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全球智能传感器技术发展得怎么样了?


  来源: 中国电科 时间:2021-03-17 编辑:仪器仪表WXF
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智能传感器的发展态势可根据 MEMS、CMOS和光谱学分类研究。MEMS、CMOS是智能传感器制造的两种主要技术。预计CMOS技术将成为最大份额占有者,将从2013年的4.74亿美元上升到2020年的41.2亿美元,约占总市场份额的40%。光谱学技术是智能传感器增长最快的新技术,2013~2017年的年增加率高达38%左右。


1.  MEMS


MEMS传感器最早被应用于军事领域,可进行目标跟踪和自动识别领域中的多传感器数据融合,具有特定 的高精度和识别、跟踪定位目标的能力。采用MEMS技术制作、集成了A/D 转换器的流量传感器已被应用于航天领域。


要想实现智能化,需要集成 MEMS传感器的功能以及信号调理、控制和数字处理功能,以实现数据与指令的双向通信、全数字传输、本地数字处理、自校准和由用户定义的算法编程。


军用 MEMS智能传感器的研究主要针对长距离空中和海洋的监视、侦察(包括无人机蜂群),已经可以通过智能传感器网络,实现对多地区多变量的遥感监视。


2.  CMOS


(1) CMOS 传感器


CMOS技术是主流的集成电路技术,不仅可用于制作微处理器等数字集成电路,还可制作传感器、数据转换器、用于通信目的高集成度收发器等,具有可集成制造和低成本的优势。CMOS计算元件能与不同的传感元件集成,制作成流量传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、电导率传感器、PH传感器、氧化还原电 位(ORP)传感器、温度传感器、压力传感器、触控感应器等应用于各种场合的智能传感器。CMOS触摸传感器和温度传感器的市场份额保持在14%,并在近几年呈持续增长态势。采用CMOS技术制作、集成了D/A转换器的溶解氧传感器已被应用于汽车领域。集成了收发功能的浊度传感器已被应用于生物医药领域。组合了CMOS成像器和处理电路的数字低光度CMOS 基成像器正在成为军事应用领域的主流成像器。


(2)CMOS与 MEMS集成新技术


目前,关于集成智能传感器制作工艺的研究热点是与CMOS工 艺 兼容的各种 传感器结构及其制造工艺流程。传感器和致动器(S&A)通常采用专用MEMS技术,因 此,可以利用MEMS 与 CMOS的不同结合衍生出各种新集成技术平台。德州仪器公司的微镜就是超大规模 S&A与 CMOS在后CMOS工艺段结合的一个经典案例。若将 S&A 单片集成或异构集成在 CMOS平台之上,可以提高器件性能,减小器件与系统的尺寸,降低成本。


虽然国际上一些S&A技术达到很高的成熟度并且已经量产,但是S&A 与CMOS平台的三维或单片集成仍然面临高量产和低成本的重大挑战,因而受到极大的关注。


(4) 前沿领域中的新集成技术


基于碳纳米管(CNT)或纳米线等纳米尺度结构和纳米材料、可以实现更高性能的新集成技术和器件受到越来越多的关注。美国北卡罗莱纳州立大学宣布了最新研究的多功能自旋电子智能传感器,将二氧化钒(VO2)器件集成到硅晶圆之上,为下一代自旋电子器件铺平了道路。需要关注的技术还包括采用量子技术实现更高敏感性和分辨率的量子传感器,以及能够集成在手机芯片上的量子传感装置。


3. 光谱学


光谱学是一门涉及物理学和化学的重要交叉学科,通过测量光与物质相互作用的光谱特性来分析物质的物理、化学性质。精准的多光谱测量可以用于分析固体、液体甚至气体物品,只要有光就可以实现测量。光谱成像被广泛用于各种物体感测和材料属性分析。高光谱成像对图像中每个像素点进行光谱分析,可实现宽范围测量。美国 BANPIL公司的多谱图像传感器能够对频谱范围为0.3~2.5μm 的超紫外(UV)光、可见光(VIS)、近红外(NIR)、短波长红外 (SWIR)进行成像分析,目前已制成单片器件。


三、市场与应用分析


1. 主流产品处于上升周期


根据 MarketsandMarkets的报告:全球智能制造领域智能传感器的市场份额将从2013年的约3亿美元增加到2020年的27亿美元,CAGR为37.3%;智慧生活领域智能传感器的市场份额将从2013年的约3.6亿美元增加到2020年的41.3亿美元;汽车智能传感器的市场份额将从2013年的1.2亿美元增加到2020年的10.1亿美元,CAGR 为35.77%;国家安全领域航空航天应用的智能传感器市场份额将从2013年的约1.1亿美元增加到2020年的6.3亿美元,CAGR达到28.3%。


压力传感器、温度传感器、触摸传感器等主要产品均为两位数的增长率。采用MEMS、CMOS、光谱学等主流技术制造的智能传感器市场处于快速增长周期中。


智能传感器的主要制造企业包括美国的 ADI、瑞士的 ABB 和Colibrys、英国的Cypress半导体等。


2. 主流技术推进军事应用


军事应用的强烈需求不断拉动传感器技术的进步与变革。CMOS、硅微细加 工、MEMS 主流技术是传感器智能化的主要实现手段和传感器数据融合的硬件基础,也是实现低成本的有效途径。


(1) 传感器数据融合


关键词:智能传感器 技术发展    浏览量:21063

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