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【IC设计】新基建+传感器=?

来源:中国电子报    原作者:周水杉    

传感器技术是信息技术的基础和关键共性技术,其发展和应用是衡量一个国家信息化程度的重要标志,不仅体现了一个国家的科技发展水平,也是体现综合国力和生产力水平的重要标志。新基建结合新一轮科技革命和产业特征,是我国新形势下支撑高质量发展和战略转型的重要战略举措,为经济社会的创新、协调、绿色、开放、共享发展提供底层支撑的战略性、网络型基础设施。基础设施中感知种类和应用传感器数量的多少,以及互联互通能力,在很大程度上体现了基础设施信息化、智能化和可持续发展的水平。

科技进步为传统传感器发展带来生机与活力

传感器与集成电路一样,是一个高度市场化的产品,需要不断地更新换代,以实现技术的不断升级。相比于20世纪80年代,我国的科技水平有了很大提升。技术的进步推动了传感器领域新材料和新工艺的广泛应用,使传感器产品的性能不断提高,产品不断推陈出新。

微纳制造技术让传感器实现了微型化、低功耗、高集成度、低成本和规模化制造,现已成功应用于汽车、工业、手机等领域,并形成了百亿美元的MEMS传感器产业。随着5G、工业互联网、边缘计算、集成电路等新技术的融入,MEMS传感器将进一步向网络化、智能化、智慧化发展。

科技的进步也带动了传统传感器的升级换代。借助微电子和MEMS的制造工艺,比如薄膜生长技术、干法或湿法刻蚀技术、离子注入技术,陶瓷传感器的加工精度能得到提高,电化学性能和陶瓷传感器的性能也能得到改善。用物理方法或化学方法使需要的成分在基片上可控生长,并将陶瓷材料制成厚度在微米量级的薄膜,这可在保持陶瓷优越性能的同时提升其灵敏度和输出信号幅度,并显著提高其快速响应与恢复的速度。离子注入到陶瓷表面能够改善其表面特性,降低陶瓷的脆性,提高韧性,同时也能够实现陶瓷表面的催化,为气体传感器的发展带来新的方向。

陶瓷传感器具有耐高温、耐腐蚀、高强度的显著优势。汽车后处理传感器中的氮氧传感器、温度传感器、压差传感器、颗粒物传感器、氨传感器等都需要耐受高温,但传统的硅基传感器无法耐受150℃以上的温度。因此,基于微纳加工技术的陶瓷传感器为高温传感器提供了一种新的研究思路,目前已有多家机构开展了相关研究。

陶瓷还可以直接作为传感器的封装外壳,通过微组装工艺,使传感器的装配工艺难度大幅度降低。在目前的物联网演示系统中,一般采购来的现有传感器会根据安装要求设计外壳,并装配到结构上,这种做法有安装复杂、测量不准确的缺点。新基建的实施要求传感器与结构紧密融合,并在建设过程中实现模块化组装。陶瓷传感器可直接作为外壳使用,它耐腐蚀性强,可直接接触被测量介质。与此同时,注射成型工艺等新型技术为陶瓷成型开辟了新道路,可以制造出目前流延工艺无法实现的复杂结构,因此更容易融入到基建结构中,形成智能与感知结构。制造环节的减少还有利于减低生产成本,从而实现智能制造。

传统的陶瓷内埋技术和多层叠加技术可以实现多种传感器与处理电路的异构集成,而新兴的多种材料,比如在同一基板上生长和加工的陶瓷基异质集成可以实现更高的集成度和和更强的功能性,能够在同一个基板上实现感知和信号处理、电源开关、通信和执行等功能。比如,压电陶瓷既可实现振动和压力等信号的传感,也能作为执行器实现驱动的功能。除此之外,它还具备能量收集的功能。通过谐振式结构的设计,它可将外界振动信号转化为电能,从而实现传感器的自供电。供电和信号线传输是影响传感器在基建设施中大规模布置和应用的主要障碍之一,但多层陶瓷技术可以规避这一障碍。它能够实现电容和电感等无源元件的集成,进而实现谐振电路的集成,将受温度、压力等信号影响较大的元件串入谐振回路。这样一来,谐振频率就与被检测信号相关,因此利用有一定距离的读取电路就可以采集到谐振频率,实现无线无源传感。与此同时,它还可以把传感器直接“浇筑”到结构中,在需要的时候直接读取信号,减少了连线和维护的费用。

新基建拓展传感器的广阔应用空间

传感器是重要的信息和数据来源,作为“两化”深度融合的关键技术之一,传感器已经成为各种智能物联体系架构的基础。传感器在新基建实施过程中的应用将会更加广泛和深入。

传感器是人类对世界万物进行准确感知、制造和加工、运行的依据。从生态环境、交通、安全、通信、能源到社会生产生活领域,这些领域都离不开测试测量。可以说,没有传感技术就没有高质量的生活和工业体系。作为数字经济的核心要素,信息的产生更多地来自各种传感器,因此没有精准的传感,5G、工业互联网等新基建便无从谈起。

新基建设施需要大量传感器的接入和共享,而5G技术让传感器实现了海量连接。与现有的无线技术相比,传感器技术能提高两个数量级的接入数。它在信号传输的过程中消耗的功耗极低,且其电池寿命在5年以上,因此可以做到延长整个产品的寿命周期。此外,传感器的发射能力提升了100倍左右,因此它的应用让地铁、地下管廊等地方也能实现信号覆盖。5G技术让传感器实现了共享,满足了新基建的重要需求。一个传感器可以被多个应用系统调用,比如,一个摄像头即可为交管部门提供路面交通情况,可为公安部门提供安全信息,可为市政提供环境信息,可为园林部门提供植被信息,还可为环保部门提供污染源信息。因此,传感器被多个系统调用可以打破信息孤岛的局面。

基础设施的智慧运行需要依靠全面的感知来进行决策,拥有数量巨大的传感器信号却不能实时处理,也无法得到正确的信息。因此,在这种情况下,大数据技术和人工智能技术的重要性就得以凸显。大数据和人工智能技术可将海量传感器传输的复杂数据进行实时运算、处理和数据融合,还能够进行数据分析,使基础设施能够及时获取所需的可靠信息。嵌入式微处理器和边缘计算让传感器也具备了处理信息的能力,使其成为智能传感器,从而实现边缘传感器中枢的功能。这样就可以发送最重要的数据到云端,让中央系统进行更重要的判断和决策。

随着工业互联网、云计算、大数据、物联网等新技术、新应用的不断渗透,信息安全作为国家安全的一部分,其地位和重要性日益凸显。传感器作为信息采集的入口及信息安全的第一端口,其安全性已经成为了信息安全不可分割的重要组成部分。因此,越来越多的企事业单位出于安全性的考虑,纷纷把目光转到了国内的传感器产品。

新型基础信息建设为传感器提供了广阔的应用环境。传感器可以通过声音、图像、温湿度、压力、流量、振动、环境、姿态等各种参数指标的变化,来监控各种设施的运行状态和安全状况。与此同时,它还可以结合系统体系构架、软件服务模型,形成完整的“智能”与“智慧”系统,满足设施领域的智能管理需求。数字化基础设施的建设无疑为传感器技术创新发展提供了充分的想象空间。

随着国家新基建战略的进一步实施和各地方对新基建部署的不断深入,传感器市场规模将呈现高速的增长态势。这会极大地促进传感器技术的突破和创新发展,同时也为传感器在新时代的价值创造提供千载难逢的机会。

作者周水杉,供职于中国电科第13研究所 

封面图片来源:拍信网