的技术实力较弱，很多是与国外合作，或是进行二次封装。而在发达国家，传感器的研发和产业化更多由企业来主导。那么，我国的传感器产业该如何突破当前的发展瓶颈？

　　近年来，我国也不断提高对传感器产业的重视，并出台了一系列政策推进其发展。2011年7月出台的《中国电子元件“十二五”规划》指出，“十二五”期间将投资5000亿元，主要集中在新型电子元件的研发和产业化领域。而在今年2月由工信部等四部委联合印发的《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》中，还制定了具体的产业发展目标，并给出了2013年至2025年的发展路线图。

　　根据国家规划，未来将在传感器领域建立超百亿元的创新产业集群，以及产值超过10亿元的行业龙头和产值超过5000万元的小而精的企业。

　　对于上述目标的实现，应该从两方面入手，一是要走产业化的道路，二是要采取整体解决方案的模式。

　　在传感器技术的产业化方面，除了需要成熟的市场和产品，以及充足的资本和人才，志在长远的经营理念，也是传感器产业化成功的基础。传感器研发和推广的周期比较长，想短期见到效果往往比较难。比如汉威，从创业到上市，一共走过了10年的历程。整体解决方案的模式，是经汉威实践后的一条行之有效的路径。传感器虽然是关键器件，技术含量很高，但需要依存于其他的系统和具体的应用，本身很难形成很大的产值和规模。因此，他建议从核心元器件入手，向下游产业链进行延伸，并为客户提供整体的解决方案。通过这种整体解决方案的模式，我们能够得到第一手的用户体验信息，并根据这些信息对传感器进行完善和改进。同时，由于末端应用的利润比较高，企业可以把在末端应用赚来的钱，投入到前端的核心技术研发上，这样研发也有了后续的力量。

　　4.结束语

　　当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。我国加大研发新型传感器力度，追上其他科技发达国家，其意义长远。