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新基建驅(qū)動下的傳感器新思路與新價值

2020-09-01

　　傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵共性技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用是衡量一個國家信息化程度的重要標(biāo)志，不僅體現(xiàn)了一個國家的科技發(fā)展水平，也是體現(xiàn)綜合國力和生產(chǎn)力水平的重要標(biāo)志。新基建結(jié)合新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)特征，是我國新形勢下支撐高質(zhì)量發(fā)展和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略舉措，為經(jīng)濟(jì)社會的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展提供底層支撐的戰(zhàn)略性、網(wǎng)絡(luò)型基礎(chǔ)設(shè)施。基礎(chǔ)設(shè)施中感知種類和應(yīng)用傳感器數(shù)量的多少，以及互聯(lián)互通能力，在很大程度上體現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施信息化、智能化和可持續(xù)發(fā)展的水平。
　　科技進(jìn)步為傳統(tǒng)傳感器發(fā)展帶來生機(jī)與活力
　　傳感器與集成電路一樣，是一個高度市場化的產(chǎn)品，需要不斷地更新?lián)Q代，以實現(xiàn)技術(shù)的不斷升級。相比于20世紀(jì)80年代，我國的科技水平有了很大提升。技術(shù)的進(jìn)步推動了傳感器領(lǐng)域新材料和新工藝的廣泛應(yīng)用，使傳感器產(chǎn)品的性能不斷提高，產(chǎn)品不斷推陳出新。
　　微納制造技術(shù)讓傳感器實現(xiàn)了微型化、低功耗、高集成度、低成本和規(guī)?；圃欤F(xiàn)已成功應(yīng)用于汽車、工業(yè)、手機(jī)等領(lǐng)域，并形成了百億美元的MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)。隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、集成電路等新技術(shù)的融入，MEMS傳感器將進(jìn)一步向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、智慧化發(fā)展。
　　科技的進(jìn)步也帶動了傳統(tǒng)傳感器的升級換代。借助微電子和MEMS的制造工藝，比如薄膜生長技術(shù)、干法或濕法刻蝕技術(shù)、離子注入技術(shù)，陶瓷傳感器的加工精度能得到提高，電化學(xué)性能和陶瓷傳感器的性能也能得到改善。用物理方法或化學(xué)方法使需要的成分在基片上可控生長，并將陶瓷材料制成厚度在微米量級的薄膜，這可在保持陶瓷優(yōu)越性能的同時提升其靈敏度和輸出信號幅度，并顯著提高其快速響應(yīng)與恢復(fù)的速度。離子注入到陶瓷表面能夠改善其表面特性，降低陶瓷的脆性，提高韌性，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷表面的催化，為氣體傳感器的發(fā)展帶來新的方向。
　　陶瓷傳感器具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度的顯著優(yōu)勢。汽車后處理傳感器中的氮氧傳感器、溫度傳感器、壓差傳感器、顆粒物傳感器、氨傳感器等都需要耐受高溫，但傳統(tǒng)的硅基傳感器無法耐受150℃以上的溫度。因此，基于微納加工技術(shù)的陶瓷傳感器為高溫傳感器提供了一種新的研究思路，目前已有多家機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)研究。
　　陶瓷還可以直接作為傳感器的封裝外殼，通過微組裝工藝，使傳感器的裝配工藝難度大幅度降低。在目前的物聯(lián)網(wǎng)演示系統(tǒng)中，一般采購來的現(xiàn)有傳感器會根據(jù)安裝要求設(shè)計外殼，并裝配到結(jié)構(gòu)上，這種做法有安裝復(fù)雜、測量不準(zhǔn)確的缺點。新基建的實施要求傳感器與結(jié)構(gòu)緊密融合，并在建設(shè)過程中實現(xiàn)模塊化組裝。陶瓷傳感器可直接作為外殼使用，它耐腐蝕性強(qiáng)，可直接接觸被測量介質(zhì)。與此同時，注射成型工藝等新型技術(shù)為陶瓷成型開辟了新道路，可以制造出目前流延工藝無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此更容易融入到基建結(jié)構(gòu)中，形成智能與感知結(jié)構(gòu)。制造環(huán)節(jié)的減少還有利于減低生產(chǎn)成本，從而實現(xiàn)智能制造。
　　傳統(tǒng)的陶瓷內(nèi)埋技術(shù)和多層疊加技術(shù)可以實現(xiàn)多種傳感器與處理電路的異構(gòu)集成，而新興的多種材料，比如在同一基板上生長和加工的陶瓷基異質(zhì)集成可以實現(xiàn)更高的集成度和和更強(qiáng)的功能性，能夠在同一個基板上實現(xiàn)感知和信號處理、電源開關(guān)、通信和執(zhí)行等功能。比如，壓電陶瓷既可實現(xiàn)振動和壓力等信號的傳感，也能作為執(zhí)行器實現(xiàn)驅(qū)動的功能。除此之外，它還具備能量收集的功能。通過諧振式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，它可將外界振動信號轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)傳感器的自供電。供電和信號線傳輸是影響傳感器在基建設(shè)施中大規(guī)模布置和應(yīng)用的主要障礙之一，但多層陶瓷技術(shù)可以規(guī)避這一障礙。它能夠?qū)崿F(xiàn)電容和電感等無源元件的集成，進(jìn)而實現(xiàn)諧振電路的集成，將受溫度、壓力等信號影響較大的元件串入諧振回路。這樣一來，諧振頻率就與被檢測信號相關(guān)，因此利用有一定距離的讀取電路就可以采集到諧振頻率，實現(xiàn)無線無源傳感。與此同時，它還可以把傳感器直接“澆筑”到結(jié)構(gòu)中，在需要的時候直接讀取信號，減少了連線和維護(hù)的費用。
　　新基建拓展傳感器的廣闊應(yīng)用空間
　　傳感器是重要的信息和數(shù)據(jù)來源，作為“兩化”深度融合的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感器已經(jīng)成為各種智能物聯(lián)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)。傳感器在新基建實施過程中的應(yīng)用將會更加廣泛和深入。
　　傳感器是人類對世界萬物進(jìn)行準(zhǔn)確感知、制造和加工、運行的依據(jù)。從生態(tài)環(huán)境、交通、安全、通信、能源到社會生產(chǎn)生活領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都離不開測試測量?？梢哉f，沒有傳感技術(shù)就沒有高質(zhì)量的生活和工業(yè)體系。作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的核心要素，信息的產(chǎn)生更多地來自各種傳感器，因此沒有精準(zhǔn)的傳感，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新基建便無從談起。
　　新基建設(shè)施需要大量傳感器的接入和共享，而5G技術(shù)讓傳感器實現(xiàn)了海量連接。與現(xiàn)有的無線技術(shù)相比，傳感器技術(shù)能提高兩個數(shù)量級的接入數(shù)。它在信號傳輸?shù)倪^程中消耗的功耗極低，且其電池壽命在5年以上，因此可以做到延長整個產(chǎn)品的壽命周期。此外，傳感器的發(fā)射能力提升了100倍左右，因此它的應(yīng)用讓地鐵、地下管廊等地方也能實現(xiàn)信號覆蓋。5G技術(shù)讓傳感器實現(xiàn)了共享，滿足了新基建的重要需求。一個傳感器可以被多個應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用，比如，一個攝像頭即可為交管部門提供路面交通情況，可為公安部門提供安全信息，可為市政提供環(huán)境信息，可為園林部門提供植被信息，還可為環(huán)保部門提供污染源信息。因此，傳感器被多個系統(tǒng)調(diào)用可以打破信息孤島的局面。
　　基礎(chǔ)設(shè)施的智慧運行需要依靠全面的感知來進(jìn)行決策，擁有數(shù)量巨大的傳感器信號卻不能實時處理，也無法得到正確的信息。因此，在這種情況下，大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的重要性就得以凸顯。大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)可將海量傳感器傳輸?shù)膹?fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行實時運算、處理和數(shù)據(jù)融合，還能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使基礎(chǔ)設(shè)施能夠及時獲取所需的可靠信息。嵌入式微處理器和邊緣計算讓傳感器也具備了處理信息的能力，使其成為智能傳感器，從而實現(xiàn)邊緣傳感器中樞的功能。這樣就可以發(fā)送最重要的數(shù)據(jù)到云端，讓中央系統(tǒng)進(jìn)行更重要的判斷和決策。
　　隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)、新應(yīng)用的不斷滲透，信息安全作為國家安全的一部分，其地位和重要性日益凸顯。傳感器作為信息采集的入口及信息安全的第一端口，其安全性已經(jīng)成為了信息安全不可分割的重要組成部分。因此，越來越多的企事業(yè)單位出于安全性的考慮，紛紛把目光轉(zhuǎn)到了國內(nèi)的傳感器產(chǎn)品。
　　新型基礎(chǔ)信息建設(shè)為傳感器提供了廣闊的應(yīng)用環(huán)境。傳感器可以通過聲音、圖像、溫濕度、壓力、流量、振動、環(huán)境、姿態(tài)等各種參數(shù)指標(biāo)的變化，來監(jiān)控各種設(shè)施的運行狀態(tài)和安全狀況。與此同時，它還可以結(jié)合系統(tǒng)體系構(gòu)架、軟件服務(wù)模型，形成完整的“智能”與“智慧”系統(tǒng)，滿足設(shè)施領(lǐng)域的智能管理需求。數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)無疑為傳感器技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提供了充分的想象空間。
　　隨著國家新基建戰(zhàn)略的進(jìn)一步實施和各地方對新基建部署的不斷深入，傳感器市場規(guī)模將呈現(xiàn)高速的增長態(tài)勢。這會極大地促進(jìn)傳感器技術(shù)的突破和創(chuàng)新發(fā)展，同時也為傳感器在新時代的價值創(chuàng)造提供千載難逢的機(jī)會。

(文章來源：儀表網(wǎng)作者：中國電科第13研究所周水杉)

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