【導(dǎo)讀】當(dāng)下火熱的工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng),都離不開(kāi)一個(gè)核心元件——傳感器,傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀折射出我國(guó)“工業(yè)強(qiáng)基”工程的必要性和迫切性。
傳感器行業(yè)發(fā)展概況
傳感器是一種檢測(cè)裝置,能感受到被測(cè)量的信息,并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。所以,傳感器不僅是人類(lèi)感知外界的核心元件,也是萬(wàn)物互相感知的核心元件。
2009-2015年全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模及增速(單位:億美元)
資料來(lái)源:2016-2020年中國(guó)傳感器行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告
目前,從全球總體情況看,美國(guó)、日本等少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家占據(jù)了傳感器市場(chǎng)70%以上份額,發(fā)展中國(guó)家所占份額相對(duì)較少。其中,市場(chǎng)規(guī)模最大的3個(gè)國(guó)家分別是美國(guó)、日本和德國(guó),分別占據(jù)了傳感器整體市場(chǎng)份額的29.0%、19.5%、11.3%。未來(lái),隨著中國(guó)、印度、巴西等發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng),對(duì)傳感器的需求也將大幅增加;但發(fā)達(dá)國(guó)家在傳感器領(lǐng)域具有技術(shù)和品牌等優(yōu)勢(shì)會(huì)得到明顯的改變。
2015年全球傳感器市場(chǎng)分布(單位:%)
資料來(lái)源:2016-2020年中國(guó)傳感器行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告
據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)已有1700余家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用,產(chǎn)業(yè)門(mén)類(lèi)基本,這種優(yōu)勢(shì)在未來(lái)幾年內(nèi)仍將保持。因此,全球傳感器市場(chǎng)分布狀況并不齊全,敏感元件和傳感器年總產(chǎn)量已超過(guò)20億只,傳感器產(chǎn)品達(dá)到10大類(lèi)42小類(lèi)、6000多個(gè)品種。近幾年國(guó)內(nèi)傳感器市場(chǎng)一直持續(xù)增長(zhǎng),2015年產(chǎn)值接近1000億元人民幣。
2009-2015年中國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模(單位:億元)
資料來(lái)源:2016-2020年中國(guó)傳感器行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告
我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)已由仿制、引進(jìn)逐步走向自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新發(fā)展階段。從企業(yè)發(fā)展看,國(guó)內(nèi)傳感器及芯片廠商成長(zhǎng)很快,基本掌握了中低端傳感器研發(fā)的技術(shù),并向高端領(lǐng)域拓展,產(chǎn)生了包括華工科技、大立科技、歌爾聲學(xué)、瑞聲聲學(xué)等一批傳感器龍頭企業(yè),特別是在聲波傳感器等領(lǐng)域有所突破,已開(kāi)始在中高端傳感器上取得一定進(jìn)展。
從地區(qū)分布看,我國(guó)傳感器的生產(chǎn)企業(yè)主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū), 并逐漸形成以北京、上海、南京、深圳、沈陽(yáng)和西安等中心城市為主的區(qū)域空間布局。其中,主要傳感器企業(yè)有接近50%比例分布在長(zhǎng)三角地區(qū),其他依次為珠三角、京津地區(qū)、中部地區(qū)及東北地區(qū)等。此外,伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起,傳感器產(chǎn)業(yè)在其他區(qū)域如陜西、四川和山東等地發(fā)展很快。
從研發(fā)重點(diǎn)看,國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重點(diǎn)在材料、結(jié)構(gòu)和性能改進(jìn) 3 個(gè)方面:敏感材料從液態(tài)向半固態(tài)、固態(tài)方向發(fā)展;結(jié)構(gòu)向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展;性能向檢測(cè)量程寬、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。
納米傳感器技術(shù)的機(jī)遇
2016年6月世界經(jīng)濟(jì)論壇在天津夏季達(dá)沃斯年會(huì)上發(fā)布“2016年度十大新興技術(shù)”,納米傳感器和納米級(jí)別物聯(lián)網(wǎng)被列在了第一位。本屆理事會(huì)在遴選榜單時(shí)非??粗氐囊粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)是:某項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展是否以2016年為重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),由此看來(lái)納米傳感器技術(shù)已經(jīng)具備了投入市場(chǎng)的可操作性,也許馬上就會(huì)走進(jìn)我們的生活。
納米傳感器是一種用于醫(yī)療保健、軍事等領(lǐng)域的納米生物和化學(xué)傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比,納米傳感器尺寸減小、精度提高,性能大大改善,更重要的是利用納米技術(shù)制作傳感器,是站在原子尺度上,從而極大地豐富了傳感器的理論,推動(dòng)了傳感器的制作水平,拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。
應(yīng)用納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)納米傳感器,有兩種情況:一是采用納米結(jié)構(gòu)的材料(包括粉粒狀納米材料和薄膜狀的納米材料)制作傳感器;二是研究操作單個(gè)或多個(gè)納米原子有序排列成所需結(jié)構(gòu)而制作傳感器。
第一種情況下,納米結(jié)構(gòu)材料具有巨大的比表面積和界面,對(duì)外部環(huán)境的變化十分敏感。溫度、光、濕度和氣氛的變化均會(huì)引起表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子輸出的迅速改變,而且響應(yīng)快,靈敏度高。因此,利用納米固體的界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng),可制成許多種類(lèi)的傳感器。
另一種情況下,科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始了縮小傳感器的研究,希望能將毫米或微米級(jí)別的傳感器縮小到納米級(jí)別,這樣就可以使納米傳感器進(jìn)入人體循環(huán)系統(tǒng)中。這項(xiàng)關(guān)鍵研究是傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)向納米級(jí)物聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)的第一步,一旦成功,納米級(jí)物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)對(duì)未來(lái)的醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥制造產(chǎn)生巨大影響。
上海發(fā)展納米傳感器的思路
根據(jù)國(guó)家和上海市的“十三五”科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃,一項(xiàng)重大任務(wù)是在“納米材料與傳感器”領(lǐng)域針對(duì)納米材料與結(jié)構(gòu)能夠靈敏地傳感信息的特點(diǎn),研究新型傳感技術(shù),開(kāi)發(fā)新型高性能納米傳感器及其系統(tǒng),使其具有高靈敏性、高選擇性、高穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)其低功耗、低成本、微型化和智能化的檢測(cè)和傳感器的創(chuàng)新與國(guó)產(chǎn)化。
上海當(dāng)前應(yīng)著重研究解決納米傳感材料的可控、宏量制備,摻雜和化學(xué)修飾功能化,基本物性探測(cè)和調(diào)控,原型器件構(gòu)建等基礎(chǔ)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)納米材料的一系列重要物性的探測(cè),為新型超高性能納米傳感器的設(shè)計(jì)、組裝和應(yīng)用提供重要的依據(jù)。
在器件制備方面,應(yīng)掌握高性能納米傳感器制作的關(guān)鍵因素,探索新的傳感工藝技術(shù)和微弱傳感信號(hào)提取與處理技術(shù)。設(shè)計(jì)及調(diào)控納米材料傳感網(wǎng)絡(luò)微納結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮納米材料特性來(lái)進(jìn)一步提高傳感器的性能,有效提高其分辨率、精度和穩(wěn)定性,獲得微型化、智能化、低功耗等高性能納米傳感器。
在2020年前,實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)新型高性能納米傳感系統(tǒng),集成化傳感器(如單傳感器陳列集成和多傳感器集成)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò),使其具有高靈敏性、高選擇性和高穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)納米傳感器的創(chuàng)新與國(guó)產(chǎn)化。
作者簡(jiǎn)介
張永旭,博士,主要從事納米材料和光電功能材料研究,2012年入選閔行區(qū)科技領(lǐng)軍人才,發(fā)表多篇研究論文,獲6項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán),現(xiàn)任職于上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心。
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