【導讀】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)達國家在傳感器領域具有技術和品牌等優(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，并向高端領域拓展，產(chǎn)生了包括華工科技、大立科技、歌爾聲學、瑞聲聲學等一批傳感器龍頭企業(yè)，特別是在聲波傳感器等領域有所突破，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)傳感器技術發(fā)展與創(chuàng)新的重點在材料、結構和性能改進 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；結構向小型化、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”，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?？粗氐囊粋€標準是：某項技術的發(fā)展是否以2016年為重要轉折點，由此看來納米傳感器技術已經(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、軍事等領域的納米生物和化學傳感器。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，拓寬了傳感器的應用領域。
應用納米技術研究開發(fā)納米傳感器，有兩種情況：一是采用納米結構的材料（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構而制作傳感器。
第一種情況下，納米結構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，而且響應快，靈敏度高。因此，利用納米固體的界面效應、尺寸效應、量子效應，可制成許多種類的傳感器。
另一種情況下，科學家已經(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，一項重大任務是在“納米材料與傳感器”領域針對納米材料與結構能夠靈敏地傳感信息的特點，研究新型傳感技術，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。
上海當前應著重研究解決納米傳感材料的可控、宏量制備，摻雜和化學修飾功能化，基本物性探測和調(diào)控，原型器件構建等基礎問題。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計、組裝和應用提供重要的依據(jù)。
在器件制備方面，應掌握高性能納米傳感器制作的關鍵因素，探索新的傳感工藝技術和微弱傳感信號提取與處理技術。設計及調(diào)控納米材料傳感網(wǎng)絡微納結構，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，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)科技領軍人才，發(fā)表多篇研究論文，獲6項發(fā)明專利授權，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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