在 物联网（IoT）各种场景中，传感器无处不在，是物联网不可或缺的一部分。

在广义的认知里，传感器是一种能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置。

传感器好比人的眼耳口鼻，但又不仅仅只是人的感官那么简单，它甚至能够采集到更多的有用信息。既然如此，就可说这些传感器是整个物联网系统工作的基础，正是因为有了传感器，物联网系统才有内容传递给“大脑”。

在过去，传感器更多应用于工业。但是随着时间推移，它已经慢慢走入我们的生活。

那么，传感器与物联网之间有什么关系呢？国内发展现状如何？哪些方面被卡脖子？未来的突围方向是什么？



传感器是物联网发展的基石

随着工信部在6月6号发放5G正式商用牌照，5G的到来似乎将物联网推到了一个风口处，而物联网的小翅膀是什么呢，或许不同的人有不同的答案，而传感器无疑是其中一个重要的选项。

物联网层次结构

从物联网层次结构图中可以看到物联网主要是由：感知层、网络层、支撑层和应用层四部分构成。有句俗话说得好：下层基础决定上层建筑。传感器作为物联网感知层的重要组成部分之一，作为整个物联网的基础，其重要性是不言而喻的。

物联网系统中的海量数据信息来源于终端设备，而终端设备数据来源可归根于传感器，传感器赋予了万物“感官”功能，如人类依靠视觉、听觉、嗅觉、触觉感知周围环境，同样物体通过各种传感器也能感知周围环境。且比人类感知更准确、感知范围更广。例如人类无法通过触觉准确感知某物体具体温度值，也无法感知上千高温，也不能辨别细微的温度变化，但传感器可以。可以说传感器就是“万物互联”时代物体与物体之间交流的“语言”。


传感器在物联网产业中的作用

物联网是将各种信息传感设备和互联网结合起来形成的一个巨大网络，它是互联网的升级，也是信息化时代的核心。物联网的发展需要智能感知、识别和通讯等技术支撑，而感知的关键就是传感器及相关技术，可以毫不夸张的说，没有传感器的进步，就没有物联网的繁荣。随着物联网的发展，传感器产业也将迎来爆发，传感器是物联网采集数据的关键组件，扮演着不可或缺的角色。

随着全球开始步入高速发展的信息时代，在获取和处理信息过程中，首先要解决的就是要获取可靠并准确的信息，而传感器是获取信息的主要手段和途径。例如在工业4.0时代，要用传感器来监视和控制生产过程中的参数，使设备保持正常的工作状态；在智能家居领域，传感器是实现用户和家居单品（灯光、电视、冰箱、音响等）互动的基础；在无人驾驶中，需要通过传感器对交通和环境数据的采集和处理，这样才能保证汽车在道路上的安全行驶……可以毫不夸张的说，未来物联网有多大的市场，传感器就能有多大的作为。

随着物联网需求的增加，目前国内传感器呈现一种高速增长的态势。据统计， 预计到2021年将增至5937亿元，未来五年中国传感器产业年均复合增长率约30%，远高于全球平均水平。



智能传感器的迭代、作用和体量

“IC与MEMS的集成与融合，是传感技术产业发展的必由之路，特别是高档传感器、智能传感器。”中国仪器仪表行业协会传感器分会名誉理事长、沈阳仪表科学院原院长徐开先表示。

在全球信息技术跨界融合加速，万物互联的时代，智能传感器作为与外界环境交互的重要手段和感知信息的主要来源，被视为决定未来信息技术产业发展的核心与基础之一。

传感器技术历经了多年的发展，大体可分为三代：

第一代是结构型传感器，利用结构参量变化来感受和转化信号;

第二代是20世纪70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成;

第三代传感器是智能型传感器。

智能传感器具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储功能的多元件集成电路，是集传感芯片、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。

智能感知时代，智能传感器扮演越来越重要的角色。2019年全球智能传感器市场的规模已经达到了347.6亿美元，受全球市场不断上涨的需求刺激，专家预测到2025年全球智能传感器市场规模有望超过900亿美元。

物联网、云计算、大数据、人工智能应用的兴起，推动传感技术由单点突破向系统化、体系化的协同创新转变，大平台、大生态主导核心技术走向态势明显，并成为发达国家和跨国企业布局的战略高地。

对此，我国也不甘落后早在2018年就做出了规划，明确指出要在2020年实现产业规模300亿的目标，进一步巩固了智能传感器在我国科技领域的重要位置。

目前智能传感器的应用领域主要有消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子四大领域。

在政策和市场驱动下，我国智能传感器产业生态趋于完备。设计、制造、封测等重点环节均有骨干企业布局。国内智能传感器技术研发已经初步开展，同时一些科研机构已建立起智能传感器中试服务平台，助推我国产业创新发展。与此同时，核心技术缺失、产品有效供给不足、技术创新能力不强、科研生产与应用不协同等问题仍然有待突破。



物联网时代对传感器的发展要求

从19世纪60年代诞生至今，传感器的历史已经有150余年了，在移动互联网时代，手机的普及促进了传感器的极大发展，但也决定了很多类型的传感器是专为手机而设计的。物联网时代的“物”在对传感和连接的需求上与手机有很大的差别，所以也对传感技术提出了更多、更高的要求。总结来说，传感器在朝着高精度、小型化、低功耗、智能化等方向进化。


1、高精度、高质量

如果传感器收集的数据信息出错，那么相当于从源头上出错，后面一切数据的传输、分析、应用也就没了意义，所以传感器的精度和质量是保障物联网愿景的一道重要基线。想象一下，如果一辆智能网联汽车传感器的精度和质量不达标，这就意味着在意外情况发生的那几毫秒内系统无法做出正确决策，从而严重威胁驾驶员的安全。


2、小型化

随着以智能手机为中心的移动设备向多功能、高性能化发展，要求电路板内的部件数量更多、体积更小。因此，传感器正在逐渐采用集成化技术，以实现高性能化和小型化。集成温度传感器、集成压力传感器等早已被广泛使用，今后将有更多集成传感器被开发出来。


3、低功耗

手机上的微博、微信、视频、游戏，都是电量消耗的大户，我们也早已习惯了每天充电、出远门充电宝不离身的日子，但你能想象假如烟雾报警器、智能摄像头等互联设备也需要天天调换电池会是怎样一种蹩脚的情景吗？和手机不同，很多物联网设备地处人们不常接触的区域，所以对功耗有极致的要求，从而决定了传感器的功耗也要很低，否则运营成本太高。


4、智能化

随着互联设备的激增，数据呈现爆 炸式增长，中心化的云端已经“不堪重负”，更重要的是，对于智能制造或智慧交通等应用场景，云端分析的延迟会使数据价值呈现“断崖式”下跌，于是，边缘智能开始兴起。

传感器是很好的边缘节点，用嵌入式技术将传感器与微处理器集成为一体，使其成为具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信功能的智能数据终端设备，这就是所谓的智能传感器。这种传感器具有自学习、自诊断和自补偿能力、复合感知能力以及灵活的通信能力。这样，传感器在感知物理世界的时候反馈给物联网系统的数据就会更准确，更全面，达到精确感知的目的。



五大领域对智能传感器的需求暴涨

智能传感器具有高精度、成本低、功能多样化、自动化强等特点，它是一种具有信息处理功能的传感器，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。在很多物联网场景下的传感器都具有智能传感器得特点，未来得物联网时代，智能传感器将是市场主流。

未来最有前景的几大物联网场景中，智能工业、智能家居、智慧医疗、智能汽车、智能农业等是未来最有可能普及的物联网领域。


1、智能工业传感器是实现工业4.0的基础

众所周知，工业4.0已经成为国家战略的一部分，智能制造是国家工业变革的关键，智能工业传感器在制造中的角色越来越重要。工业传感器的特点是性能指标和精度要求高，不允许数据采集和处理的失误。不同于传统工业的传感器，智能工业传感器将用于智能制造，它在精度、稳定性、抗冲击性方面提出了更为苛刻的要求。

未来，基于工业4.0的智能工业传感器需求将大幅增加，而这也是工业传感器厂商面临的最大机遇点。


2、智能家居给这些传感器带来了增长空间

智能家居的一大特点就是实现对家居用品的控制，随着物联网的发展，越来越多的传感器将用于家电中，如洗衣机、电视、冰箱、灯光、空调、油烟机等，原来没有传感器的产品都将因智能家居的普及而成为传感器主战场。

传感器将是智能家居产品的标配，例如压力传感器可用于洗衣机中对泡沫量的监控；光电传感器用于灯泡实现对灯光的控制；电磁传感器用在洗碗机里面可实现喷水臂的移动等，还有流量传感器、智能气体传感器等均大有用途。


3、智慧医疗需要各式各样的智能传感器

智慧医疗是利用物联网技术，实现患者和医务人员及医疗设备之间的互动，其工作的核心部分是对患者的信息进行采集、存储、传输和处理。在进行图像传输以及海量数据计算处理的过程中，需要各中各有具有智能处理功能的传感器，如用于测量病人血压的MEMS压力传感器，用于研究睡眠窒息的热电传感器，用于监控和测量体表体温的温度传感器等。

随着物联网技术的发展，无线医疗传感器逐渐向智能化、微型化、低功耗等方向发展，传感器在智慧医疗领域的应用也会越来越广泛。据外媒报道，科学家研究了一种新型传感器，可用于诊断眼外伤，它根据测定人类眼泪所含维C浓度的高低，判断眼外伤的严重情况。最近科学家又研究了一款仅有胶囊大小的可吞服心率传感器，病人吞服后可测量其生命体征等数据并将信息传输到接收器中，供医生远程监控。

随着技术的进步，应用于智慧医疗的传感器种类将越来越多，但它们的一大共性是具备智能传感器的特点。


4、智能传感器助力汽车的智能化

虽然国内的很多汽车实现了一些基本的联网功能，但并不是真正的智能汽车。随着AI和物联网技术的发展，智能汽车会成为未来的主流。智能汽车是一个集环境感知、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它的一大特点是能实现联网控制，而控制与操作的关键离不开智能传感器，智能汽车的普及将带来智能传感器的增加。

在智能汽车里面，未来应用最多的几大智能传感器将是空气流量传感器、里程表传感器、机油感应传感器、刹车压力传感器、位置传感器和碰撞传感器等。


5、智能农业传感器市场前景广阔

智能农业是我国建设成为农业强国的关键，在未来的农业生产中，需要很多类型的物联网传感器和相关技术。农业物联网的组成包括智能水质传感器、无线传感网、无线通信等，它们一起组成完整的智能农业系统，传感器是实现这些的第一步。

物联网农业的特点是以信息化技术为基础，在农业生产过程中通过传感器收集数据并进行量化分析和智能决策，农业生产的环境非常复杂，不同的场景需要的传感器不一样，如空气温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等，这些数据的采集都需要使用相对应的智能农业传感器。

传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的需求是传感器技术发展的强大动力，而现代技术突飞猛进则为其发展提供了坚强的后盾。

在物联网战略下，传感器国产化需求迫切，传感器行业的国内领先者更受政府扶持；作为物联网的关键，传感器成为整个产业链的优势环节，也代表了企业的核心竞争力。


国内短板：高精度传感器

但由于起步较晚，我国智能传感器产业目前仍面临产品有效供给不足、技术创新能力不强、科研生产与应用不协同等问题，由此带来的产业安全、信息安全挑战不容忽视。

长期以来，在传感器的关键行业，关键技术，高附加值应用上，国际品牌还处于垄断地位。

“由于传感器门类众多，技术门槛不一，我国在常规的传感器方面有所布局，但高精度的传感器是短板。”河南师范大学从事物联网研究的教授袁培燕表示。

高档传感器产品几乎100%从国外进口，90%芯片从国外进口许多产品是“有品无芯”。工业自动化用高档变送器用传感器，如EJA仪表中核心部件传感器，年销售35万台左右，全部由国外或国外在国内的独资企业生产。

汽车传感器几乎被国外垄断，某些特种用途和特殊量程的传感器，如航天、航空、航海专用传感器，国内基本不能生产。高端智能装备领域光纤传感器技术及产品与国外相比尚有较大差距。

在气体传感器领域，国内企业的气体传感器技术整体研发水平大幅落后于发达国家，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，没有成熟的应用技术，高端红外及电化学高端气体传感器及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，在产品的精度、稳定性和工艺方面相对于国外先进技术仍有较大差距。

温度传感器方面，对NTC热敏电阻器，国内企业实力严重不足，90%的市场份额被外资占领。极高温、耐辐射、耐高压的温度传感器尚不能批产。环境监测传感器领域空白多，产品少，细颗粒物没有能力监测。



脖子卡在哪？

谈及我国传感器落后的原因，多位专家均表示：技术、工艺以及材料等多种因素使然。创新能力弱;关键技术尚未突破;产业结构不合理，品种少、系列不全;企业能力弱。

“传感器涉及到研发、设计以及生产等环节。”博立信科技总裁吴云桥表示，“我国在材料、制程以及工艺等关键技术领域缺乏积累，所以这是一个长期的过程。”

首先，关键技术尚未突破是主要制约因素。

目前我国传感器共性关键技术尚未突破。在设计技术方面，传感器的设计技术涉及多种学科、多种理论、多种材料、多种工艺及现场使用条件;设计软件价格昂贵、设计过程复杂、考虑因子众多;设计人才匮乏，设计人员不仅需了解通用设计程序和方法，还需熟悉器件制备工艺，了解器件现场使用条件。可以说国内尚无一套有自主知识产权的，真正好用的传感器设计软件。

在可靠性技术方面，国产传感器可靠性不高是影响国产传感器大量应用的主要原因之一。据了解电力部门采用国外传感器产品三年不需检修，采用国内产品每季度检修一次，石化部门，重要生产线几乎全部采用国外传感器，而不敢使用国内产品。通常国产传感器可靠性指标比国外同类产品低1～2个数量级。

在封装技术方面，传感器的封装结构和封装材料，影响传感器的迟滞、时间常数、灵敏限，使用寿命等性能。从制造成本看，传感器的封装成本通常为总成本的30%～70%。国内对传感器的封装技术尚未形成系列、标准，也无统一接口，因而传感器的外型千差万别，很不利于用户选用和产品互换。

其次，产业化能力不足也是制约因素。

目前国内高精度、高可靠传感器研发及产业化能力严重滞后于需求，技术水平相比国外还有较大差距，产品一致性、可靠性水平比国外低1～2个数量级，产品的品种和系列大约是国外的30%～40%，产品的产业化程度不足15%。导致高精度、高可靠传感器严重依赖进口，从而被这些发达国家垄断，例如GE公司、Honeywell公司、英飞凌公司、西门子公司、ABB公司、欧姆龙公司、基恩士公司等等。

国内传感器产品不配套、不成系列。系列中比较易生产的某些规格尚能生产，且重复生产，恶性竞争，系列两端的产品往往不能生产，多需国外进口，如工业自动化仪表中广为应用的、高精度、高稳定的低微差压传感器(量程≤1KPa)，高差压、高静压传感器(量程≥3MPa、静压≥60MPa)。


第三，资源分散，产业规模小。

目前国内传感器产品处于发展阶段，传感器品种也不多，企业分散，制造水平低，产业规模小。目前我国传感器企业有2000余家，大都为小、微企业，盈利能力不强，缺乏引领技术的龙头企业。

产业分散体现在资金分散、技术分散、企业布局分散，产业结构分散、市场分散等方面;管理方面存在政府部门管理归口不统一、难于协调、多头管理现象;政策支持方面也存在政策支持的集中度不高，缺乏专项计划集中扶持，即使支持也过于分散，缺乏力度，缺乏持续性。


第四，传感器高端人才匮乏是影响传感器发展的最大瓶颈。

由于传感器行业经济基础、技术基础、产业基础较为薄弱，加之传感器产业涉及学科多，要求知识面广，新技术层出不穷，长期以来很难吸引国际顶级人才投身到传感器行业工作;加之国内由于学科设置不合理，缺少复合型人才培养机制，往往搞设计的不懂工艺、搞工艺的不明应用、会应用的不晓设计。造成很多企业缺乏既懂管埋、又懂技术、还会经营的复合型人才，以及工艺人才和技能人才。


从技术与应用突围

我们的突破口在于应用。中国巨大的应用市场给传感器发展带来发展动力，家庭智能终端的普及和机器人应用家庭化，带来细分产业传感器应用的新突破。

但应用的突破也需要技术与工艺的支撑。

国内传感器产业，大部分都在搞传感器应用，特别是在物联网，智能装备方面的应用，而不愿涉及传感器芯片的开发和研究。因芯片研发投资极大，成本高，工艺装备昂贵，资金回收周期长，且技术难度风险大，必须靠国家投资和资助，靠企业是难以为继的。

如果不在传感器芯片上投入和下功夫，那可能重蹈“IC芯片”之辙。如果传感器芯片性能优良，产品可靠性、稳定性高，其应用不愁没有市场。建议加强IC与MEMS技术的集成与融合，IC与MEMS的集成与融合，是传感技术产业发展的必由之路。

传感器芯片是比较复杂的一个产业，涉及到研发、设计以及生产等环节。

以MEMS为例，它用微加工技术将各种产品整合到基于硅的微电子芯片上，MEMS工艺与传统的IC工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀、化学机械抛光工艺等，但有些复杂的微结构难以用IC工艺实现，必须采用微加工技术制造。包括硅的体微加工技术、表面微加工技术和特殊微加工技术。除此之外，MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法，包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。

同通用芯片一样，传感芯片的生产制作过程尤为复杂。而且，在芯片生产加工中需要的材料中国产材料的使用率不足15%，高端制程和先进封装领域，半导体材料的国产化率更低，且部分产品面临严重的专利技术封锁。但如果我国不能掌握MEMS传感器的制造技术并主导其生产，无疑将阻碍传感器产业前进的步伐。

业内人士建议可重点放在非硅基的新材料、新机理、新工艺传感器的研究。重点发展应用市场广、具备一定产业基础、易于快速产业化的智能传感器及其核心元器件，运动感测组合传感器中的加速度计、陀螺仪，环境感测组合传感器中的压力传感器等。