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- 這四項傳感器技術，背后藏著巨大風口！
- 來源：感知芯視界 發(fā)表于 2022/12/21
傳感器越來越多地被應用到社會發(fā)展及人類生活的各個領域，作為物理世界和數(shù)字世界的橋梁，市場應用凸顯獨特優(yōu)勢。近年來，國家支持發(fā)展政策密集出臺，傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來高度關注。
而隨著信息技術研發(fā)的持續(xù)深入，成本的下降、性能和可靠性的提升，在物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和高端裝備制造快速發(fā)展的推動下，傳感器在工業(yè)及汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品專用設備四大領域的典型應用市場發(fā)展迅速。毫無疑問，搭乘物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快車，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(nèi)專家，請他圍繞傳感器典型應用之“碳中和”、“新能源汽車”、“環(huán)境監(jiān)測”等三大領域，談到其中的傳感器應用技術和未來前景。（點擊藍字標題進入閱讀 聚焦三大領域，觸發(fā)傳感器萬億市場爆發(fā)力）。
這一期，我們邀請業(yè)內(nèi)專家圍繞光電傳感器技術、柔性傳感器技術、MEMS技術、感知算法技術等4大傳感行業(yè)技術主題，深入探析其背后的技術原理、應用前景和市場規(guī)模。以下內(nèi)容為專家所述精要，以饗讀者。
01
光電傳感器技術，2024年市場規(guī)模將超300億元
光電技術傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成，將被測量的物理量變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后由光電元件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器的未來發(fā)展趨勢呈現(xiàn)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呈現(xiàn)出在同一襯底上集成多種敏感元器件，制成能夠檢測多個參量且多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
光電傳感器的微型化技術，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(gòu)成要素上集成和用途上的多樣性，功能上又具有系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)的復合性，這就需要有新機理、新結(jié)構(gòu)和新功能的高端微型系統(tǒng)的技術突破，其制備工藝涉及MEMS技術、IC技術、激光技術、精密超細加工技術等。
另外，光電技術傳感器的細分領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能量的變化，將其轉(zhuǎn)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。
該細分領域有較高的生產(chǎn)技術壁壘，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能力，少數(shù)幾家擁有紅外濾光片與紅外敏感陶瓷材料配方技術及生產(chǎn)制備能力的企業(yè)，占據(jù)熱釋電紅外傳感器領域內(nèi)絕大部分市場份額。
目前我國光電傳感器市場規(guī)模約為94.7億元。預計未來5年，我國光電傳感器市場將保持28.0%左右的增速增長，到2024年市場規(guī)模將達到325億元左右。
02
柔性傳感器技術，中國大陸數(shù)量位居全球前列
柔性傳感器具有可以拉伸、壓縮、彎曲，以及能夠無隙貼覆在非平整被測物表面的特點，使其在可穿戴電子、智能機器人、健康檢測、仿生電子皮膚、人機交互等領域具有非常好的應用前景。
柔性傳感器技術是將有機或無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，這種柔性電子技術不僅保持了電子產(chǎn)品的性能和可靠性，還擴展了傳感器的適用范圍，表現(xiàn)在厚度、重量、色彩、耐用性方面的明顯優(yōu)勢，同時柔性電子對柔性基底材料的要求較高，常見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(tǒng)，涉及的新材料包括納米線、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?qū)崿F(xiàn)快速響應和寬帶寬，是生物健康監(jiān)測和測控的技術核心。
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便的制作工藝，這很好地滿足了特殊環(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電子中進行簡單精確的檢測應用。
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(tǒng)制造等優(yōu)點已被廣泛研究，制作該類柔性濕度傳感器的基底材料與其他柔性傳感器類似，制造濕度敏感膜的方法也有很多，包括浸涂、旋轉(zhuǎn)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，當空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時，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，柔性傳感器技術發(fā)展?jié)摿薮螅艿搅嗣廊枕n等多個國家的高度關注，全球柔性電子研發(fā)熱情較高，其中美國、中國大陸、日本關于柔性電子的數(shù)量位居全球前列。
03
MEMS技術，實現(xiàn)多功能集成傳感器
MEMS (Micro-ElectroMechanical System)技術是指可批量制作的，將微型機構(gòu)、微型傳感單元、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、數(shù)據(jù)接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。它是以半導體制造技術為基礎發(fā)展起來的一種先進的傳感器制造工藝，利用傳統(tǒng)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整體的技術。
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)仍然較少，逐鹿中國市場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(tǒng)領域。
近年來，傳感器基于MEMS技術，通過把微米級的敏感單元、信號處理器、數(shù)據(jù)處理器件封裝在一塊芯片上，通過硅基與微納加工工藝進行批量制造，發(fā)展趨勢向著無源化、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(tǒng)行業(yè)領域，而且在可穿戴設備、未來醫(yī)療、人工智能以及汽車電子等領域的傳輸?shù)讓蛹軜?gòu)均要依賴MEMS傳感器來布局。
由于智能化終端產(chǎn)品對傳感器結(jié)構(gòu)、尺寸、性能的嚴苛要求，MEMS傳感器之間開始實現(xiàn)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、輸出多個信號的集成 MEMS傳感器。通過 MEMS技術實現(xiàn)不同的多個傳感器的集成，形成微傳感器陣列或微系統(tǒng)，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(nèi)置了包括加速度、磁力、線性加速、陀螺儀等多種傳感器類型。
04
感知算法技術，讓傳感器更智能
值得關注的是軟件和算法技術正成為MEMS傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器的系統(tǒng)集成，越來越多的數(shù)據(jù)需要處理，軟件集成使得多種數(shù)據(jù)融合成為可能，開發(fā)具有軟件融合功能的智能MEMS傳感器，以促進MEMS傳感器在人工智能領域應用。
而傳感器感知算法技術的基礎是一種神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，主要來自于面部識別、語音命令、眼球追蹤、手勢控制和自動駕駛等技術應用，通過軟件技術可實現(xiàn)高精度的信息采集，具有一定的編程自動化能力，多傳感器將檢測到的各種物理量按照指令處理這些數(shù)據(jù)，創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)，完成分析和統(tǒng)計計算，形成硬件和軟件的共生演化。
傳感器感知算法技術的難點在于數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)實時性，這要求應用神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習算法、最優(yōu)化算法、邊緣計算和基于概率方法的預測、估值算法等進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合的深度研究。由麥克風陣列、圖像傳感器集成軟件系統(tǒng)的多傳感器數(shù)據(jù)融合，使得語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帶來了全新的輸入方式，正在逐步獲得技術擴展性推進。手勢控制技術需要使用多個傳感器，記錄用戶手臂在三維空間中的運動軌跡，并利用這樣的信息來實現(xiàn)控制。在這類系統(tǒng)中，用戶不必觸摸屏幕表面進行掃動或轉(zhuǎn)動，而是只要揮舞一下手臂即可完成操作。
而汽車自動駕駛的關鍵技術之一需要多傳感器（圖像傳感器、毫米波雷達、激光雷達、慣性傳感器等）進行環(huán)境感知，通過數(shù)據(jù)和計算驅(qū)動，實現(xiàn)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(jiān)督學習，并自主判斷、分析和處理，來支持更高階的輔助駕駛。此外，傳感器感知算法技術在移動終端、智能建筑、醫(yī)療設備和器械、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、航空航天等領域逐步發(fā)揮著日益重要的作用。
多年來，人類在傳感器技術開發(fā)方面取得了巨大進步，現(xiàn)在已經(jīng)達到傳感器能夠模仿甚至增強人類大部分感知的程度：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，乃至情感/心靈感應以及美學欣賞。未來，隨著技術創(chuàng)新和應用場景的推動，傳感器新技術、新產(chǎn)品、新工藝和新材料不斷涌現(xiàn)，傳感器產(chǎn)業(yè)將呈現(xiàn)爆發(fā)之勢。
在此背景下，中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟致力于引導行業(yè)發(fā)展趨勢，積極為傳感器與應用技術企業(yè)搭建合作與交流的新平臺，計劃于2023年3月29-31日在深圳會展中心舉辦深圳國際傳感器與應用技術展覽會（Sensor Shenzhen）。
本屆展會內(nèi)容涉及傳感器技術與應用全產(chǎn)業(yè)鏈，圍繞國家戰(zhàn)略性和新興應用領域的“MEMS及先進傳感器技術”、“光電傳感器技術”、“柔性傳感器技術”“傳感器算法技術”等亮點技術布局，展覽會期間將設置專業(yè)展區(qū)、技術論壇、行業(yè)趨勢發(fā)布會等多種活動，為參會者提供前沿的創(chuàng)新技術探索和應用領域的細分交流。
基于粵港澳大灣區(qū)國家發(fā)展規(guī)劃和粵港澳綜合優(yōu)勢，SensorShenzhen從政策環(huán)境、市場趨勢、本土機遇等多個維度推動傳感器產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)化建設，不僅協(xié)同傳感器上下游技術創(chuàng)新和趨勢，凝聚傳感器技術的廣泛應用和資源共生共融，更注重助力傳感器產(chǎn)業(yè)加快步入感知新時代。
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