新基建+傳感器=？

傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的基礎和關(guān)鍵共性技術(shù)，其發(fā)展和應用是衡量一個(gè)國家信息化程度的重要標志，不僅體現了一個(gè)國家的科技發(fā)展水平，也是體現綜合國力和生產(chǎn)力水平的重要標志。新基建結合新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)特征，是我國新形勢下支撐高質(zhì)量發(fā)展和戰略轉型的重要戰略舉措，為經(jīng)濟社會(huì )的創(chuàng )新、協(xié)調、綠色、開(kāi)放、共享發(fā)展提供底層支撐的戰略性、網(wǎng)絡(luò )型基礎設施?；A設施中感知種類(lèi)和應用傳感器數量的多少，以及互聯(lián)互通能力，在很大程度上體現了基礎設施信息化、智能化和可持續發(fā)展的水平。

科技進(jìn)步為傳統傳感器發(fā)展帶來(lái)生機與活力

傳感器與集成電路一樣，是一個(gè)高度市場(chǎng)化的產(chǎn)品，需要不斷地更新?lián)Q代，以實(shí)現技術(shù)的不斷升級。相比于20世紀80年代，我國的科技水平有了很大提升。技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了傳感器領(lǐng)域新材料和新工藝的廣泛應用，使傳感器產(chǎn)品的性能不斷提高，產(chǎn)品不斷推陳出新。

微納制造技術(shù)讓傳感器實(shí)現了微型化、低功耗、高集成度、低成本和規?；圃?，現已成功應用于汽車(chē)、工業(yè)、手機等領(lǐng)域，并形成了百億美元的MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)。隨著(zhù)5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、集成電路等新技術(shù)的融入，MEMS傳感器將進(jìn)一步向網(wǎng)絡(luò )化、智能化、智慧化發(fā)展。

科技的進(jìn)步也帶動(dòng)了傳統傳感器的升級換代。借助微電子和MEMS的制造工藝，比如薄膜生長(cháng)技術(shù)、干法或濕法刻蝕技術(shù)、離子注入技術(shù)，陶瓷傳感器的加工精度能得到提高，電化學(xué)性能和陶瓷傳感器的性能也能得到改善。用物理方法或化學(xué)方法使需要的成分在基片上可控生長(cháng)，并將陶瓷材料制成厚度在微米量級的薄膜，這可在保持陶瓷優(yōu)越性能的同時(shí)提升其靈敏度和輸出信號幅度，并顯著(zhù)提高其快速響應與恢復的速度。離子注入到陶瓷表面能夠改善其表面特性，降低陶瓷的脆性，提高韌性，同時(shí)也能夠實(shí)現陶瓷表面的催化，為氣體傳感器的發(fā)展帶來(lái)新的方向。

陶瓷傳感器具有耐高溫、耐腐蝕、高強度的顯著(zhù)優(yōu)勢。汽車(chē)后處理傳感器中的氮氧傳感器、溫度傳感器、壓差傳感器、顆粒物傳感器、氨傳感器等都需要耐受高溫，但傳統的硅基傳感器無(wú)法耐受150℃以上的溫度。因此，基于微納加工技術(shù)的陶瓷傳感器為高溫傳感器提供了一種新的研究思路，目前已有多家機構開(kāi)展了相關(guān)研究。

陶瓷還可以直接作為傳感器的封裝外殼，通過(guò)微組裝工藝，使傳感器的裝配工藝難度大幅度降低。在目前的物聯(lián)網(wǎng)演示系統中，一般采購來(lái)的現有傳感器會(huì )根據安裝要求設計外殼，并裝配到結構上，這種做法有安裝復雜、測量不準確的缺點(diǎn)。新基建的實(shí)施要求傳感器與結構緊密融合，并在建設過(guò)程中實(shí)現模塊化組裝。陶瓷傳感器可直接作為外殼使用，它耐腐蝕性強，可直接接觸被測量介質(zhì)。與此同時(shí)，注射成型工藝等新型技術(shù)為陶瓷成型開(kāi)辟了新道路，可以制造出目前流延工藝無(wú)法實(shí)現的復雜結構，因此更容易融入到基建結構中，形成智能與感知結構。制造環(huán)節的減少還有利于減低生產(chǎn)成本，從而實(shí)現智能制造。

傳統的陶瓷內埋技術(shù)和多層疊加技術(shù)可以實(shí)現多種傳感器與處理電路的異構集成，而新興的多種材料，比如在同一基板上生長(cháng)和加工的陶瓷基異質(zhì)集成可以實(shí)現更高的集成度和和更強的功能性，能夠在同一個(gè)基板上實(shí)現感知和信號處理、電源開(kāi)關(guān)、通信和執行等功能。比如，壓電陶瓷既可實(shí)現振動(dòng)和壓力等信號的傳感，也能作為執行器實(shí)現驅動(dòng)的功能。除此之外，它還具備能量收集的功能。通過(guò)諧振式結構的設計，它可將外界振動(dòng)信號轉化為電能，從而實(shí)現傳感器的自供電。供電和信號線(xiàn)傳輸是影響傳感器在基建設施中大規模布置和應用的主要障礙之一，但多層陶瓷技術(shù)可以規避這一障礙。它能夠實(shí)現電容和電感等無(wú)源元件的集成，進(jìn)而實(shí)現諧振電路的集成，將受溫度、壓力等信號影響較大的元件串入諧振回路。這樣一來(lái)，諧振頻率就與被檢測信號相關(guān)，因此利用有一定距離的讀取電路就可以采集到諧振頻率，實(shí)現無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感。與此同時(shí)，它還可以把傳感器直接“澆筑”到結構中，在需要的時(shí)候直接讀取信號，減少了連線(xiàn)和維護的費用。

新基建拓展傳感器的廣闊應用空間

傳感器是重要的信息和數據來(lái)源，作為“兩化”深度融合的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感器已經(jīng)成為各種智能物聯(lián)體系架構的基礎。傳感器在新基建實(shí)施過(guò)程中的應用將會(huì )更加廣泛和深入。

傳感器是人類(lèi)對世界萬(wàn)物進(jìn)行準確感知、制造和加工、運行的依據。從生態(tài)環(huán)境、交通、安全、通信、能源到社會(huì )生產(chǎn)生活領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都離不開(kāi)測試測量?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有傳感技術(shù)就沒(méi)有高質(zhì)量的生活和工業(yè)體系。作為數字經(jīng)濟的核心要素，信息的產(chǎn)生更多地來(lái)自各種傳感器，因此沒(méi)有精準的傳感，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新基建便無(wú)從談起。

新基建設施需要大量傳感器的接入和共享，而5G技術(shù)讓傳感器實(shí)現了海量連接。與現有的無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比，傳感器技術(shù)能提高兩個(gè)數量級的接入數。它在信號傳輸的過(guò)程中消耗的功耗極低，且其電池壽命在5年以上，因此可以做到延長(cháng)整個(gè)產(chǎn)品的壽命周期。此外，傳感器的發(fā)射能力提升了100倍左右，因此它的應用讓地鐵、地下管廊等地方也能實(shí)現信號覆蓋。5G技術(shù)讓傳感器實(shí)現了共享，滿(mǎn)足了新基建的重要需求。一個(gè)傳感器可以被多個(gè)應用系統調用，比如，一個(gè)攝像頭即可為交管部門(mén)提供路面交通情況，可為公安部門(mén)提供安全信息，可為市政提供環(huán)境信息，可為園林部門(mén)提供植被信息，還可為環(huán)保部門(mén)提供污染源信息。因此，傳感器被多個(gè)系統調用可以打破信息孤島的局面。

基礎設施的智慧運行需要依靠全面的感知來(lái)進(jìn)行決策，擁有數量巨大的傳感器信號卻不能實(shí)時(shí)處理，也無(wú)法得到正確的信息。因此，在這種情況下，大數據技術(shù)和人工智能技術(shù)的重要性就得以凸顯。大數據和人工智能技術(shù)可將海量傳感器傳輸的復雜數據進(jìn)行實(shí)時(shí)運算、處理和數據融合，還能夠進(jìn)行數據分析，使基礎設施能夠及時(shí)獲取所需的可靠信息。嵌入式微處理器和邊緣計算讓傳感器也具備了處理信息的能力，使其成為智能傳感器，從而實(shí)現邊緣傳感器中樞的功能。這樣就可以發(fā)送最重要的數據到云端，讓中央系統進(jìn)行更重要的判斷和決策。

隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)、新應用的不斷滲透，信息安全作為國家安全的一部分，其地位和重要性日益凸顯。傳感器作為信息采集的入口及信息安全的第一端口，其安全性已經(jīng)成為了信息安全不可分割的重要組成部分。因此，越來(lái)越多的企事業(yè)單位出于安全性的考慮，紛紛把目光轉到了國內的傳感器產(chǎn)品。

新型基礎信息建設為傳感器提供了廣闊的應用環(huán)境。傳感器可以通過(guò)聲音、圖像、溫濕度、壓力、流量、振動(dòng)、環(huán)境、姿態(tài)等各種參數指標的變化，來(lái)監控各種設施的運行狀態(tài)和安全狀況。與此同時(shí)，它還可以結合系統體系構架、軟件服務(wù)模型，形成完整的“智能”與“智慧”系統，滿(mǎn)足設施領(lǐng)域的智能管理需求。數字化基礎設施的建設無(wú)疑為傳感器技術(shù)創(chuàng )新發(fā)展提供了充分的想象空間。

隨著(zhù)國家新基建戰略的進(jìn)一步實(shí)施和各地方對新基建部署的不斷深入，傳感器市場(chǎng)規模將呈現高速的增長(cháng)態(tài)勢。這會(huì )極大地促進(jìn)傳感器技術(shù)的突破和創(chuàng )新發(fā)展，同時(shí)也為傳感器在新時(shí)代的價(jià)值創(chuàng )造提供千載難逢的機會(huì )。

作者周水杉，供職于中國電科第13研究所