智能传感器的特点(多功能传感器)

 

近日，对中国制造至关重要的《产业基础创新发展目录（2021年版）》发布（以下简称《目录》），《目录》起到引导、鼓励政府、企业创新发展、优先攻克各项关系中国相关产业发展、关系国计民生的各领域关键基础技术。

本次《目录》在中国工程院和国家制造强国建设战略咨询委员会指导下，国家产业基础专家委员会组织60位院士，700余家行业协会/学会、高校与科研院所、重点企业，约1000余位专家参与，历时6个月研究，召开120余次专题研讨会，终形成1047条产品和技术清单，是参与编制工作的院士和专家们集体智慧的结晶，是一份十分珍贵的重大成果。

以后，《目录》将每3年滚动修订一次，为社会各界提供参考和指引。

仪器仪表领域研究工作依托中国仪器仪表学会展开，由中国仪器仪表学会理事长、中国工程院院士、华中科技大学校长尤政担任组长，多位业内仪器仪表、传感器领域专家担任组员。

传感器及仪器仪表是信息产业的源头和组成部分，其中传感器更是是仪器仪表的核心和关键组成部分，仪器仪表测量的精度和误差，很大程度上由传感器决定。本次遴选出的仪器仪表、传感器领域产业基础创新亟需发展的产业基础零部件和元器件，共计37种，其中有20种是传感器件！

本文，来看看有哪些关键传感器被国家列入了这份亟需突破的器件清单？这些传感器有什么作用？

如需《产业基础创新发展目录（2021年版）》清单原文档，可在传感器专家网公众号对话框回复关键词【资料下载】，获取链接，在下载页面找到对应资料下载即可。

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《目录》总体情况和传感器&仪器仪表领域入选器件、技术

党的十九届五中全会把产业基础高级化水平明显提高作为十四五时期经济社会发展的主要目标和任务之一，而产业基础再造是制造强国的重点任务和现代产业的关键环节。

因此，出台《产业基础创新发展目录》，引导、鼓励企业创新发展、优先攻克关系中国相关产业发展、关系国计民生的各领域关键基础技术。

《目录》聚焦五基：即基础零部件和元器件、基础材料、工业基础软件、基础制造工艺及装备、产业技术基础。

《目录》遴选的是对国民经济建设、国防安全和人民幸福影响大的产品和技术，需满足以下三项标准之一：

①基础较好，三年或稍长时间能实现突破和产业化的产品和技术

②市场规模较大的产品和技术

③在国际上处于优势，特别是在世界处于领先的，以及具有原创性的产品和技术

《目录》的制定成立了多个编制组，包括包括 21 个领域组、5 个五基专项组、1 个综合组。编制组共 1000 余人，其中两院院士 60 余位。

《目录》共编制、收录了 1047 项产业基础产品和技术，其中仪器仪表领域（含传感器）共计53项目，占比5%，在21个基础领域里处于中上游。其中，最多的是新材料领域，达118项占比11%。

其中，基础零部件和 元器件 289 项，占比 27.6%；基础材料 269 项，占比 25.69%；工 业基础软件 100 项，占比 9.55%；基础制造工艺及装备 260 项， 占比 24.83%；产业技术基础 129 项，占比 12.32%。

仪器仪表领域中，基础零部件和元器件共计37种，其中传感器20种；产业技术基础10种，可在下图左右滑动查看：

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20种入选清单的传感器作用和介绍

1、智能电流与功率测量传感芯片

智能电流与功率测量传感芯片主要是对电流和功率的测量，随着我国新能源汽车的兴起，智能电流与功率测量传感芯片需求庞大。

智能电流与功率测量传感芯片是一种多功能传感器，具备检测电流和功率的能力，并具有自动校正、自执行等智能功能。然而，车规级智能电流与功率测量传感芯片对其稳定性、可靠性参数提出了更高的要求。

2、高精度压力传感元件

压力传感器是使用最广的传感器种类之一，全球市场上看，流量、压力、温度是传感器三大种类，压力传感器仅次于流量传感器，市场份额占比约19%。

在中国，压力传感器是市场最大的传感器种类，生产压力传感器的企业也是占比最多的，据智能传感器白皮书统计，我国力学量传感器产品（主要为压力）占所有传感器产品比例达49%。

为什么《目录》中写高精度压力传感元件而不写压力传感器？因为中国做压力传感器的企业很多，高精度的压力传感器也有许多企业在做，中国不缺高精度压力传感器，但缺高精度压力传感元件！

一般来说，传感器由敏感元件+转换元件构成。压力传感器种类繁多，据统计，用量最大的是MEMS压力传感器，其次是陶瓷、溅射薄膜、微熔等压力传感器，传统应变片、蓝宝石、压电、光纤、谐振等压力传感器在计量、国防航空等领域有所应用。

敏感元件和转换元件，对应MEMS压力传感器，就是MEMS芯片+ASIC信号调理芯片，这才是一个传感器的核心！

而这些传感元件，我国大多数传感器企业以进口居多。据2020年发布的《中国传感器发展蓝皮书》数据显示，我国主要硅基（MEMS）工业用压力传感器厂商核心传感元件，几乎都从国外进口。

3、高精度超声传感器

超声传感器即超声波传感器，高精度超声传感器可用于精细测距、指纹识别、安全探测等多方面应用。

目前，以MEMS 技术为主的微型高精度超声传感器在消费电子领域有着广阔的应用场景，例如小米、OPPO等手机厂商密集推出的无边框手机，为了在窄窄的边框塞入用于息屏功能的感应传感器，MEMS 微型超声波传感器是最佳的成熟应用方式。

MEMS 微型超声波测距传感器工作原理与普通传感器传感器一样，通过发射接收超声波，探测物体距离，但体积非常小，有利于集成，在智能手机、智能终端、智能家居家电、智能办公设备等使用场景广阔。

MEMS 微型超声波测距传感器体积不到目前同类产品的 1/10，产品实现需要达到耐高温贴装工艺要求，且在微型压电芯片加工工艺、微型装配工艺、 （MEMS）工艺压电材料开发等方面有较高技术难点。

目前市场上，该技术主要被日本企业村田垄断，国内没有具备设计和量产能力的企业。

4、高精度倾角传感器

倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计等，用于测量物体相对于重力的角度。这些倾角或水平仪以重力为参考确定空间中的角度方向，并通过相应的电气接口输出值。

倾角传感器主要应用于工业器械、安防监测、国防航空等领域，譬如高空作业平台的底盘测量，臂架角度测量，也可以应用于房屋，桥梁大坝，山坡形变位移监测，铁架姿态监测，车辆姿态监测等方面。

5、宽温区振动传感器

振动传感器是一种应用广泛的报警检测传感器。它通过内部的压电陶瓷片和弹簧配重结构感知机械运动振动的参数（如振动速度、频率、加速度等），并将其转换为可用的输出。然后该信号被运算放大器放大并输出控制信号。

由于振动传感器也是机电转换装置，因此有时也称为换能器、振动拾取器等。振动传感器是测试技术中的关键部件之一，广泛应用于汽车、摩托车防盗系统。百分之八十的车辆警报器使用这种类型的传感器。

因为敏感材料的特性（如硅等），温度变化会引起材料特性变化，从而引起较大的零点漂移和灵敏度漂移，导致传感器在工作温度范围内总误差增大，因此需要进行温度补偿。

目前常用的补偿方法有硬件补偿和软件补偿，硬件补偿电路复杂调试困难，不实用工程化。软件补偿一般有曲面拟合、样条插值和神经网络算法等，对改善精度有较好的效果，但曲面拟合和神经网络算法运算量大，对单片机性能有较高要求，样条插值算法需要的插值点数较多，增加了应用操作复杂度。

6、宽温区压力传感器

压力传感器一直以来都是传感器领域里面出货量、使用量最大的类型之一，尤其是宽温区硅压力传感器和芯片，这也是我国与世界先进水平差距比较大的方向。

从具体技术参数指标上来说，使用温度范围在－55℃～225℃之间，精度优于 0.25%FS 的高可靠性 MEMS 高温硅压力传感器是亟需突破的重点。

同时，低应力无引线封装、温度补偿、高温专用电路（ASIC）芯片等关键技术，开发测控接口电路，是实现批量化生产并在重大技术装备中应用的关键。

7、医用免维护电化学氧气传感器

医用免维护电化学氧气传感器是一种气体传感器，主要用于呼吸机等众多医疗设备，《目录》中还涉及催化燃烧式气体传感器、新型 MEMS 多通道智能气体传感器等几种气体传感器。

按技术分类的市场份额，占比最多的依次是电化学、红外、催化燃烧、半导体、光电离子探测技术的气体传感器。从全球范围内看，气体传感器的生产商主要集中在英、日、德、美和中国；高端的电化学类、红外光学类气体传感器，中国所占份额不足 5%。我国气体传感器情况和企业可参看《中国首次公布：气体传感器TOP 10名单！这些公司最强！》内容。

目前，我国医用免维护电化学氧气传感器基本依赖于进口。

8、催化燃烧式气体传感器

催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。

催化燃烧式气体传感器具有对可燃气体响应光谱性、温湿度不敏感、结构简单、精度较低的特点，多用于工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃气体浓度检测，以及汽油、苯、醇、酮等有机溶剂蒸汽检测。

气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多学科交叉的研究内容。

国内企业的气体传感器技术整体研发水平仍落后于发达国家，国内对气体传感器的研究主要体现在低端的半导体传感器和催化燃烧传感器方面，在高端的红外及电化学传感器的研究较少，缺乏成熟的应用技术，高端红外及电化学气体传感器和检测仪器仪表依赖进口。即使在低端的半导体和催化燃烧气体传感器方面，产品精度、稳定性和工艺水平相对于国外先进技术仍有较大差距。

互联网小常识：RIP是一种分布式、基于距离向量的路由选择协议；一个计算题：路由信息协议的工作过程：初始化的路由器只包含所有与该路由器直接相连的网络的路由，其它均为0；更新和维护：路由表建立以后，各路由器会周期地向外广播其路由表的内容。当一个路由器收到路由表内容时就与在自己的路由表中寻找，如果没有就将该路由项加上与该路由器的跳数，加入自己的路由表中，如果有则比较，取较小者。

9、高端位移传感器

位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。

按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。

位移传感器在工业测量、工业检测中用广泛应用，譬如高端数控机床，甚至光刻机等。高端位移传感器如数字激光位移传感器，基本被基恩士、SICK等国外传感器巨头垄断。

10、机器人用力传感器

机器人是可以自动执行任务的机械设备，可以按人的指令执行特定任务，也可以使用人工智能技术根据环境执行特定任务。视觉感知、力感知等，都是机器人使用最多的感知方式。

机器人中的力传感器主要分为两类：关节部位的单轴扭矩传感器和机器人末端的6轴力传感器。

单轴扭矩传感器价格并不算很贵，而且国产的一些性能也不错。机器人末端6轴力传感器相对来说价格昂贵，稍微好点的需要4、5万以上，目前没有什么好的国产替代品。

11、工业 3D 视觉传感器

3D视觉被称为第四次视觉革命，工业 3D 视觉更是智能制造的基础，工业互联网的未来是基于3D机器视觉的控制和AI认知系统的处理。工业3D视觉依赖的，就是工业3D视觉传感器。

当前，工业3D视觉主要集中在尺寸与缺陷检测、智能制造、自主导航三大类应用。工业3D视觉技术在工业领域内的使用，近两年最大的变化就是从单场景比如质检中发展到为全产线生产的赋能，也即是说智能制造中各环节都需要用到工业3D视觉传感器。

据GGII数据显示，随着机器视觉技术在工业领域的广泛应用，预计到2023年我国机器视觉市场规模将达到208.6亿元，其中3D视觉市场规模将达到34．28亿元；预计至2025年我国3D视觉市场规模将超过100亿元。

目前工业3D视觉传感器主要被国外巨头垄断，我国鲜有进行相关研究的企业。

12、单片多轴集成式加速度传感器

单片多轴集成式加速度传感器基于MEMS技术，MEMS加速度传感器是微机电系统领域研究最早的器件之一，当前单片多轴集成式加速度传感器仍然是MEMS技术研究的热点。

MEMS单片多轴集成式加速度传感器一般有3轴、6轴、9轴等，目前单片多轴集成式加速度传感器在消费电子、汽车电子等领域应用广泛，且基本为国外企业垄断，应用较多的有博世、意法半导体、TDK等企业。

13、小型化低功耗智能无线传感器

小型化、低功耗、无线化是传感器的发展方向，小型化低功耗智能无线传感器具有广泛用途，尤其是在物联网、智能家居等应用场景中。

目前，小型化低功耗智能无线传感器主要使用MEMS技术，通过MEMS技术能将传统传感器小型化，并随之降低功耗，另外通过设计的天线模块进行传感信号传输，这类传感器已成为物联网传感器研究热点。

14、高性能图像传感器

以CMOS图像传感器为代表的高性能图像传感器应用广泛，且极具市场价值，是市场规模最庞大的传感器种类之一。图像传感器在智能手机、安防监控、汽车电子、机器视觉等许多方面有着广泛应用。

国内高性能图像传感器的代表性企业有韦尔股份（豪威集团）、格科微、思特威等，具备与国际巨头竞争的潜力，据半导体咨询企业Yole的数据显示，豪威集团（Omnivision）是继索尼、三星之后的全球第三大图像传感器企业，此外格科微（Galaxycore）、思特威（Smartsens）也具有一定市场份额。

15、体外诊断高性能传感器

体外诊断高性能传感器是一系列用于随身健康检测或者医疗检测的便携式传感器，不需要进行侵入式操作（无需刺破皮肤等），随着新冠疫情大流行爆发，人们对随身健康监控、远程医疗监护的需求越来越旺盛，并且成为未来医疗传感器的发展趋势之一。

目前，应用较多的体外诊断高性能传感器有心率传感器、血氧传感器等，以及目前正在逐渐普及的血压传感器。有资料显示，苹果正在为其未来的智能手表开发血糖传感器，用于无侵入式血糖检测，如果得以实现，将是许多血糖患者购买苹果手表的主要理由。

16、播种作业质量传感器

我国是农业大国，农作物是否丰收，关系亿万农民的温饱，每年的中央一号文件，总是与农业息息相关。

依靠高度自动化的农业装备技术，德国不到2%的农业从业人员对国内生产总值（GDP）的贡献率超过7%，而中国农业从业人员为70%，对GDP的贡献率为10%左右。

多年来，我国一直倡导农业科技化，利用高科技技术提升农业效率，减轻农民负担。《目录》中，就有四种与农业有关的传感器：播种作业质量传感器、收获作业质量传感器、植物信息传感器、土壤信息传感器。

互联网小常识：密码学分为密码编码学和密码分析学。在设计加密系统时，加密算法是可以公开的，真正需要保密的是密钥，对于同一个加密算法，密码的位数越长，破译的难度也就越大，安全性也就越好。

播种是农业生产中最重要的环节之一，播种质量直接影响到农作物产量。目前，随着精量播种技术的发展，精量播种机已成为现代农业播种发展方向。

但播种机在播种作业时具有播种过程全封闭的特点，因此凭人的视听无法直接监视其作业质量，而在播种作业时发生的种箱排空、输种管杂物堵塞、排种器故障、开沟器堵塞或排种传动失灵等工艺性故障，均会导致一行或数行下种管不能够正常播种造成断条漏播现象，从而导致农业减产。

因此，需要播种作业质量传感器进行监测。国外对精密播种机监控系统的研究和应用始于 20 世纪 40 年代，在 20 世纪 90 年代就已经开发出较为完善的设备，一系列播种作业质量传感器可靠地用于播种机的监控。

相对而言，中国播种机械起步晚，中国播种作业质量监测传感器存在工作可靠性不高，系统制造成本较高，大型化播种机应用量小，作业技术水平低，成果转化速度慢等问题。

17、收获作业质量传感器

当前，中国许多农场已经使用农作物收割机代替人力手工收获作物，大量收获作业质量传感器被应用于这些收割机中。

国外已将传感器技术应用于谷物联合收获机械关键部件运动监测及自动控制、自动导航、喂入量监测、损失率监测以及自动测产等各个环节，大大提高了机械的可靠性及工作效率。

我国联合收割机自动化及智能化水平较低，且工况恶劣，工作时负荷波动大，故障率高。与国外相比，我国稻麦联合收割机自动化程度落后30年以上。

因此，通过提高收获作业质量传感器等智能化技术，提升我国谷物联合收割机的可靠性，减少收获损失，提高作业质量已成为当务之急。

18、植物信息传感器

如人可以通过穿戴电子设备监测心率、脉搏等信息一样，植物也可以通过穿戴传感器，获取相关的生长信息，这一类传感器称之为植物信息传感器，是目前生物传感器领域的热点研究内容。

浙江大学智能传感器团队制备了一种植物可穿戴式茎流传感器，长期无损的观察了水分在西瓜叶片、果实、茎秆等不同器官上的动态分配情况，发现西瓜在夜晚生长，这一发现也间接证明西瓜果实生长主要在夜间。这一发现改写了对于植物果实生长的传统认识，并对节水灌溉提供了新的思路。

获取充足的植物信息，将会是现代农业的巨大飞跃。当前，许多国外前沿大学已投入到植物信息传感器的研发中。

19、土壤信息传感器

土壤信息的采集和研究是农业领域重点研究方向，靠人工的传统农田土壤数据采集方法耗时耗力，大规模种植的现代化农场，更需要发展多功能的土壤环境数据的智能传感器，可有助于提高农作物产量、改善土壤品质、防控农业面源污染具有重要的研究意义，同时也可助力于建设高标准农田。

土壤信息传感器一般监测土壤的温湿度、电导率、酸碱度、氮磷钾养分、农药含量等数据，这些数据对作物生长至关重要，将有助于植物的生长，最大限度地提高产量。

20、新型 MEMS 多通道智能气体传感器

国内气体传感器领域目前有汉威科技、四方光电等中大型企业，但产品多为单独的气敏元件，落后国际平均水平一代，落后德国先进水平两代。

目前国际先进智能气体传感器已能在一个小型封装内集成气体传感、信号采集、信息处理、校准数据存储、温度补偿以及数字接口等功能。

剑桥传感器Cambridge CMOS Sensors(CCS，已被AMS收购)采用 DFN/LGA 封装的气体传感器最大尺寸不超过 2.7mm×4mm，最大功耗不超过 10mW。博世已推出集气体、气压、温度和湿度传感器于一体的 MEMS 环境传感器。瑞士 盛 思 锐 采 用 DFN 封 装 的 气 体 传 感 器 尺 寸 达 到2.45mm×2.45mm×0.75mm。

这些代表性的气体传感器目前国内仍没有厂商的技术水平能够达到，在敏感材料研发、敏感材料加载技术、集成信号调理采集技术、多传感器数据融合技术、智能气体传感器 SIP 封装工艺、海量传感器批量校准技术等方面，存在较大差距，亟待提升。

结语

《目录》经过 1000 余位专家编撰、审核，其中两院院士 60 余位，是基于当前中国国情下，各领域最亟需突破的卡脖子关键技术！

国家决心突破的这20种传感器，涵盖工业自动化、物联网、可穿戴设备、农业等多个领域，在国民经济建设中影响较大，应用领域较广。

接下来，这些传感器和仪器仪表领域，将是各级政府部门确定支持重点的依据，广大传感器企业和科研院所，在审慎考虑自身条件和进行充分市场分析的基础上，也可以选择《目录》中的产品和技术进行开发、市场化。

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