尽管物联网、智能手机、智能制造等领域需求带动传感器市场高速增长，但传感器市场竞争激烈，中高端产品仍依赖进口，大部分中国厂商集中在中低端市场。在近日举办的“央地人才交流对接活动”智能传感器与MEMS技术专题论坛上，中国科学院电子学研究所研究员、传感技术联合国家重点实验室主任夏善红表示，传感器是信息感知和获取的基础器件，传感技术是基础性、关键性、战略性的高新技术。
传感器技术发展的重要意义可见一斑。事实上，传感、通信和计算机技术分别被比作信息技术系统的“感官”“神经”和“大脑”。近年来，随着新一代信息技术产业的发展，传感器技术及系统越来越成为国民经济的重要产业。
中国厂商多集中于中低端市场
所谓传感器，是指采集各类信息并转化为特定信号的器件，可以采集身份标识、运动状态、地理位置、姿态、压力、温度、光线、声音、气味等信息。传感器广泛应用于消费电子、汽车电子、工业自动化、医疗、航空航天等领域。据千讯咨询发布的《中国传感器市场发展研究及投资前景报告》数据显示，2018年，我国传感器市场规模达2400亿元，同比增长11.6%。预计2019年市场规模可达2700亿元。
研究员李红表示，新技术推动各个细分领域技术迭代，而传感器作为核心产品得到更多广泛的应用。以物联网为例，夏善红认为，物联网是继计算机、互联网之后被称为第三次信息化浪潮的关键技术，“传感器作为物联网感知层，是物联网的基础环节”。
“半导体传感器的出现，标志着传感器发展步入微型化阶段。智能传感器成为近年来的关注热点。”夏善红说。尽管物联网、智能手机、智能制造等领域需求带动传感器市场高速增长，但传感器市场竞争激烈，中高端产品仍依赖进口，大部分中国厂商集中在中低端市场。在李红看来，整体来讲，中国传感器市场集中度相对较低。她表示，传感器种类众多，应用领域十分广泛，主要厂商均有优势产品和优势行业，多在局部市场竞争中具有优势地位。
微纳传感器与微系统技术
微纳传感器与微系统技术是夏善红课题组近年来的研究对象，其所涉及的研究方向包括电场传感器、水环境监测传感器、微传感集成芯片系统、无线网络传感器、微纳制造技术等。微型电场传感器作为夏善红团队的重要研究方向，具有基于微电子机械系统（MEMS）技术的敏感结构，以及体积小、重量轻、功耗低、易于集成、可批量制造等优点。
夏善红表示，微型电场传感器虽然具备多项技术优点，但也存在技术难点，如信号微弱、信噪比低。怎么解决这些难点问题？夏善红介绍道，一方面，提高感应效率，增强响应信号，另一方面，减小耦合干扰，降低噪声。她表示，关键技术难点在于高性能敏感结构设计、敏感结构加工工艺、器件抗静电封装等。
基于此，夏善红课题组研制出了适应高空恶劣环境和地面长期监测、面向多个领域的MEMS微型电场传感器系列创新产品。环境污染是关系到国计民生和社会发展的重大问题。夏善红以水环境监测技术为例讲述了无线传感器在社会应用中的优势所在。
2007年，太湖蓝藻大量繁殖，严重影响了城市的饮用水源，引起公众的广泛关注。造成蓝藻暴发的主要原因是水体受氮、磷等元素污染。传统水环境监测技术多采用人工采样、实验室分析，在线自动监测站，小型浮标三种方式。
夏善红表示，第一种方式缺点明显，费时费力、监测效率低，不能实时监测、易出现漏检；第二种方式中设备体积大、价格贵、运行成本高，监测站布点有限；第三种方式监测参数有限，多限于水温、溶解氧、pH等常规参数。
“无线传感器网络则让传感器节点实现分布式布放，实现网络化、现场、实时、在线、多参数检测。”夏善红说。但她同时也表示，MEMS电场传感器是近年才进入市场的电学量新型传感器,在研究和应用层面都有很大发展空间；水环境监测微传感器系统检测对象复杂,要达到多参数现场在线长期监测应用需求还有许多问题有待研究和解决。
夏善红表示，传感器与微系统技术是以应用为主要目标的研究领域，因此，基础科学问题与应用技术问题并存，从原理研究到实际应用，研究周期长，“往往十余年磨一剑”。
柔性感知智能电子
电子皮肤是指具有类人皮肤功能的柔性电子器件。清华大学精密仪器与机械学系仪器科学与技术研究所所长朱荣研究的“柔性感知智能电子”则代表了传感器发展的另一个方向。“人类对外界的体验能力来自于视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉，感知给人类带来了丰富的信息。更重要的是，感知给人类带来了探寻、认识和改造世界的能力。”朱荣表示，“应用于机器人的柔性感知智能电子赋予了机器类人智能感知能力。”
电子皮肤具有高度集成的多位感知、柔性、轻薄、大面积、生物兼容等特征，可应用于智能假肢、机器“人”、健康监护、人机交互等领域。朱荣介绍道，多功能电子皮肤的集成方法包括直接集成多种不同工作原理的传感器和利用材料的多物理量敏感特性集成。前者优点为测量精度高、耦合小，但也存在结构工艺复杂、难以大面积扩展的缺点；后者结构工艺简单，易制备，但信号调理难度大，易存在耦合。
朱荣分享了一种借鉴人类皮肤丰富的多维感知功能的设计思路，“压力造成功能膜导热系数变化，引起传导换热的差异，利用功能材料压热效应的压力测量原理，实现多种功能兼顾简单工艺”。
基于热感应的多参数传感机制，触感、物感、温感、风感形成热膜传感器。朱荣表示，热膜传感器是一种利用热敏材料感测自身和外界温度的器件，广泛应用于温度和风速测量，结构简单，易于制备，可以制备在柔性基地上构成柔性传感器。
为什么使用热膜传感器？朱荣介绍道，这缘于其毫米级的外观尺寸、微米级的传感结构、纳米级膜厚的敏感元件。热膜传感器可用于微型飞行器，其中，微型流场传感阵列与微型飞行器的气动飞行控制结合，形成良好的抗风性和稳定性。
在水下载体表面剪应力测量方面，微型热膜流场传感器具有高灵敏度和极小的检测下限，可检测低压的剪应力、防水、柔性，可贴附于载体表面实现非侵入式检测。此外，朱荣表示，柔性多感知传感器在机器人领域的应用意义重大，工业机器人、智能护理机器人、智能假肢等均为重要的应用方面。
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