傳感器與物聯網密不可分，漫談它們的關系、國內現狀和突圍方向

在 物聯網（IoT）各種場景中，傳感器無處不在，是物聯網不可或缺的一部分。

在廣義的認知里，傳感器是一種能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置。

傳感器好比人的眼耳口鼻，但又不僅僅只是人的感官那么簡單，它甚至能夠采集到更多的有用信息。既然如此，就可說這些傳感器是整個物聯網系統工作的基礎，正是因為有了傳感器，物聯網系統才有內容傳遞給“大腦”。

在過去，傳感器更多應用于工業。但是隨著時間推移，它已經慢慢走入我們的生活。

那么，傳感器與物聯網之間有什么關系呢？國內發展現狀如何？哪些方面被卡脖子？未來的突圍方向是什么？



傳感器是物聯網發展的基石

隨著工信部在6月6號發放5G正式商用牌照，5G的到來似乎將物聯網推到了一個風口處，而物聯網的小翅膀是什么呢，或許不同的人有不同的答案，而傳感器無疑是其中一個重要的選項。

物聯網層次結構

從物聯網層次結構圖中可以看到物聯網主要是由：感知層、網絡層、支撐層和應用層四部分構成。有句俗話說得好：下層基礎決定上層建筑。傳感器作為物聯網感知層的重要組成部分之一，作為整個物聯網的基礎，其重要性是不言而喻的。

物聯網系統中的海量數據信息來源于終端設備，而終端設備數據來源可歸根于傳感器，傳感器賦予了萬物“感官”功能，如人類依靠視覺、聽覺、嗅覺、觸覺感知周圍環境，同樣物體通過各種傳感器也能感知周圍環境。且比人類感知更準確、感知范圍更廣。例如人類無法通過觸覺準確感知某物體具體溫度值，也無法感知上千高溫，也不能辨別細微的溫度變化，但傳感器可以?？梢哉f傳感器就是“萬物互聯”時代物體與物體之間交流的“語言”。


傳感器在物聯網產業中的作用

物聯網是將各種信息傳感設備和互聯網結合起來形成的一個巨大網絡，它是互聯網的升級，也是信息化時代的核心。物聯網的發展需要智能感知、識別和通訊等技術支撐，而感知的關鍵就是傳感器及相關技術，可以毫不夸張的說，沒有傳感器的進步，就沒有物聯網的繁榮。隨著物聯網的發展，傳感器產業也將迎來爆發，傳感器是物聯網采集數據的關鍵組件，扮演著不可或缺的角色。

隨著全球開始步入高速發展的信息時代，在獲取和處理信息過程中，首先要解決的就是要獲取可靠并準確的信息，而傳感器是獲取信息的主要手段和途徑。例如在工業4.0時代，要用傳感器來監視和控制生產過程中的參數，使設備保持正常的工作狀態；在智能家居領域，傳感器是實現用戶和家居單品（燈光、電視、冰箱、音響等）互動的基礎；在無人駕駛中，需要通過傳感器對交通和環境數據的采集和處理，這樣才能保證汽車在道路上的安全行駛……可以毫不夸張的說，未來物聯網有多大的市場，傳感器就能有多大的作為。

隨著物聯網需求的增加，目前國內傳感器呈現一種高速增長的態勢。據統計， 預計到2021年將增至5937億元，未來五年中國傳感器產業年均復合增長率約30%，遠高于全球平均水平。



智能傳感器的迭代、作用和體量

“IC與MEMS的集成與融合，是傳感技術產業發展的必由之路，特別是高檔傳感器、智能傳感器?！敝袊鴥x器儀表行業協會傳感器分會名譽理事長、沈陽儀表科學院原院長徐開先表示。

在全球信息技術跨界融合加速，萬物互聯的時代，智能傳感器作為與外界環境交互的重要手段和感知信息的主要來源，被視為決定未來信息技術產業發展的核心與基礎之一。

傳感器技術歷經了多年的發展，大體可分為三代：

第一代是結構型傳感器，利用結構參量變化來感受和轉化信號;

第二代是20世紀70年代發展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成;

第三代傳感器是智能型傳感器。

智能傳感器具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲功能的多元件集成電路，是集傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅動程序、軟件算法等于一體的系統級產品。

智能感知時代，智能傳感器扮演越來越重要的角色。2019年全球智能傳感器市場的規模已經達到了347.6億美元，受全球市場不斷上漲的需求刺激，專家預測到2025年全球智能傳感器市場規模有望超過900億美元。

物聯網、云計算、大數據、人工智能應用的興起，推動傳感技術由單點突破向系統化、體系化的協同創新轉變，大平臺、大生態主導核心技術走向態勢明顯，并成為發達國家和跨國企業布局的戰略高地。

對此，我國也不甘落后早在2018年就做出了規劃，明確指出要在2020年實現產業規模300億的目標，進一步鞏固了智能傳感器在我國科技領域的重要位置。

目前智能傳感器的應用領域主要有消費電子、汽車電子、工業電子和醫療電子四大領域。

在政策和市場驅動下，我國智能傳感器產業生態趨于完備。設計、制造、封測等重點環節均有骨干企業布局。國內智能傳感器技術研發已經初步開展，同時一些科研機構已建立起智能傳感器中試服務平臺，助推我國產業創新發展。與此同時，核心技術缺失、產品有效供給不足、技術創新能力不強、科研生產與應用不協同等問題仍然有待突破。



物聯網時代對傳感器的發展要求

從19世紀60年代誕生至今，傳感器的歷史已經有150余年了，在移動互聯網時代，手機的普及促進了傳感器的極大發展，但也決定了很多類型的傳感器是專為手機而設計的。物聯網時代的“物”在對傳感和連接的需求上與手機有很大的差別，所以也對傳感技術提出了更多、更高的要求。總結來說，傳感器在朝著高精度、小型化、低功耗、智能化等方向進化。


1、高精度、高質量

如果傳感器收集的數據信息出錯，那么相當于從源頭上出錯，后面一切數據的傳輸、分析、應用也就沒了意義，所以傳感器的精度和質量是保障物聯網愿景的一道重要基線。想象一下，如果一輛智能網聯汽車傳感器的精度和質量不達標，這就意味著在意外情況發生的那幾毫秒內系統無法做出正確決策，從而嚴重威脅駕駛員的安全。


2、小型化

隨著以智能手機為中心的移動設備向多功能、高性能化發展，要求電路板內的部件數量更多、體積更小。因此，傳感器正在逐漸采用集成化技術，以實現高性能化和小型化。集成溫度傳感器、集成壓力傳感器等早已被廣泛使用，今后將有更多集成傳感器被開發出來。


3、低功耗

手機上的微博、微信、視頻、游戲，都是電量消耗的大戶，我們也早已習慣了每天充電、出遠門充電寶不離身的日子，但你能想象假如煙霧報警器、智能攝像頭等互聯設備也需要天天調換電池會是怎樣一種蹩腳的情景嗎？和手機不同，很多物聯網設備地處人們不常接觸的區域，所以對功耗有極致的要求，從而決定了傳感器的功耗也要很低，否則運營成本太高。


4、智能化

隨著互聯設備的激增，數據呈現爆 炸式增長，中心化的云端已經“不堪重負”，更重要的是，對于智能制造或智慧交通等應用場景，云端分析的延遲會使數據價值呈現“斷崖式”下跌，于是，邊緣智能開始興起。

傳感器是很好的邊緣節點，用嵌入式技術將傳感器與微處理器集成為一體，使其成為具有環境感知、數據處理、智能控制與數據通信功能的智能數據終端設備，這就是所謂的智能傳感器。這種傳感器具有自學習、自診斷和自補償能力、復合感知能力以及靈活的通信能力。這樣，傳感器在感知物理世界的時候反饋給物聯網系統的數據就會更準確，更全面，達到精確感知的目的。



五大領域對智能傳感器的需求暴漲

智能傳感器具有高精度、成本低、功能多樣化、自動化強等特點，它是一種具有信息處理功能的傳感器，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。在很多物聯網場景下的傳感器都具有智能傳感器得特點，未來得物聯網時代，智能傳感器將是市場主流。

未來最有前景的幾大物聯網場景中，智能工業、智能家居、智慧醫療、智能汽車、智能農業等是未來最有可能普及的物聯網領域。


1、智能工業傳感器是實現工業4.0的基礎

眾所周知，工業4.0已經成為國家戰略的一部分，智能制造是國家工業變革的關鍵，智能工業傳感器在制造中的角色越來越重要。工業傳感器的特點是性能指標和精度要求高，不允許數據采集和處理的失誤。不同于傳統工業的傳感器，智能工業傳感器將用于智能制造，它在精度、穩定性、抗沖擊性方面提出了更為苛刻的要求。

未來，基于工業4.0的智能工業傳感器需求將大幅增加，而這也是工業傳感器廠商面臨的最大機遇點。


2、智能家居給這些傳感器帶來了增長空間

智能家居的一大特點就是實現對家居用品的控制，隨著物聯網的發展，越來越多的傳感器將用于家電中，如洗衣機、電視、冰箱、燈光、空調、油煙機等，原來沒有傳感器的產品都將因智能家居的普及而成為傳感器主戰場。

傳感器將是智能家居產品的標配，例如壓力傳感器可用于洗衣機中對泡沫量的監控；光電傳感器用于燈泡實現對燈光的控制；電磁傳感器用在洗碗機里面可實現噴水臂的移動等，還有流量傳感器、智能氣體傳感器等均大有用途。


3、智慧醫療需要各式各樣的智能傳感器

智慧醫療是利用物聯網技術，實現患者和醫務人員及醫療設備之間的互動，其工作的核心部分是對患者的信息進行采集、存儲、傳輸和處理。在進行圖像傳輸以及海量數據計算處理的過程中，需要各中各有具有智能處理功能的傳感器，如用于測量病人血壓的MEMS壓力傳感器，用于研究睡眠窒息的熱電傳感器，用于監控和測量體表體溫的溫度傳感器等。

隨著物聯網技術的發展，無線醫療傳感器逐漸向智能化、微型化、低功耗等方向發展，傳感器在智慧醫療領域的應用也會越來越廣泛。據外媒報道，科學家研究了一種新型傳感器，可用于診斷眼外傷，它根據測定人類眼淚所含維C濃度的高低，判斷眼外傷的嚴重情況。最近科學家又研究了一款僅有膠囊大小的可吞服心率傳感器，病人吞服后可測量其生命體征等數據并將信息傳輸到接收器中，供醫生遠程監控。

隨著技術的進步，應用于智慧醫療的傳感器種類將越來越多，但它們的一大共性是具備智能傳感器的特點。


4、智能傳感器助力汽車的智能化

雖然國內的很多汽車實現了一些基本的聯網功能，但并不是真正的智能汽車。隨著AI和物聯網技術的發展，智能汽車會成為未來的主流。智能汽車是一個集環境感知、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統，它的一大特點是能實現聯網控制，而控制與操作的關鍵離不開智能傳感器，智能汽車的普及將帶來智能傳感器的增加。

在智能汽車里面，未來應用最多的幾大智能傳感器將是空氣流量傳感器、里程表傳感器、機油感應傳感器、剎車壓力傳感器、位置傳感器和碰撞傳感器等。


5、智能農業傳感器市場前景廣闊

智能農業是我國建設成為農業強國的關鍵，在未來的農業生產中，需要很多類型的物聯網傳感器和相關技術。農業物聯網的組成包括智能水質傳感器、無線傳感網、無線通信等，它們一起組成完整的智能農業系統，傳感器是實現這些的第一步。

物聯網農業的特點是以信息化技術為基礎，在農業生產過程中通過傳感器收集數據并進行量化分析和智能決策，農業生產的環境非常復雜，不同的場景需要的傳感器不一樣，如空氣溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等，這些數據的采集都需要使用相對應的智能農業傳感器。

傳感器在科學技術領域、工農業生產以及日常生活中發揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出的越來越高的需求是傳感器技術發展的強大動力，而現代技術突飛猛進則為其發展提供了堅強的后盾。

在物聯網戰略下，傳感器國產化需求迫切，傳感器行業的國內領先者更受政府扶持；作為物聯網的關鍵，傳感器成為整個產業鏈的優勢環節，也代表了企業的核心競爭力。


國內短板：高精度傳感器

但由于起步較晚，我國智能傳感器產業目前仍面臨產品有效供給不足、技術創新能力不強、科研生產與應用不協同等問題，由此帶來的產業安全、信息安全挑戰不容忽視。

長期以來，在傳感器的關鍵行業，關鍵技術，高附加值應用上，國際品牌還處于壟斷地位。

“由于傳感器門類眾多，技術門檻不一，我國在常規的傳感器方面有所布局，但高精度的傳感器是短板?！焙幽蠋煼洞髮W從事物聯網研究的教授袁培燕表示。

高檔傳感器產品幾乎100%從國外進口，90%芯片從國外進口許多產品是“有品無芯”。工業自動化用高檔變送器用傳感器，如EJA儀表中核心部件傳感器，年銷售35萬臺左右，全部由國外或國外在國內的獨資企業生產。

汽車傳感器幾乎被國外壟斷，某些特種用途和特殊量程的傳感器，如航天、航空、航海專用傳感器，國內基本不能生產。高端智能裝備領域光纖傳感器技術及產品與國外相比尚有較大差距。

在氣體傳感器領域，國內企業的氣體傳感器技術整體研發水平大幅落后于發達國家，國內對氣體傳感器的研究主要體現在低端的半導體傳感器和催化燃燒傳感器方面。在高端的紅外及電化學傳感器的研究較少，沒有成熟的應用技術，高端紅外及電化學高端氣體傳感器及檢測儀器儀表依賴進口。即使在低端的半導體和催化燃燒氣體傳感器方面，在產品的精度、穩定性和工藝方面相對于國外先進技術仍有較大差距。

溫度傳感器方面，對NTC熱敏電阻器，國內企業實力嚴重不足，90%的市場份額被外資占領。極高溫、耐輻射、耐高壓的溫度傳感器尚不能批產。環境監測傳感器領域空白多，產品少，細顆粒物沒有能力監測。



脖子卡在哪？

談及我國傳感器落后的原因，多位專家均表示：技術、工藝以及材料等多種因素使然。創新能力弱;關鍵技術尚未突破;產業結構不合理，品種少、系列不全;企業能力弱。

“傳感器涉及到研發、設計以及生產等環節?！辈┝⑿趴萍伎偛脜窃茦虮硎?，“我國在材料、制程以及工藝等關鍵技術領域缺乏積累，所以這是一個長期的過程?！?/span>

首先，關鍵技術尚未突破是主要制約因素。

目前我國傳感器共性關鍵技術尚未突破。在設計技術方面，傳感器的設計技術涉及多種學科、多種理論、多種材料、多種工藝及現場使用條件;設計軟件價格昂貴、設計過程復雜、考慮因子眾多;設計人才匱乏，設計人員不僅需了解通用設計程序和方法，還需熟悉器件制備工藝，了解器件現場使用條件。可以說國內尚無一套有自主知識產權的，真正好用的傳感器設計軟件。

在可靠性技術方面，國產傳感器可靠性不高是影響國產傳感器大量應用的主要原因之一。據了解電力部門采用國外傳感器產品三年不需檢修，采用國內產品每季度檢修一次，石化部門，重要生產線幾乎全部采用國外傳感器，而不敢使用國內產品。通常國產傳感器可靠性指標比國外同類產品低1～2個數量級。

在封裝技術方面，傳感器的封裝結構和封裝材料，影響傳感器的遲滯、時間常數、靈敏限，使用壽命等性能。從制造成本看，傳感器的封裝成本通常為總成本的30%～70%。國內對傳感器的封裝技術尚未形成系列、標準，也無統一接口，因而傳感器的外型千差萬別，很不利于用戶選用和產品互換。

其次，產業化能力不足也是制約因素。

目前國內高精度、高可靠傳感器研發及產業化能力嚴重滯后于需求，技術水平相比國外還有較大差距，產品一致性、可靠性水平比國外低1～2個數量級，產品的品種和系列大約是國外的30%～40%，產品的產業化程度不足15%。導致高精度、高可靠傳感器嚴重依賴進口，從而被這些發達國家壟斷，例如GE公司、Honeywell公司、英飛凌公司、西門子公司、ABB公司、歐姆龍公司、基恩士公司等等。

國內傳感器產品不配套、不成系列。系列中比較易生產的某些規格尚能生產，且重復生產，惡性競爭，系列兩端的產品往往不能生產，多需國外進口，如工業自動化儀表中廣為應用的、高精度、高穩定的低微差壓傳感器(量程≤1KPa)，高差壓、高靜壓傳感器(量程≥3MPa、靜壓≥60MPa)。


第三，資源分散，產業規模小。

目前國內傳感器產品處于發展階段，傳感器品種也不多，企業分散，制造水平低，產業規模小。目前我國傳感器企業有2000余家，大都為小、微企業，盈利能力不強，缺乏引領技術的龍頭企業。

產業分散體現在資金分散、技術分散、企業布局分散，產業結構分散、市場分散等方面;管理方面存在政府部門管理歸口不統一、難于協調、多頭管理現象;政策支持方面也存在政策支持的集中度不高，缺乏專項計劃集中扶持，即使支持也過于分散，缺乏力度，缺乏持續性。


第四，傳感器高端人才匱乏是影響傳感器發展的最大瓶頸。

由于傳感器行業經濟基礎、技術基礎、產業基礎較為薄弱，加之傳感器產業涉及學科多，要求知識面廣，新技術層出不窮，長期以來很難吸引國際頂級人才投身到傳感器行業工作;加之國內由于學科設置不合理，缺少復合型人才培養機制，往往搞設計的不懂工藝、搞工藝的不明應用、會應用的不曉設計。造成很多企業缺乏既懂管埋、又懂技術、還會經營的復合型人才，以及工藝人才和技能人才。


從技術與應用突圍

我們的突破口在于應用。中國巨大的應用市場給傳感器發展帶來發展動力，家庭智能終端的普及和機器人應用家庭化，帶來細分產業傳感器應用的新突破。

但應用的突破也需要技術與工藝的支撐。

國內傳感器產業，大部分都在搞傳感器應用，特別是在物聯網，智能裝備方面的應用，而不愿涉及傳感器芯片的開發和研究。因芯片研發投資極大，成本高，工藝裝備昂貴，資金回收周期長，且技術難度風險大，必須靠國家投資和資助，靠企業是難以為繼的。

如果不在傳感器芯片上投入和下功夫，那可能重蹈“IC芯片”之轍。如果傳感器芯片性能優良，產品可靠性、穩定性高，其應用不愁沒有市場。建議加強IC與MEMS技術的集成與融合，IC與MEMS的集成與融合，是傳感技術產業發展的必由之路。

傳感器芯片是比較復雜的一個產業，涉及到研發、設計以及生產等環節。

以MEMS為例，它用微加工技術將各種產品整合到基于硅的微電子芯片上，MEMS工藝與傳統的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光工藝等，但有些復雜的微結構難以用IC工藝實現，必須采用微加工技術制造。包括硅的體微加工技術、表面微加工技術和特殊微加工技術。除此之外，MEMS制造還廣泛地使用多種特殊加工方法，包括鍵合、LIGA、電鍍、軟光刻、微模鑄、微立體光刻與微電火花加工等。

同通用芯片一樣，傳感芯片的生產制作過程尤為復雜。而且，在芯片生產加工中需要的材料中國產材料的使用率不足15%，高端制程和先進封裝領域，半導體材料的國產化率更低，且部分產品面臨嚴重的專利技術封鎖。但如果我國不能掌握MEMS傳感器的制造技術并主導其生產，無疑將阻礙傳感器產業前進的步伐。

業內人士建議可重點放在非硅基的新材料、新機理、新工藝傳感器的研究。重點發展應用市場廣、具備一定產業基礎、易于快速產業化的智能傳感器及其核心元器件，運動感測組合傳感器中的加速度計、陀螺儀，環境感測組合傳感器中的壓力傳感器等。