由《传感器技术趋势 2022》看中国传感器产业能向德国学什么？

发布时间：2023-02-20
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数字经济将重塑全球经济结构，是未来经济发展的最大机遇。传感器采集环境中的自然信号并进行传输、处理、存储与控制，用以桥接物理世界与数字网络，是数字经济时代的基石，总量也随着数字经济的逐步深化而节节攀升。总量大举扩张的同时，传感器技术的发展似乎进入平台期，近年来乏有振奋人心的变革性突破。在新公司、新材料、新技术、新应用层出不穷之时，传感器技术发展面临着怎样的机遇与挑战？

SENSOR CHINA于近期引进由德国传感器和测量技术协会（简称：AMA协会）主导编写及出版的《传感器技术趋势 2022》研究报告（以下简称报告），以期通过对世界传感器巨头国家之一德国的行业经验、新技术和新应用领域机会的全面梳理，为中国传感器行业中长期发展提供前瞻性的视角，为行业决策人、研发人员和市场专家等的未来研究、开发等提供助力。

工业4.0概念家喻户晓，而这一代表先进工业硬实力的概念，最早就是由德国于2013年首次提出。工业4.0的提出旨在提升德国制造业的智能化水平，传感感知正是其基础，支撑了德国工业硬实力的持续强化。终端应用需求又反过来促使传感产业技术的发展，并带动德国传感企业持续引领全球产业前进方向。日前，赛迪顾问介绍“2021年全球传感器TOP10企业排名”情况时指出，德国企业博世传感器全球排名第一，排名第四的西门子传感器也是德国企业。除此之外，SICK、英飞凌、贺利氏、WIKA等全球知名传感器厂商的总部均在德国。

报告大纲及要点亮点摘录

传感技术要求和总体发展趋势

在德国对未来科技发展的战略重点中，如下六项优先任务与中国未来5-10年规划一致度很高。这也说明，德国传感器产业经验对中国传感器产业发展有很大参考意义：

数字经济和社会——利用数字化的机遇促进德国繁荣；
可持续经营——生产和消费时注重能源和资源节约、环境可持续性和社会相容性；
创新的工作环境——有创意的想法和经济创新是现代工作环境的基础；
健康的生活方式——研究积极自主的生活方式；
智慧出行——交通基础设施能够高效的协同运行；
公民安全——实现复杂系统和基础设施顺畅交互，同时隐私得到保护。

具体来说，本报告在正文第一部分即“传感技术要求和总体发展趋势”中指出，传感器技术市场非常不均匀、产品品类众多且高度细化。基于德国传感器市场已有或研发中的传感器情况，列出超过100个测量参数如图。

如此多样性的需求，恰恰是德国中小型或初创公司的机会所在，即为客户的不同测量需求提供众多差异化的解决方案。而基于此形成的高度专业化传感器公司，通常能在其所在的细分市场中向全球提供产品和方案服务，也使得德国传感器行业成为高资质专家就业的主要方向。

报告还分析称，从对传感器技术发展的全球化需求中以及从信息处理趋势中派生出很多新的需求。为了掌握越来越复杂的技术，“传感器”正在向“传感器系统”方向发展，总体上会有高度集成、传感器融合、预见性自主处理、自监测自重置、自适应策略、机器学习功能等发展趋势，即传感器将越来越多地向认知系统过渡，从而减轻日常工作中操作人员的工作负担并引入更多的辅助功能。而这些总体趋势将使未来的传感器具有以下特性：

MEMS传感器的应用范围继续扩大（第 C 2 章）；
除机械变量外，化学变量的测量和气体传感器的研发越来越多，包括向多功能传感器的过渡，实现在一个传感元件上同时测量物理、化学或生物变量（第 B 3 章）；
通过微纳米集成以及进一步缩小传感器尺寸，以达到全新的物理测量效果；
非接触式传感器的使用越来越多（第 B 2 章）；
当前主要使用的传感器材料为硅，除此之外，在结构集成中还会将陶瓷和聚合物薄膜作为硅的替代品（第 C 3 章）；
加强传感器电子设备的功能一体化：除了模拟信号采集之外，还包括数字信息处理和信息获取，趋势分析，自监控，自适应（第 C 4 和 C 5 章）；
在测量过程中使用更多高温传感器和非接触式测量原理实现直接过程耦合；
使用电阻或压阻薄膜传感器阵列、光学法、阻抗频谱法和超声原理采集平面或空间分布式测量数据；
使用新的测量原理以及高敏感的薄膜磁敏原理，如基于光子相互作用的磁阻和光学测量原理；
向无线通信传感器的转变以及对接安全的全域网络（第 C 4，C 6 章）；
使用能量自给的传感器，如通过能源收集方式（第 C 4 章）；
将可再现系统模型作为虚拟传感器，使用易获取或已采集的测量变量计算不易采集的测量变量；
在集成传感电子设备中使用高精度估测滤波器能更好的处理模糊信号。

无论是否特定行业，传感器厂商在初次沟通时可能都会面临客户对高精度、实时性、无故障运行、无需维护、集成或安装便利性、低成本等的无限追求。报告分不同行业，如消费电子、汽车技术、机械制造、医疗技术等9大领域给出传感器质量要求评估，为创业公司或跨界者提供专业建议。

传感器的发展趋势

报告在本章中开篇即指出，从发展的眼光来看，转换器、换能器、变换器、执行器、测量器件等均统称为“传感器”。

报告基于 AMA 协会科学委员会成员机构和合作伙伴以及传感器企业的经验之谈，选取了两大类4小类测量变量，并针对这些测量变量描述的最新技术、过去几年的创新和有趣的开发方法发展方式、以及这些发展方向潜在优势、目前已实现和将来可能的应用范围进行说明。

电磁测量变量：第 B 2.1 章磁阻传感器，非接触式空间分辨电导率测量，高灵敏度磁强计，非接触式空间分辨介电特性测量的超宽带传感器；
报告举例称，比如近年来热门的用于检测极弱磁场的超导量子干涉仪（SQUIDs），广泛用于监测由深矿床造成的地球磁场扭曲，掩埋考古遗址的磁信号或者与生命体征相关的信号，以及等在材料检测中确定导体的裂纹和其它材料缺陷，或于医疗应用中探测磁性纳米微粒等。其技术升级思路是，通过将SQUIDs传感器连接成阵列形式、每个SQUID环路的大小不一，可构成超导量子干涉滤波器（SQIF），能够自由调节传感器灵敏度，且可以对磁通量密度进行绝对测量。
机械测量变量：第 B 2.2 章预防性维护（状态监测）和架空电线监测传感器系统；
机械测量方向的研发重点亮点纷呈。比如通过使用纳米技术，可以发掘出新型传感效应，包括用于检测位置形状的单个传感器空间分布以及增加测量点数量。尤为重要的是，微纳米集成将扩大传感器功能范围，如提高误差修正、自诊断和自补偿、自适应具体的测量条件以及低成本封装和与数字环境的安全联网。

光学测量变量：第 B 2.3 章高温测量—非接触式温度测量和图像分辨式颜色测量系统；
21 世纪，光子学将实现工业应用的遍地开花。在对光学测量的研究、开发中，主要分为两大方向，即确定光学测量变量本身参数；以及使用光学测量方法测量任意参数。
第二种情况具体将包括使用光子变量测量国际单位体系中非光学基础测量变量，如长度、质量、时间、电流强度、温度和物质量以及由此推导出的测量变量。比如，目前全球最精确国家计时测量标准使用的是原子钟，但是，光子钟可比它精确 100 倍，是下一代计时的最优选。需要特别指出，光子测量装置的特点通常是通过图像获得测量数值（初始变量），因此在测量中，图像处理就起到了至关重要的作用。

医疗测量变量：第 B 3.1 章按需通风控制，第 3.2 章化学测量变量和医疗微传感器，医疗测量变量。
化学传感器和测量系统领域的研究趋势多种多样，包括功能性涂层、换能器、动态运行等。报告指出，各技术在应用中组合使用才有可能取得成功：比如通过换能器实现的功能涂层测量系统、控制和测量信号的电子元件、信号处理以及 AVT 的完美匹配，才能成功构建化学传感器系统。

医疗测量变量：第 B 3.1 章按需通风控制，第 3.2 章化学测量变量和医疗微传感器，医疗测量变量。
化学传感器和测量系统领域的研究趋势多种多样，包括功能性涂层、换能器、动态运行等。报告指出，各技术在应用中组合使用才有可能取得成功：比如通过换能器实现的功能涂层测量系统、控制和测量信号的电子元件、信号处理以及 AVT 的完美匹配，才能成功构建化学传感器系统。

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