【導(dǎo)讀】當下火熱的工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)，都離不開一個核心元件——傳感器，傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀折射出我國“工業(yè)強基”工程的必要性和迫切性。
傳感器行業(yè)發(fā)展概況
傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，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。所以，傳感器不僅是人類感知外界的核心元件，也是萬物互相感知的核心元件。
2009-2015年全球傳感器市場規(guī)模及增速(單位:億美元)
資料來源：2016-2020年中國傳感器行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報告
目前，從全球總體情況看，美國、日本等少數(shù)經(jīng)濟發(fā)達國家占據(jù)了傳感器市場70%以上份額，發(fā)展中國家所占份額相對較少。其中，市場規(guī)模最大的3個國家分別是美國、日本和德國，分別占據(jù)了傳感器整體市場份額的29.0%、19.5%、11.3%。未來，隨著中國、印度、巴西等發(fā)展中國家經(jīng)濟的持續(xù)增長，對傳感器的需求也將大幅增加；但發(fā)達國家在傳感器領(lǐng)域具有技術(shù)和品牌等優(yōu)勢會得到明顯的改變。
2015年全球傳感器市場分布（單位：%）
資料來源：2016-2020年中國傳感器行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報告
據(jù)統(tǒng)計，目前我國已有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)門類基本，這種優(yōu)勢在未來幾年內(nèi)仍將保持。因此，全球傳感器市場分布狀況并不齊全，敏感元件和傳感器年總產(chǎn)量已超過20億只，傳感器產(chǎn)品達到10大類42小類、6000多個品種。近幾年國內(nèi)傳感器市場一直持續(xù)增長，2015年產(chǎn)值接近1000億元人民幣。
2009-2015年中國傳感器市場規(guī)模(單位:億元)
資料來源：2016-2020年中國傳感器行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報告
我國傳感器產(chǎn)業(yè)已由仿制、引進逐步走向自主設(shè)計、創(chuàng)新發(fā)展階段。從企業(yè)發(fā)展看，國內(nèi)傳感器及芯片廠商成長很快，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，已開始在中高端傳感器上取得一定進展。
從地區(qū)分布看，我國傳感器的生產(chǎn)企業(yè)主要集中在長三角地區(qū)， 并逐漸形成以北京、上海、南京、深圳、沈陽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)重點看，國內(nèi)傳感器技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重點在材料、結(jié)構(gòu)和性能改進 3 個方面：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；性能向檢測量程寬、檢測精度高、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定、長壽命方向發(fā)展。
納米傳感器技術(shù)的機遇
2016年6月世界經(jīng)濟論壇在天津夏季達沃斯年會上發(fā)布“2016年度十大新興技術(shù)”，納米傳感器和納米級別物聯(lián)網(wǎng)被列在了第一位。本屆理事會在遴選榜單時非常看重的一個標準是：某項技術(shù)的發(fā)展是否以2016年為重要轉(zhuǎn)折點，由此看來納米傳感器技術(shù)已經(jīng)具備了投入市場的可操作性，也許馬上就會走進我們的生活。
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；二是研究操作單個或多個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引起表面或界面離子價態(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)，可制成許多種類的傳感器。
另一種情況下，科學(xué)家已經(jīng)開始了縮小傳感器的研究，希望能將毫米或微米級別的傳感器縮小到納米級別，這樣就可以使納米傳感器進入人體循環(huán)系統(tǒng)中。這項關(guān)鍵研究是傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)向納米級物聯(lián)網(wǎng)邁進的第一步，一旦成功，納米級物聯(lián)網(wǎng)將會對未來的醫(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)國家和上海市的“十三五”科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃，一項重大任務(wù)是在“納米材料與傳感器”領(lǐng)域針對納米材料與結(jié)構(gòu)能夠靈敏地傳感信息的特點，研究新型傳感技術(shù)，開發(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，實現(xiàn)其低功耗、低成本、微型化和智能化的檢測和傳感器的創(chuàng)新與國產(chǎn)化。
上海當前應(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，基本物性探測和調(diào)控，原型器件構(gòu)建等基礎(chǔ)問題。通過對納米材料的一系列重要物性的探測，為新型超高性能納米傳感器的設(shè)計、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)和微弱傳感信號提取與處理技術(shù)。設(shè)計及調(diào)控納米材料傳感網(wǎng)絡(luò)微納結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮納米材料特性來進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，實現(xiàn)開發(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）和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使其具有高靈敏性、高選擇性和高穩(wěn)定性，實現(xiàn)納米傳感器的創(chuàng)新與國產(chǎn)化。
作者簡介
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項發(fā)明專利授權(quán)，現(xiàn)任職于上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心。
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