新基建驅動下的傳感器新思路與新價值
http://www.moduwu.com 2020-09-01 14:44 來源：中國電科第13研究所 周水杉
傳感器技術是信息技術的基礎和關鍵共性技術，其發展和應用是衡量一個國家信息化程度的重要標志，不僅體現了一個國家的科技發展水平，也是體現綜合國力和生產力水平的重要標志。新基建結合新一輪科技革命和產業特征，是我國新形勢下支撐高質量發展和戰略轉型的重要戰略舉措，為經濟社會的創新、協調、綠色、開放、共享發展提供底層支撐的戰略性、網絡型基礎設施。基礎設施中感知種類和應用傳感器數量的多少，以及互聯互通能力，在很大程度上體現了基礎設施信息化、智能化和可持續發展的水平。
科技進步為傳統傳感器發展帶來生機與活力
傳感器與集成電路一樣，是一個高度市場化的產品，需要不斷地更新換代，以實現技術的不斷升級。相比于20世紀80年代，我國的科技水平有了很大提升。技術的進步推動了傳感器領域新材料和新工藝的廣泛應用，使傳感器產品的性能不斷提高，產品不斷推陳出新。
微納制造技術讓傳感器實現了微型化、低功耗、高集成度、低成本和規模化制造，現已成功應用于汽車、工業、手機等領域，并形成了百億美元的MEMS傳感器產業。隨著5G、工業互聯網、邊緣計算、集成電路等新技術的融入，MEMS傳感器將進一步向網絡化、智能化、智慧化發展。
科技的進步也帶動了傳統傳感器的升級換代。借助微電子和MEMS的制造工藝，比如薄膜生長技術、干法或濕法刻蝕技術、離子注入技術，陶瓷傳感器的加工精度能得到提高，電化學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與恢復的速度。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，同時也能夠實現陶瓷表面的催化，為氣體傳感器的發展帶來新的方向。
陶瓷傳感器具有耐高溫、耐腐蝕、高強度的顯著優勢。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，目前已有多家機構開展了相關研究。
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。在目前的物聯網演示系統中，一般采購來的現有傳感器會根據安裝要求設計外殼，并裝配到結構上，這種做法有安裝復雜、測量不準確的缺點。新基建的實施要求傳感器與結構緊密融合，并在建設過程中實現模塊化組裝。陶瓷傳感器可直接作為外殼使用，它耐腐蝕性強，可直接接觸被測量介質。與此同時，注射成型工藝等新型技術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的復雜結構，因此更容易融入到基建結構中，形成智能與感知結構。制造環節的減少還有利于減低生產成本，從而實現智能制造。
傳統的陶瓷內埋技術和多層疊加技術可以實現多種傳感器與處理電路的異構集成，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集成可以實現更高的集成度和和更強的功能性，能夠在同一個基板上實現感知和信號處理、電源開關、通信和執行等功能。比如，壓電陶瓷既可實現振動和壓力等信號的傳感，也能作為執行器實現驅動的功能。除此之外，它還具備能量收集的功能。通過諧振式結構的設計，它可將外界振動信號轉化為電能，從而實現傳感器的自供電。供電和信號線傳輸是影響傳感器在基建設施中大規模布置和應用的主要障礙之一，但多層陶瓷技術可以規避這一障礙。它能夠實現電容和電感等無源元件的集成，進而實現諧振電路的集成，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，因此利用有一定距離的讀取電路就可以采集到諧振頻率，實現無線無源傳感。與此同時，它還可以把傳感器直接“澆筑”到結構中，在需要的時候直接讀取信號，減少了連線和維護的費用。
新基建拓展傳感器的廣闊應用空間
傳感器是重要的信息和數據來源，作為“兩化”深度融合的關鍵技術之一，傳感器已經成為各種智能物聯體系架構的基礎。傳感器在新基建實施過程中的應用將會更加廣泛和深入。
傳感器是人類對世界萬物進行準確感知、制造和加工、運行的依據。從生態環境、交通、安全、通信、能源到社會生產生活領域，這些領域都離不開測試測量。可以說，沒有傳感技術就沒有高質量的生活和工業體系。作為數字經濟的核心要素，信息的產生更多地來自各種傳感器，因此沒有精準的傳感，5G、工業互聯網等新基建便無從談起。
新基建設施需要大量傳感器的接入和共享，而5G技術讓傳感器實現了海量連接。與現有的無線技術相比，傳感器技術能提高兩個數量級的接入數。它在信號傳輸的過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品的壽命周期。此外，傳感器的發射能力提升了100倍左右，因此它的應用讓地鐵、地下管廊等地方也能實現信號覆蓋。5G技術讓傳感器實現了共享，滿足了新基建的重要需求。一個傳感器可以被多個應用系統調用，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，可為市政提供環境信息，可為園林部門提供植被信息，還可為環保部門提供污染源信息。因此，傳感器被多個系統調用可以打破信息孤島的局面。
基礎設施的智慧運行需要依靠全面的感知來進行決策，擁有數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，大數據技術和人工智能技術的重要性就得以凸顯。大數據和人工智能技術可將海量傳感器傳輸的復雜數據進行實時運算、處理和數據融合，還能夠進行數據分析，使基礎設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，從而實現邊緣傳感器中樞的功能。這樣就可以發送最重要的數據到云端，讓中央系統進行更重要的判斷和決策。
隨著工業互聯網、云計算、大數據、物聯網等新技術、新應用的不斷滲透，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，越來越多的企事業單位出于安全性的考慮，紛紛把目光轉到了國內的傳感器產品。
新型基礎信息建設為傳感器提供了廣闊的應用環境。傳感器可以通過聲音、圖像、溫濕度、壓力、流量、振動、環境、姿態等各種參數指標的變化，來監控各種設施的運行狀態和安全狀況。與此同時，它還可以結合系統體系構架、軟件服務模型，形成完整的“智能”與“智慧”系統，滿足設施領域的智能管理需求。數字化基礎設施的建設無疑為傳感器技術創新發展提供了充分的想象空間。
隨著國家新基建戰略的進一步實施和各地方對新基建部署的不斷深入，傳感器市場規模將呈現高速的增長態勢。這會極大地促進傳感器技術的突破和創新發展，同時也為傳感器在新時代的價值創造提供千載難逢的機會。
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