智能传感

9月1日，郑州高新智能传感器产业基地项目开工仪式在郑州传感谷举行。该项目开工是郑州市、郑州高新区锚定电子信息“一号产业”，抢占智能传感器产业制高点，推动智能传感器产业高质量发展的具体行动。据介绍，郑州高新智能传感器产业基地总投资约15亿元，占地面积约61.83亩，总建筑面积约5.7万平方米，项目的建设有助于加快构建智能传感器产业生态，增强产业综合实力和企业竞争力，是高水平建设中国（郑州）智能传感谷，打造千亿级智能传感器产业的必要支撑，能够加快企业创新集聚，有利于我省抢占传感器产业制高点。该项目将重点打造智能传感器材料、智能传感器系统、智能传感器终端等产业集群，建设郑州高新智能传感器产业基地，配套建设智能传感器孵化器、产品展示等综合服务平台，着力集聚智能传感器上中下游企业，形成高端产品制造为产业基础、新型研发机构为支撑、软件算法和示范应用为推动的生态体系。该项目开工建设标志着产业链发展更加延展、稳固、健全，标志着我省的智能传感器产业发展占领关键环、迈向中高端，也标志着中国（郑州）智能传感谷的建设辐射更广泛、品牌更凸显。截至目前，郑州市智能传感器核心及关联产业规模约300亿元，占全省90%，占全国约10%，关联及应用企业约4000家。主要分布在气体、仪器仪表、电力电网、环境监测等领域，在国内细分行业具备一定优势，培育了以汉威科技、炜盛电子为龙头的气体传感器，以新天科技、光力科技、天迈科技为龙头的仪器仪表传感器，以日立信、三晖电气为龙头的电力电网传感器，以驰诚电气、安然测控为龙头的环境监测传感器。2022年10月，郑州高新区在由工业和信息化部直属的中国电子信息产业发展研究院颁布的中国传感器十大园区排名中位列第四。

1月9日，光明区举行了大湾区智能传感新型产业社区首批配套项目集中开工仪式。据了解，大湾区智能传感新型产业社区是光明区以产业空间为核心，引领片区产业转型升级发展，全力打造智能传感产业集群“光明样本”的具体行动和重要成果。大湾区智能传感新型产业社区整体规划效果图据介绍，大湾区智能传感新型产业社区项目是由政府主导、公共利益先行的综合开发项目，坐落于光明区凤凰街道松白路与光明大道、公明大道交会处，毗邻南光快速出入口，轨道13号线贯穿其中，东面紧邻茅洲河生态走廊，处于光明区西部板块中心，紧邻光明区松白路城市发展轴线。产业社区内项目多、规模大，生态本底优良，拥有产业、居住、商业、文化休闲、公园及其他公共配套等多元化生态，将打造“生态、宜居、乐业”的光明区西南片区，构建“先进智造园区+科技产研街区”全链条智造产研空间。在大湾区智能传感新型产业社区首批配套项目中，涵盖了工业及居住用地、城市道路、教育设施、绿地公园、文体设施、产业空间、智慧社区等七个方面。产业社区内的明湖智谷项目尤为引人关注。作为先进制造业的汇聚之地，明湖智谷一期产业规模宏大，涵盖了32.54万平方米的厂房、82280平方米的宿舍、2500平方米的商业服务配套及10010平方米的公共设施。明湖智谷以“2+1”的产业发展体系，助力光明区打造千亿智能传感产业集群。在产业配套方面，润雅园占地面积达7.1公顷，建筑面积约7.4万平方米，建成后，将成为光明区的地标建筑之一，汇聚年轻家庭和专业人士，成为商业投资的热点，不断激发零售和服务的无限活力。而塘尾第一学校紧邻润雅园，学校占地面积25250.3平方米，建筑面积55738平方米，定位一所九年一贯制学校，办学规模为54个班，提供2520个学位。

如果把智能系统比作“人”，那么传感器就是“人”的感觉器官。不同类型的传感器，感知周围环境并把数据传递给系统进行计算，对情况进行实时分析、判断和应对。随着数字化智能化不断深入，各式各样传感器的用武之地大为拓宽，为人类创造美好生活发挥着巨大作用。一部智能手机里有上百个传感器：有用于摄像的CMOS图像传感器，有用于检查环境明暗的环境光传感器，还有用于导航的地磁传感器、陀螺仪，等等。正是基于这些传感器，手机里的各种应用软件才能流畅工作，手机才能成为集工作、生活、娱乐于一体的便携式智能设备，带来人们生活方式的巨大变化。风云卫星上的可见和红外光电传感器，能够不分昼夜地获取大气信息，精准预测天气，甚至在月球上、火星上都有传感器工作，帮助人类探索宇宙奥秘。比人的感官更敏锐、更强大传感器是信息系统的“慧眼”。它就像人类的眼睛、耳朵、皮肤等器官一样，感知周围环境，帮助我们认识多姿多彩的世界。不同之处在于，传感器比人的感官更敏锐、更强大。客观世界所包含的信息多样程度，远远超出我们感官的能力范围。人的眼睛无法观察红外辐射和紫外辐射，耳朵听不见次声波和超声波，对于“不见踪影”却时刻产生影响的磁场也无法感知。这些超出感官范围的信息，传感器都能“感受”到。随着生产力发展，人类越来越需要全方位地感知世界。1821年，科学家利用材料因温差产生电压的原理，研制出世界上第一个传感器——温度传感器。最初，人们直接利用光、热、电、力、磁等物理效应制备各种传感器，这些传感器尺寸大、灵敏度低、使用不方便。上世纪70年代，出现了将敏感元件与信号电路进行一体化设计的集成传感器，如热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。这类传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，输出模拟信号。上世纪末开始，数字化传感器快速发展，通过“模拟/数字”转换模块，实现数字信号输出。数字化传感器集成智能化处理单元，可以自动采集、处理数据，并能根据环境自动调整工作参数，数码相机中的光敏元件就是其代表产品。总的来说，传感器的工作原理是某些物质的电学特性会随环境因素变化。例如铂在不同温度下电阻率不同，硅在可见光照射下电阻会减小，石英受到压力后表面会产生电荷，等等。利用电阻与温度的对应关系，可以制成温度传感器，进一步给敏感元件添加隔热结构，依据敏感元件温度变化与红外辐射能量之间的关系，可以制成红外传感器。在此基础上，还可以根据目标温度与红外辐射能量之间的关系，制造出非接触测温传感器。人们熟悉的用来测量体温的额温枪就利用了这一原理。借助丰富的物理和化学效应，人们制备出灵敏度比狗鼻子高1000倍、可以“闻到”气体分子的“电子鼻”，以及可以在黑夜中观察物体的红外相机等种类丰富、功能强大的传感器。没有传感器就没有数字化、智能化数字化是对事物属性的量化，并用数字将其表达为抽象结果。借助现代信息技术，人们可以存储、处理、传播各种数字化信息。传感器可以将事物蕴含的各种信息转换成电信号，并利用数模转换电路将电信号用数字表达，是数字化的有效工具。当你拿出手机拍照片或视频时，光敏传感器会将接收的光强度信号转换成电信号，再按一定的规则用数字表达、存储，最终形成手机屏幕上的影像。数字化基于传感器获取信息。数字化系统需要处理的信息量非常庞大，仅靠人工或者传统设备无法获取，凭借传感器则能够实时、高效、精准、快速地获取，于是有了城市大数据、天气大数据、医疗大数据、农业大数据等。利用各类传感器，人们可以召开远程会议、学习网络课程、扫码支付甚至直播带货，由此发展出数字经济业态。数字经济涉及的云计算、物联网、人工智能、5G通信等各类技术，都与传感器息息相关。没有传感器就没有数字化和智能化。传感器是智能化系统的第一关，它的水平决定了智能化系统及其仪器设备的水平。传感器技术已经成为国际上信息高端器件领域的研究前沿，在人工智能、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等领域均发挥着不可替代的作用。比如一辆汽车会安装压力、温度、位置、声音、光、电等超过100种传感器，由车载电脑进行处理，帮助驾驶员作出判断。对数据的智能化分析降低了驾驶汽车的难度，让汽车变得更安全、更好开。更进一步，无人驾驶汽车通过传感器实时获取道路信息，一旦发现障碍物，便通过智慧分析及时避让。城市中高楼大厦、桥梁、隧道等建筑，也需要通过视频、温度、压力和烟雾等传感器实时监控安全状况，当数据汇总到一起，智能化系统便会及时分析，凝练出少量关键信息供使用者作出决策。甚至在未来，人类的感官也可以借助传感器变得更加强大，构建起智能化系统。智能传感器开拓新应用场景当前，各类传感器都处在进一步提升性能、降低成本，向数字化、智能化、小型化微型化、绿色低碳、可穿戴等方向进化，呈现出蓬勃发展态势。其中，智能传感器、柔性传感器、新原理传感器的研发具有代表性意义，有望塑造新的工作生活方式。发展智能传感器是重要趋势。借助智能传感技术，人们设计制造出具备获取、存储、分析信息功能的各种传感单元及微系统，实现低成本、高精度信息采集。智能传感器广泛应用在机器人、无人驾驶、智能制造、运动定量监测等方面，还可用于开发无创或微创健康监测器件等。近年来流行的动态血糖仪是个很好的例子。糖尿病患者将柔性传感器无痛置入身体，传感器每5分钟测一次血糖值，并传送到手机应用中。患者可以观察血糖曲线变化，及时通过饮食和运动等方法调节血糖，有的患者甚至由此告别了药物和胰岛素治疗。此外，人们还在研发可降解电子器件，让智能传感器更好助力低碳环保生活。发展柔性传感器是另一趋势。许多应用场景要求传感器制备在柔性基质材料上，并具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。目前制备柔性传感器的常用传感材料有碳基材料（炭黑、碳纳米管和石墨烯等）、金属纳米材料（金属纳米线、金属纳米颗粒等）、高分子聚合物和蛋白纤维等。例如一种具有可拉伸、抗撕裂和自我修复能力的交联超分子聚合物薄膜电极材料，可用于制造下一代可穿戴和植入式柔性电子器件。将集成多功能的柔性传感器与柔性印制电路结合，可以制成“智能带”，把它穿戴在身体的不同部位，可实时监测与分析生理信息，帮助人们特别是感官退化的群体了解自身健康状况。新原理传感器也在不断出现。在基础研究领域，新的规律陆续被发现，人们正利用这些科学新认知制备传感器。同时，技术进步也对基础研究提出新要求。在生活中，人们希望提高相机的像素、灵敏度、速度等性能参数；在高速实验中，需要可以记录飞秒尺度信息的条纹相机；在量子通信中，需要灵敏度达到单光子的光电探测器；在空天科技中，需要实现对高速运动物体和冷目标的探测，等等。这就要求科学家们进一步探索物理世界，发现新现象新规律，提升传感器性能。随着科技快速发展，新材料新工艺不断投入应用，性能更强、种类更丰富、智能化水平更高的传感器将创造更多工作生活新场景，帮助人们“感受”美好生活。（作者：褚君浩，系中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员）