传感器

传感器发展概述

传感器的界定

       传感器（Transducer／Sensor）是指能够接受外部信息，并按照设计目标和检测需要，将接收信息转换成为所需电信号或其他输出形式的一种装置[1]。

       在我国国家标准（GB7665-1987）中，传感器的定义是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器的发展前景

       目前，传感器技术已经成为当今世界上，是构建现代信息系统的重要组成部分，成为除通信技术以及信息技术外的第三大支柱技术。各国均高度重视并将传感器技术作为国家未来发展战略中的重要技术。传感器是获取信息的主要途径和手段。传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，如今广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、宇宙探索、军事国防、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域，在未来传感器技术会应用到更广泛的领域，拥有巨大的应用潜力。

       在不断发展与提高的工业化浪潮下，随着各国机械工业、电子、计算机自动化等信息化产业的迅猛发展，以美、日、德、法、英等国家相继确立传感器技术发展的方针，视为经济发展和国家安全的关键技术，逐步在传感器研发和相关技术产业上占有重要的份额。美国国家科学发展基金会认为，本世纪的重大变革就是：通过网络，把物质世界联接起来，并赋予它一个电子神经系统，使它具有能够感知信息的生命，而能够担当这一重任的核心就是传感器”，同时，每年用于传感器基础技术与应用研究的财政预算约有69亿美元，称之为"Sensor Revolution"，即传感器革命。

       相对西方国家，我国对传感器技术的研究与开发起步较晚，加之欧美及日本为代表的国家采取严格的保密制度对技术进行封锁和控制，直至目前我国的传感器技术虽取得了令人瞩目的的成功，但是在产品创新和体系建设方面还有待完善，相应的竞争优势还未全面显现。传感器的市场应用潜力是巨大的，已经渗透到了生产和生活的方方面面，成为不可或缺的科技产品。近年来，我国传感器市场持续快速增长，年均增长速度超过20%，2011年传感器市场规模为480亿元，到2016年达到1126亿元。2017年增长至1300亿元，同比增长15.45%。

       传感器的组成

       传感器是一种能够完成检测任务的装置，一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感元件用于直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件是将输出的物理量信号转换为其它信号，其输入就是敏感元件的输出，可以把输入变量转换为电路参量。基本转换电路使输出的信号放大、调制等。转换的电路参量接入到基本转换电路，并以电量的形式输出。部分传感器还有辅助电源，为敏感元件及转换元件提供能量[2]。

       传感器的分类

传感器的种类纷繁复杂。下图列举了简明的传感器分类方式，根据检测范畴、结构、功能、能源、转换原理、输出信号等进行分类。

       国际制定的分类体系，一般将传感器主要分为物理量、化学量、生物类传感器三大门类。其中，物理型传感器又可以分为：结构型传感器和物性型传感器。结构型传感器是基于物理学中场的定律构成的；物性型传感器是基于物质定律构成的。下图显示传感器的工作原理和当前一些重要领域的应用。

       传感器的应用

       传感器的输入量可以为物理量、化学量、生物量等多种形式，它的输出量是某种便于转换处理的具体物理量，并且输入变量与输出变量之间有精准的对应关系。因此，从应用角度来说，同一种物理量可以用多种不同转换原理的传感器来检测，例如加速度计按其敏感元件不同就有压电式、应变式和压阻式等多种。同一转换原理可以用于不同测量对象的传感器中，例如应变式位移传感器、应变式加速度计和应变式拉应力传感器等[3]。

       从应用领域来看，工业、汽车电子、通信电子、消费电子四部分是我国传感器最大的市场，其中工业和汽车电子产品领域约占一半，发展最快的是汽车电子和通信电子应用市场。目前一台普通家用轿车安装的传感器有几十到几百个不等，豪华轿车的传感器数量可达200多个。我国是汽车生产大国，对传感器的需求量巨大，但是汽车用的传感器几乎被国外垄断。

       传感器的发展瓶颈

       虽然近几年我国传感器市场发展很快，目前国内有100多家传感器的生产制造商，但是国内传感器企业大多从事生产气体、温度等传统类型传感器，传感器整体技术含量不高，虽然传感器价格相较国外也十分低廉，但是传感器的品质相差巨大，除了少数企业外，整体水平未能跟上国外最新技术发展水平。与国外相比，我国的传感器技术还存在较大的差距，具体体现如下几个方面：

       （1）制造设备、工艺欠缺

       由于传感器技术发展快，工艺和制造设备更新快，设备的单台价格较高，多数企业很难靠自身积累购买新型设备，致使在许多新技术、新工艺方面无法跟上国外企业飞速发展的步伐。我国大部分关键零件依赖国外进口，进一步阻碍传感器的发展。

       （2）制作材料纯度欠缺

       除了生产工艺之外，制备材料也是制约行业发展的重要因素。

       （3）规模化应用不足

       传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后，因此没有形成足够的规模化应用，导致形成，形成了依赖进口、内生乏力的恶性循环。

       传感器的发展趋势

       我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，正在向着新型传感器向微型化、多功能化、智能化、系统化和网络化的趋势发展。

       首先是开发新型的传感器，主要包括采用新的原理、填补空白、仿生等研制出新型的传感器件。传感器新材料的研发是传感器技术升级的重要基础。随着材料的进步，传感器的种类越来越多，除了最初的半导体、陶瓷材料，现在由于在光导纤维、石墨烯及超导材料的研究越来越成熟，这就为传感器的研发提供了物质基础；研究智能材料，并结合智能技术在智能传感器中获得应用途径，其中智能材料是指具有的生物性能或优于生物性能的人造材料。新工艺的采用也是开发新型传感器的重要环节，新工艺主要包括微细加工技术[4]。突破量子、分子器件等方面，将会成为未来传感器技术的发展方向和机遇。

       现代传感器技术具有巨大的应用潜力和广阔的发展空间。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，实现赶超发展家，其意义深远！

参考：

       [1] 范基胤, 邢姝, 王万生, 等. 传感器发展趋势概述[J]. 数字通信世界,2015(10):255.

       [2] 刘迎春, 叶湘滨. 传感器原理、设计与应用[Ｍ]. 北京: 国防工业出版社, 2015.

       [3] 阮礼鹏. 传感器技术研究现状与展望[J]. 科学与财富, 2015(22):144-145.

       [4] 马须敬, 朱义彪. 传感器的研究现状与发展趋势[J]. 青岛科技大学学报: 自然科学版, 2017(S1): 11-13.