传感器的崛起历程与技术趋势
传感器，不是KOC那种的新造词，而是一个非常传统的常用词汇，大家在新华词典中就可以轻松找到。英文称Sensor或是Transducer。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。
简单来说，传感器就是一种检测装置，通常由敏感元件和转换元件组成，可以测量信息，也可以让用户感知到信息。通过变换方式，让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱和物联网基础，其应用涉及国民经济及国防科研的各个领域，是国民经济基础性、战略性产业之一。当前倍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，对于传感器技术的需求也是巨大。
科技，让人类的能力圈不断扩大。如果说，机械延伸了人类的体力，计算机延伸了人类的智力，那么，无处不在的传感器，大大延伸了人类的感知力。
一、传感器技术发展经历的三个历史阶段
第1代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如：电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。
第2代传感器是70年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。
70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现集成传感器。集成传感器包括2种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如：电荷耦合器件（CCD），集成温度传感器AD590，集成霍尔传感器UG3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速，现已占传感器市场的2/3左右，它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。
第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。
二、国内外发展历程与现状
20世纪70年代初，西方发达国家大力发展计算机与通讯技术，忽视了传感器技术发展，造成了“大脑”发达，而“五官”迟钝的窘境，传感器产业相对惨淡。80年代初，美、日、德、法、英等国家相继确立加速传感器技术发展的方针，视为涉及科技进步、经济发展和国家安全的关键技术，纷纷列入长远发展规划和重点计划之中。并采取严格的保密规定对技术封锁和控制，禁止技术出口，尤其是针对中国。
日本1979年在《对今后十年值得注意的技术》中将传感器列为首位；美国国防部1985年公布的二十项军事关键技术中，被列为第十四项；《星球大战》计划、欧洲《尤里卡》计划、前苏联《军事航天》计划，英、法、德等国家高技术领域发展规划中均将传感器列为重点发展技术，并将其科研成果和制造工艺与装备列入国家核心技术。
美国认为，计算机技术是核心，敏感技术、光电子技术是关键和重点，新材料、微电子技术是支撑和基础。通信与计算机结合，以及多元化、新技术的融合代表着美国信息技术发展方向。
福布斯认为，当前，甚至今后几十年内，影响和改变着世界经济格局和人们生活方式的10大科技产品，传感器列为10大科技产品之首。
美国国家科学发展基金会认为，本世纪的重大变革就是：通过网络，把物质世界联接起来，并赋予它一个电子神经系统，使它具有能够感知信息的生命，而能够担当这一重任的核心就是传感器”。每年度财政预算约有69亿美元，用于传感器基础技术与应用研究，称其为“SensorRevolution”（即：传感器革命）。
早在20世纪80年代，美国就宣称世界已经进入了传感器时代。早在20世纪80年代初，美国就成立了国家技术小组（BGT），帮助政府组织和领导大公司、国有企业和机构的传感器技术的发展。在保护美国武器系统质量优势的关键技术中，有八项是被动传感器。2000年，美国空军列举了15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，其中传感器技术排名第二。
美国的发展模式遵循先军工后民用、先改进后普及的发展道路，其特点是显著的：
（1）重视传感器功能材料的研究；
（2）重视传感器技术的发展。美国霍尼韦尔公司的固态传感器开发中心每年投资5000万美元在设备上，目前拥有计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器、分步重复摄影、自动喷漆。最先进的成套设备和生产设备。每三年左右更新n条线路，例如胶和光刻、等离子体蚀刻、溅射、扩散、外延、蒸发、离子注入化学气相沉积、扫描电子显微镜、封装和屏蔽动态测试。只有这样，才能保证技术的领先水平。
（3）重视工艺研究：传感器的原理不难，也不保密，最机密的是工艺（制造）。许多评价传感器不是一般的工业产品，而是完美的工艺杰作。在美国，大约有1300家生产和开发传感器的制造商，以及100多个研究所和学院。
目前国际上缺乏制定国际标准的准则与规范，尚未制定出权威性的传感器标准类型。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。
例如，物理传感器有：声、力、光、磁、温、湿、电、射线等等；化学传感器有：各种气敏、酸碱PH值、离子化、极化、化学吸附、电化学反应等现象等等；生物传感器有：酶电极和介体生物电等等。在产品用途和形成过程中的因果关系互相咬合，既不能划分到物理类，也不能划分为化学类，难以严格划分。
用传感器分类和命名方式，主要有以下几种类型：
（1）按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
（2）按传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。
（3）按照供电方式可分为有源或无源传感器。
（4）按其输出信号可分为模拟量输出、数字数字量输出和开关量传感器。
（5）按传感器使用的材料可分为：半导体材料；晶体材料；陶瓷材料；有机复合材料；金属材料；高分子材料；超导材料；光纤材料；纳米材料等传感器。
（6）按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。
（7）按照其制造工艺，可分为机械加工工艺；复合与集成工艺；薄膜、厚膜工艺；陶瓷烧结工艺；MEMS工艺；电化学工艺等传感器。
全球产品化的传感器种类约有2.6万余种，我国已经拥有约1.4万多种，大多为常规类型和品种；7000多种可产品化，而在医疗、科研、微生物、化学分析等特殊品种上仍有短缺和空白，存在着较大的技术创新空间。
三、共性基础工艺与三大技术创新趋势
众所周知，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、结构等复杂性要求等特点，长期以来传感器一直处于多品种小批量生产状态，结合工艺技术的分散性、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展开了长期的技术开发与创新，形成了一大批不同特色和特点的技术成果。
在美国硅谷传感器领域，围绕着以MEMS工艺技术为基础，根据不同行业和功能的需求，展开的不同封装结构的各种传感器产品创新，已经持续了近25年，形成的千奇百怪、五花八门的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与接受。
正如硅谷MEMS工艺技术创始人丹尼斯先生所说：“20多年来，硅谷传感器产品一直都是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，开展不同结构形式的封装的产品竞争与创新”。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。2011年，美国行业认为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、网络化接口等形成了创新与突破。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。
从美国传感器产业发展来看，呈现几个特点：
一是在共性基础技术上下功夫，并注重新技术、新工艺创新应用，不断提升品质。
二是强调传感器网络化、智能化节点技术、能量捕捉技术及协同创新。
三是核心技术都有政府管控、扶持、资助与推动的影子。
四是重点推广应用领域的引领与带动作明显。如军事工业、装备制造、物流、生态环境监控（森林防控）、移动医疗、智能家居等。
四、产业化生态体系与环境建设
借助共性基础技术和工艺，建立生产可柔性化、工艺规范化、产品标准化的生产体系，寻找产品的配套市场，彻底改变技术和市场的孤岛化、碎片化问题是传感器产业化的关键之处。根据MEMS工艺技术和产品市场应用特点，温敏、声敏、力敏、光敏、气敏、磁敏、频率等7大类型产品符合产业化技术特点和市场规模化需求，可实现产业化规模生产。
另外，以硅麦克风为代表的声敏传感器已经在国内外形成了十大主流特色品牌产品和商家（其中有瑞声、歌尔国内两家企业），实现了产业化规模生产；温、湿度传感器美国、德国、瑞士、日本、中国等国家都有规模化生产能力，在未来发展中温湿度将复合在其他物理量传感器之中，比如，力敏、磁敏可同时检测温湿度参数；频率含RF射频、毫米波等共性工艺技术接近、而参数、功能、应用差异较大的产品，可在同一厂家实现产业化。特别是在手机、智能交通、生物感知等应用领域具有爆发式增长，具有较大的诱惑力。射频器件95%仍是欧美厂商主导，甚至没有一家亚洲厂商进入。为了打破行业垄断现象，这将成为未来技术创新与竞争的焦点。
与国外相比，我国传感器产业发展缓慢主要是认识上的差距所致！对传感器带有偏见和片面的认识，缺乏国家战略认识高度。由于传感器分属不同行业和部门，存在多头管理，在发展上难于取得共识，管理乱象，政策支持缺乏力度导致产业分散，产品不能成为系列化；1200多家企业中95%以上属于小微企业，一方面缺乏足够的人力、物力、工艺技术条件等资源配置，产业化基础薄弱；另一方面市场准入门槛过高，缺乏相应的应用开发和技术创新能力，产品整体技术水平和参数性能指标，特别是可靠性、稳定性指标与国外同类产品相比要低1～2个数量级，无法满足市场对企业资质和配套能力的要求。第三是缺乏龙头企业引领和行业带动，缺乏国际化品牌、市场影响力、竞争优势和基础研究能力，导致行业内专业化企业数不足3%；核心芯片大都依赖进口，中高档产品几乎100％进口。整体工艺技术水平落后国外先进国家10～15年。
针对国内外产业现状对比和行业特点及存在问题，结合传感器技术工艺特征，业内期待在经济、技术优势和发达地区，聚集国内外数十家以上的传感器专业性公司和科研院所，组成具有产品技术工艺特色和产业化规模优势，以及国际市场影响力的产业集群或基地，形成年销售额1000亿元人民币（150亿美元）以上，并以年增长大于20%速度增长的国际化传感器特色产业园区。形成以敏感元器件为核心，智能化、网络化、模块化等集成应用为创新主体，物联网、智慧城市为应用目标的产业链构架（产业生态），同时具备政、产、学、研、用、服六维一体生态环境，实现产业化集群式发展，形成我国传感器“双生态”产业链，具有产业特色明显和区位优势突出的国际传感器产业园——即“传感谷”。
今天，德国、日本、美国、俄罗斯等老工业国家仍活跃于国际市场，在这些国家，传感器应用广泛，许多厂家已实现大规模生产，一些企业的年生产能力可达数千万甚至上亿。相比之下，中国的传感器应用还比较狭窄，更多的还停留在航空航天和工业测控领域。根据相关数据，中国最大的传感器公司的年产值只有55000。此外，高精密、精密的传感器和新型传感器的市场是几乎被外国品牌或合资企业垄断。
但现在我们国家的传感器正面临着历史上最好的时期。有巨大的市场需求和国家政策支持。一方面，国内许多企业都在努力开发自己的新技术，企业的管理模式也得到了很大的改进。另一方面，来自国际AMA的德国传感器协会也参与支持。传感器的质量、价格和功能将是国内企业未来改进的重点领域。将来，国内传感器将经历从工业过程测试到功能转换的过程。国内企业将更有效的学习自己的长处和短处，以便尽快与国外企业站在同一起跑线上，朝着小型化、网络化和规格化迈进。传感器现代化。我们期待着未来的中国传感器取得巨大成果，而我国的传感器企业还有很长的路要走。
