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传感器为物联网时代赋能

人类步入21世纪,全面进入信息时代,从一定意义上讲,也就进入了传感器时代。在现代控制系统中,传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置,可直接或间接接触被测对象,是信息输入的“窗口”,是万物互联的眼睛,是数据信息获取的功能器件,直接影响和决定系统的性能优劣。特别是当前备受国际关注的物联网、大数据、云计算技术,乃至智慧城市中的各种技术实现,对于传感器技术的依赖尤为突出。

标准纷争的传感器

目前,全球产品化的传感器种类约有2.6万余种。由于缺乏制定国际标准的准则与规范,尚未制定出权威的传感器标准类型。其敏感机理、敏感材料、使用功能、应用领域等互相交错及深度融合,难以厘清,各国及各行业围绕标准划分的争论从未停止,各抒己见、争论不休,从而导致产品名称混乱、种类繁多、结构复杂、参数各异等复杂状况。目前,行业只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。

由于敏感机理、敏感材料不同,加之工业现场环境、使用场景,以及被检测介质与个性化参数、结构复杂等特点,长期以来,传感器一直处于多品种、小批量生产状态。受工艺技术的分散性、复杂性影响和设备装置价格昂贵等因素制约,业界称其生产过程为制造“工业工艺品”。各国工程技术人员围绕着工艺技术协同、融合,在产品规范化、性能归一化、功能集成化、结构标准化,以及工艺设备和工装夹具的产业化方面开展了长期的技术开发与创新,形成了一大批不同特色的技术成果。

MEMS工艺是创新源泉

在美国硅谷传感器领域,以MEMS工艺技术为基础,根据不同行业和功能的需求,展开不同封装结构的各种传感器产品创新,已经持续了近25年,形成各种类型传感器产品,应用领域不断扩展,得到了各行业的广泛认同。正如硅谷MEMS工艺技术创始人丹尼斯所说:“20多年来,硅谷传感器产品一直都围绕着以硅基材料为主体的MEMS芯片和不同行业领域的市场应用需求,开展不同结构形式封装的产品创新”。因此,MEMS工艺技术是各种类型传感器的共性基础工艺技术,被业界称之为传感器创新源泉。

目前,MEMS成熟工艺有4英寸、6英寸、8英寸、12英寸。伴随着半导体平面工艺更新换代和不断升级,工艺设备与装置水平成熟度增强,价格不断降低,MEMS工艺也正在向更大尺寸方向发展,工艺成熟度也随之不断增强。产品广泛应用于物理、化学和生物传感器中,在声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏等传感器中的应用业已成熟。不仅提高了产业化能力,降低了产品成本,也大大提高了产品的可靠性、稳定性、一致性,得产品的分散性、离散性得到了极大改善,可进行规范化与标准化的封装与生产,在批量化与规模化生产中发挥了重要作用。

2011年,美国业界认为MEMS工艺已经成熟,可以广泛推广应用,确立并形成了传感器产业围绕MEMS工艺技术和应用两大方向的创新与突破:一是敏感机理创新与工艺突破。提高了MEMS工艺技术在材料与工艺结构等基础理论与应用水平,比如在晶体与非晶体、各种半导体材料应用;在硅-硅键合工艺、硅薄膜工艺、金属薄膜工艺等多个领域的工艺技术创新,大大提高了产品生产的微型化、低成本、复合型、集成度等产业化基础水平。二是智能化水平提高和应用创新。在多功能集成化、模块化构架、嵌入式能力、网络化接口等方面形成了创新与突破。

这二者的突破,极大地改善了产用难以对接的矛盾,搭建了生产制造与市场应用的桥梁与技术通道,突破了行业在生产和应用长期形成的技术壁垒和发展瓶颈。同时也提高了各行业的产品自主选择和应用设计能力,大大刺激了应用需求,拓展了市场空间。

智能化的三大核心

美国明确地提出传感器智能化的三大核心技术与创新趋势:

1.MEMS工艺技术。在微型化、低功耗、低成本、多材料复合、多参数融合,在大片集成工艺技术与装备、微米与亚微米级高精度控制技术、柔性生产工艺技术等方面不断迭代升级与创新。

2.无线网络化技术。适应各种物联网(传感网)技术推广应用,在工业互联网、人工智能技术、移动智能终端、5G技术标准下的无线网络化传感器产品与技术创新。把移动(手机、车、船、飞机等)或固定物体(机床、楼宇、商场、家庭、山林等)作为安装和应用传感器的平台和智能化节点,实现嵌入式、多功能复合与集成、模块化构架、网络化接口等协同式创新,以满足对一切物体智能化、“无人化”管理与控制的需求。

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