传感器产业的发展现状和前景分析

在信息采集系统中，传感器把各种非电物理量（如温度、压力、力、加速度、湿度等）或化学量（各种气体的浓度）转换为电压或电流，再由通信系统进行数据的收集和传输。现代传感器集成了信息感知和数据转换两个功能，甚至还具有通信功能。传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化和网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。

1）热力系统和油气系统应用

热力系统和油气系统的传感器主要是温度、压力、流量传感器。随着系统自动化和复杂化程度的提高，信息量越来越大，对传感器的精度、可靠性数据能力和响应的要求也越来越高，同时还要求传感器有标准的输出形式，以便于和系统挂接。在能源互联网中，很多传感器直接暴露于自然环境中，这对传感器的稳定性和抗干扰性提出了更高的要求。

传统的温度传感器有热电偶、热电阻及辐射温度计等，主要是针对传统产业，在高科技领域，其应用效果并不理想。近年来出现了一些新的温度传感器，如光纤温度传感器、特种测温热敏电缆、石英温度计、声学温度计和超声波温度计等。近年来，光纤技术的发展为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。光纤温度传感器的研究取得了较大的进步，它比传统的温度传感器具有更多的优点，如抗电磁性能高、耐腐蚀性强、体积小等。同时，光纤温度传感器的种类繁多，包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器等。

传统的硅压阻式压力传感器基本都把电阻排布在硅膜外表面，由于直接与外界环境接触，会使器件的性能和寿命大打折扣。为了提高器件在恶劣环境下的可靠性，目前普遍采用的是压力变送的封装技术，即将压力传感器芯片封装于充满硅油的密闭结构中，外加压力通过硅油从不锈钢膜片传递到压力传感器芯片上。此外，针对高温情况研制了高温压力传感器，如SOI高温压力传感器、SiC高温压力传感器、SOS高温压力传感器、多晶硅高温压力传感器、光纤高温压力传感器和陶瓷厚膜高温压力传感器等。美国Foxboro公司已经实现了多晶硅高温压力传感器的产品化。

传统的流速、流量传感器基于机械技术进行测量，测量误差大且精度低，而且一般采用体积法测量，传感器体积庞大，不利于系统的集成。为了适应现代化大容量数据传输和远程管理的需求，流量计量技术逐渐与半导体和MEMS技术相结合，其中具有代表性的有热式质量流量计、超声波流量计和多普勒流速仪等。2010年，上海交通大学微纳科学技术研究院分别基于SU- 8沟道材料和PDMS封装工艺制作了热温差式流量传感器，量程范围为1～100 m L/min。同年中国电子科技集团公司第十三研究所徐永青等人使用标准硅工艺与铂薄膜传感元件制造了一种适用于民用天然气管道的温差式流量传感器，量程达到8～3 000 L/min。目前，已发展成熟的光纤流量传感器有光纤涡轮、光纤涡街器、光纤多普勒、光纤干涉型及靶式光纤光栅流量传感器。

2）电力系统应用

电力系统的传感器包括电阻应变式、电容式、电感式、磁电式、压电式、热电式六种。这些传感器或是基于应变效应的导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变，其电阻值会相应的改变；或是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测量的变化转换为电容量的变化，由转换电路转换为电压、电流或频率。(www.xing528.com)

近年来，电力系统内一些新型的传感器不断涌现。红外热成像检测技术具有非接触、直观、操作方便、安全、单次检测面积大等诸多优点。美国Fluke公司发明生产的Ti20型便携式热成像仪是一种方便、轻巧的非接触式测量温度的仪器，能够准确、及时地测量距离比较远的辐射读数和热图像。此外，运用AGEMA570等型号红外热像仪对变电站和输电线路进行测温，对电气设备进行预知性维护，可以排除大量的安全隐患，有效避免不必要的损失，为工厂的安全运行提供重要保障。

3）无线传感器网络

无线传感器网络（wireless sensor networks，WSN）技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准——802.15.14。它是指由大量的廉价微型传感节点组成、通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域和一些临时场合等。WSN不需要固定网络支持，具有快速展开、抗损坏性强等特点，非常适用于能源互联网系统。

WSN由三部分组成：节点、网关和软件。传感器节点具有信息采集、处理、控制和通信等功能，对于网络而言，它有兼顾其他节点和路由器的功能。在无线传感器网络中，网关担当网络间的协议转换器，不同网络类型的网络路由器充当全网数据聚集、存储等重要角色，成为网络间连接不可缺少的纽带。传统的WSN网关是利用汇聚节点与PC机相结合来实现的。利用PC机与外部网络连接，将WSN的数据进行远距离传输。传感器网络覆盖感知对象区域，每个传感器完成其邻近感知对象的观测，多传感器协同完成感知区域的大观测任务，使用多跳路由算法向用户报告观测结果。

目前大部分已部署的WSN仅限于采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据，而在医疗监护、交通监控、智能家居等实际应用中，需要获取视频、音频、图像等多媒体信息，这就迫切需要一种新的WSN——无线多媒体传感器网络（wireless multimedia sensor networks，WMSN）。WMSN是在传统WSN的基础上引入视频、音频、图像等多媒体信息感知功能的新型传感器网络。

4）我国传感器市场

我国的传感器行业发端于20世纪90年代末，经过十多年的引进、消化、吸收，现已形成一定规模的传感器生产能力。据有关部门统计，全国敏感元件与传感器产品生产能力已超过4亿只，总产量约1.5亿只，总产值约550亿元，总销售额500亿元左右。近年来国内传感器市场持续快速增长，年均增速超过20%，目前中国约有1 600多家生产制造敏感元件及传感器的企业。

但我国的传感器行业与发达国家相比还有很大差距，主要表现在产品的质量、生产规模、市场开发等多方面。技术水平总体较低，高端产品严重依赖进口，主流市场依赖国外配套的情况尤为突出。目前传感器进口占比80%，传感器芯片进口占比达90%。目前我国敏感元件与传感器的科研开发水平落后发达国家5～10年，生产技术落后10～15年。与国外相比，我国相关企业的产品在品质、工艺水平、生产装备、企业规模、市场占有率和综合竞争能力等方面仍不能与国外同类企业抗衡。美国、日本、欧洲等国家和地区的企业，如德州仪器、飞思卡尔、西门子、英飞凌、霍尼韦尔、艾默生、通用电气等，已经形成了庞大的产品体系，同时推动了世界传感器市场以持续稳定的增长之势向前发展。