小柱式力传感器

据美国物理学家组织网3月22日(北京时间)报道，美国科学家研制出一种超灵敏传感器，可使用其增强的拉曼散射来探测包括癌症信号、炸药等物质，其灵敏度比普通拉曼散射传感器增强了10亿倍。 　　拉曼散射是指光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起光的频率变化，1928年由印度物理学家钱德拉塞卡拉拉曼发现。在拉曼散射中，一束单色光照射到一个物体后，其反射光会包含另外两种频率的光，这两种光的频率仅与该物体的分子组成相关，这就潜在地提供了一种有效识别物质的方法。但由于这种额外的光太微弱，科学家几十年来很难将拉曼散射付诸于实践。 　　上世纪70年代，科学家研制出表面增强拉曼散射(SERS)技术，可以通过将所鉴别物质放在粗糙的金属表面或金、银小粒子之上来增强拉曼信号。但科学家随后发现，这种增强的拉曼信号仅出现在传感器表面的几个随机点上，很难预测其具体位置，仍然非常微弱。 　　而普林斯顿大学电子工程系教授斯蒂芬周领导的团队摒弃了以往设计和制造拉曼传感器的方法，研发出一种全新的SERS结构：一块芯片上布满一行行由金属和半导体组成的小柱子。 　　新传感器获胜的“秘密武器”就是这些小柱子的排列方式：每个柱子上部和底部各有一个由金属制成的中空部分 柱壁上布满直径约为20纳米的金属粒子(等离子体纳米点)，金属粒子之间有2纳米左右的空隙。金属粒子和空隙能显著增强拉曼信号 中空部分能捕捉光信号，让光多次而不是仅一次地通过等离子体纳米点，从而也能增强拉曼信号。迄今为止，该芯片的灵敏度比不经过拉曼增强而研制出的传感器高10亿倍，而且其灵敏度非常稳定，能可靠地应用于感应设备中。 　　除灵敏度大增之外，借助纳米压印技术和纳米粒子自组装技术，新芯片能实现高质量、规模化制造，研究人员已经在4英尺的晶片上制造出这些传感器。 　　美国海军研究实验室的科学家也在进行相关实验，希望军队也能使用该技术探测化学物质、生物试剂和炸药。

今年以来，全球几大消费电子巨头纷纷发力抢占以智能眼镜及智能手表为代表的可穿戴设备市场。而在本轮可穿戴设备的追逐热潮中，传感器已然成为可穿戴设备产业链中的点金石，是硬件产业链上机会确定性较强的一块领域。据美国《华尔街日报》的报道显示，苹果即将发布的iWatch智能手表就将整合至少10种传感器，这无疑将对传感器市场的大热进一步起到推波助澜的作用。此外，前瞻产业研究院在此前发布的《2013-2017年中国传感器制造行业发展前景与投资预测分析报告》中，曾预测2013-2017年中国传感器制造行业销售收入将保持快速增长，2017年行业销售收入将突破5000亿元。分析人士表示，苹果等巨头的示范效应叠加传感器市场规模超千亿，都将推动国内传感器市场加速发展，相关概念大概率将获得资金青睐。 　　iWatch将成传感器大热催化剂 　　据外媒报道，最近Sensoplex公司的首席执行官Hamid Farzaneh在采访中对iWatch中可能出现的传感器进行了推测。作为一家新型可穿戴产品设计和供应传感器模块公司，Sensoplex在此领域非常具有发言权。 　　据悉，Farzaneh专门对这10种传感器进行了分类，有五种可能性比较大，而另外五种则是较有可能。其认为，几乎肯定会被整合进iWatch的传感器，包括加速度传感器、陀螺仪、磁力计、晴雨表/气压传感器及环境温度传感器。 　　Farzaneh指出，加速度传感器似乎已经成为智能手机的标配，而iWatch将使用加速度传感器测量身体运动，并且可以记录用户步数以及睡眠习惯。而陀螺仪是一款不可缺少的组件，可以侦测转动。陀螺仪获得的数据可以与锻炼逻辑算法相互协作 而且陀螺仪还能让iWatch&ldquo 感知&rdquo 用户，比如举起手腕准备看表时，屏幕自动亮起。气压传感器则不仅仅可以向用户提供更准确的天气数据，还可感知海拔高度的变化，对于跑步爱好者和登山爱好者来说，海拔高度数据非常重要。 　　针对比较有可能被整合进iWatch的传感器，Farzaneh认为，包括心率监控仪、血氧传感器、皮肤电导传感器、皮肤温度传感器以及GPS。 　　除此之外，据《华尔街日报》报道称，台湾厂商广大电脑将成为iWatch的主要生产商。而LG将为苹果智能手表独家提供显示屏，这种屏幕拥有2.5英寸，为长方形设计，且呈拱形，支持触摸以及无线充电功能等特点。 　　iPhone 6或搭载气压计及 　　传感器装置 　　据科技博客9to5mac报道，当前业界关于苹果下一代iPhone的传闻正沸沸扬扬，似乎iPhone 6将采用更大的屏幕设计、重新启用金属面板等，已是板上钉钉的事情。近期又有知情人士爆料，iPhone 6可能将搭载运动气压计和大气传感器装置。 　　据介绍，在通常情况下，气压计是用来测量位置高度的一个装置，这一传感器已经普遍存在于常见的Android设备上，比如三星的Galaxy Nexus手机。对于徒步旅行者、登山者、骑行和一些希望能够获取自己当前位置精确高度的发烧友来说，气压计传感器装置很实用。当然，通过一些气压数据，气压计同时可以预测气温和天气状况。 　　业内人士表示，&ldquo iPhone 6可能将搭载运动气压计&rdquo 的传闻并非空穴来风，在苹果最新的软件开发工具包Xcode 6和iOS 8操作系统的代码上，可以找到相关信息。其中的CoreMotion APIs上，赫然显示有高度测量功能。 　　此外，在当前的苹果应用商店内，已有几款可以跟踪高度的应用存在，这些应用基于现有的GPS芯片和运动跟踪芯片。不过，据相关开发人员称，Xcode 6 和iOS 8中的高度测量基于新的技术框架，需要有新的苹果硬件支持。 　　上述开发人员称，iOS 8操作系统对新的测量高度的硬件支持，意味着苹果将在未来发布的iOS设备中嵌入这一新功能，这些设备不仅包括今年秋季推出的iPhone 6，还有可能覆盖新的ipad，甚至iWatch。 　　此外，开发人员在iOS 8上还找到了环境压力跟踪参数，根据这些参数，除了根据气压可以确定高度外，还可以分析周边降水或天气阴晴状况。开发人员称，未来iOS设备的这种天气预测功能。 　　5000亿市场引角逐 　　应该说，传感器已经成为可穿戴设备产业链中的点金石，是硬件产业链上机会确定性较强的一块领域。以谷歌眼镜为例，其内置了多达10余种的传感器，包括陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力传感器、线性加速等传感器的应用，这让谷歌眼镜实现了一些传统终端无法实现的功能，如使用者仅需眨一眨眼睛就可以完成拍照。虽然谷歌没有透露具体的技术细节，但是业界专家都认为，这主要是因为谷歌眼镜内置了红外传感器和距离传感器，在两者的有机结合下，用户眼睛活动被识别，从而最终实现对应用的操作。 　　而在可穿戴设备智能化升级的过程中，MEMS传感器是传感器发展的必然趋势。MEMS被称为微机电系统，主要包括传感器和执行器两类，广泛应用于包括智能手机、平板电脑和可穿戴设备等在内的消费电子领域。分析人士表示，各类传感器功能性的全融合将成为传感器的研发方向，未来可穿戴产品终端前景的发展将取决于传感器等产业链上游技术的提升，其中，MEMS创新应用将是可穿戴设备发展的源泉。 　　另外，早在去年，前瞻产业研究院发布的《2013-2017年中国传感器制造行业发展前景与投资预测分析报告》就曾预测，2013-2017年传感器制造行业销售收入将保持快速增长，2017年行业销售收入将突破5000亿元。 　　具体而言，传感器制造行业研究小组认为，传感器制造行业的下游主要应用领域包括工业检测、汽车、医疗、环境保护、航空航天等。鉴于传感器制造行业下游市场给力，我国传感器制造行业的前景值得期待。其一，传感器在机械行业将会有广阔的应用前景。未来机械行业将会广泛全面地应用信息技术，加快产品更新换代，提高产品技术含量，缩短与国际先进水平的差距，在机械产品中融入传感器、单片机、微处理器、PLC、NC、数字通信接口以及激光等现代信息技术和高新技术，提高产品的机电一体化、数字化、智能化和网络化的程度，使产品的技术含量、知识含量、附加值得以提高。其二，随着传感器技术作为物联网的核心技术，家电物联网的发展必定会带动相关传感器技术的大规模应用，传感器在家电领域的发展前景也十分广阔。其三，在疾病的早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛范围内发挥作用的大趋势之下，传感器在这些方面将会得到越来越多的应用。

传感器融合了材料科学、纳米技术、微电子等领域的前沿技术，是新一代信息技术、高端制造装备、新能源汽车等战略新兴产业的先导和基础，也是智能交通、智能楼宇、智慧医疗、智慧基础设施等物联网应用的关键技术，具有技术含量高、经济效益好、辐射和带动力强等特点。 　　&ldquo 五化&rdquo 成为传感器技术发展的重要趋势 　　近年来，传感器技术新原理、新材料和新技术的研究更加深入、广泛，新品种、新结构、新应用不断涌现。其中，&ldquo 五化&rdquo 成为其发展的重要趋势。 　　一是智能化，两种发展轨迹齐头并进。一个方向是多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成，可全部或部分实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，具有低成本、高精度的信息采集、可数据存储和通信、编程自动化和功能多样化等特点。如美国凌力尔特(Linear Technology)公司的智能传感器安装了ARM架构的32位处理器。另一个方向是软传感技术，即智能传感器与人工智能相结合，目前已出现各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，并已经在智能家居等方面得到利用。如NEC开发出了对大量的传感器监控实施简化的新方法&ldquo 不变量分析技术&rdquo ，并已于今年面向基础设施系统投入使用。 　　二是可移动化，无线传感网技术应用加快。无线传感网技术的关键是克服节点资源限制(能源供应、计算及通信能力、存储空间等)，并满足传感器网络扩展性、容错性等要求。该技术被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》杂志评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。目前研发重点主要在路由协议的设计、定位技术、时间同步技术、数据融合技术、嵌入式操作系统技术、网络安全技术、能量采集技术等方面。迄今，一些发达国家及城市在智能家居、精准农业、林业监测、军事、智能建筑、智能交通等领域对技术进行了应用。如，从MIT独立出来的Voltree Power LLC公司受美国农业部的委托，在加利福尼亚州的山林等处设置温度传感器，构建了传感器网络，旨在检测森林火情，减少火灾损失。 　　三是微型化，MEMS传感器研发异军突起。随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟，MEMS传感器将半导体加工工艺(如氧化、光刻、扩散、沉积和蚀刻等)引入传感器的生产制造，实现了规模化生产，并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。近年来，日本、美国、欧盟等在半导体器件、微系统及微观结构、速度测量、微系统加工方法/设备、麦克风/扬声器、水平/测距/陀螺仪、光刻制版工艺和材料性质的测定/分析等技术领域取得了重要进展。目前，MEMS传感器技术研发主要在以下几个方向：(1)微型化的同时降低功耗 (2)提高精度 (3)实现MEMS传感器的集成化及智慧化 (4)开发与光学、生物学等技术领域交叉融合的新型传感器，如MOMES传感器(与微光学结合)、生物化学传感器(与生物技术、电化学结合)以及纳米传感器(与纳米技术结合)。 　　四是集成化，多功能一体化传感器受到广泛关注。传感器集成化包括两类：一种是同类型多个传感器的集成，即同一功能的多个传感元件用集成工艺在同一平面上排列，组成线性传感器(如CCD图像传感器)。另一种是多功能一体化，如几种不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能传感器，集成度高、体积小，容易实现补偿和校正，是当前传感器集成化发展的主要方向。如意法半导体提出把组合了多个传感器的模块作为传感器中枢来提高产品功能 东芝公司已开发出晶圆级别的组合传感器，并于今年3月发布能够同时检测脉搏、心电、体温及身体活动等4种生命体征信息，并将数据无线发送至智能手机或平板电脑等的传感器模块&ldquo Silmee&rdquo 。 　　五是多样化，新材料技术的突破加快了多种新型传感器的涌现。新型敏感材料是传感器的技术基础，材料技术研发是提升性能、降低成本和技术升级的重要手段。除了传统的半导体材料、光导纤维等，有机敏感材料、陶瓷材料、超导、纳米和生物材料等成为研发热点，生物传感器、光纤传感器、气敏传感器、数字传感器等新型传感器加快涌现。如光纤传感器是利用光纤本身的敏感功能或利用光纤传输光波的传感器，有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘性好、体积小、耗电少等特点，目前已应用的光纤传感器可测量的物理量达70多种，发展前景广阔 气敏传感器能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出，具有稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速、使用维护方便等特点，应用领域非常广泛。另据BCC Research公司指出，生物传感器和化学传感器有望成为增长最快的传感器细分领域，预计2014至2019年的年均复合增长率可达9.7%。 　　未来值得关注的四大领域 　　随着材料科学、纳米技术、微电子等领域前沿技术的突破以及经济社会发展的需求，四大领域可能成为传感器技术未来发展的重点。 　　一是可穿戴式应用。据美国ABI调查公司预测，2017年可穿戴式传感器的数量将会达到1.6亿。以谷歌眼镜为代表的可穿戴设备是最受关注的硬件创新。谷歌眼镜内置多达10余种的传感器，包括陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力传感器、线性加速传感器等，实现了一些传统终端无法实现的功能，如使用者仅需眨一眨眼睛就可完成拍照。当前，可穿戴设备的应用领域正从外置的手表、眼镜、鞋子等向更广阔的领域扩展，如电子肌肤等。日前，东京大学已开发出一种可以贴在肌肤上的柔性可穿戴式传感器。该传感器为薄膜状，单位面积重量只有3g/m2，是普通纸张的1/27左右，厚度也只有2微米。 　　二是无人驾驶。美国IHS公司指出，推进无人驾驶发展的传感器技术应用正在加快突破。在该领域，谷歌公司的无人驾驶车辆项目开发取得了重要成果，通过车内安装的照相机、雷达传感器和激光测距仪，以每秒20次的间隔，生成汽车周边区域的实时路况信息，并利用人工智能软件进行分析，预测相关路况未来动向，同时结合谷歌地图来进行道路导航。谷歌无人驾驶汽车已经在内华达、佛罗里达和加利福尼亚州获得上路行使权。奥迪、奔驰、宝马和福特等全球汽车巨头均已展开无人驾驶技术研发，有的车型已接近量产。 　　三是医护和健康监测。国内外众多医疗研究机构，包括国际著名的医疗行业巨头在传感器技术应用于医疗领域方面已取得重要进展。如罗姆公司目前正在开发一种使用近红外光(NIR)的图像传感器，其原理是照射近红外光LED后，使用专用摄像元件拍摄反射光，通过改变近红外光的波长获取图像，然后通过图像处理使血管等更加鲜明地呈现出来。一些研究机构在能够嵌入或吞入体内的材料制造传感器方面已取得进展。如美国佐治亚理工学院正在开发具备压力传感器和无线通信电路等的体内嵌入式传感器，该器件由导电金属和绝缘薄膜构成，能够根据构成的共振电路的频率变化检测出压力的变化，发挥完作用之后就会溶解于体液中。 　　四是工业控制。2012年，GE公司在《工业互联网：突破智慧与机器的界限》报告中提出，通过智能传感器将人机连接，并结合软件和大数据分析，可以突破物理和材料科学的限制，并将改变世界的运行方式。报告同时指出，美国通过部署工业互联网，各行业可实现1%的效率提升，15年内能源行业将节省1%的燃料(约660亿美元)。2013年1月，GE在纽约一家电池生产企业共安装了1万多个传感器，用于监测生产时的温度、能源消耗和气压等数据，而工厂的管理人员可以通过iPad获取这些数据，从而对生产进行监督。此外，荷兰壳牌、富士电机等跨国公司也都在该领域采取了行动。 　　传感器产业化发展的重要趋势 　　近年来，随着技术研发的持续深入，成本的下降，性能和可靠性的提升，在物联网、移动互联网和高端装备制造快速发展的推动下，传感器的典型应用市场发展迅速。据BCCResearch公司分析指出，2014年全球传感器市场规模预计达到795亿美元，2019年则有望达到1161亿美元，复合年增长率可达7.9%。 　　亚太地区将成为最有潜力的市场。目前，美国、日本、欧洲各国的传感器技术先进、上下游产业配套成熟，是中高端传感器产品的主要生产者和最大的应用市场。同时，亚太地区成为最有潜力的未来市场。英泰诺咨询公司指出，未来几年亚太地区市场份额将持续增长，预计2016年将提高至38.1%，北美和西欧市场份额将略有下降。 　　交通、信息通信成为市场增长最快的领域。据英泰诺咨询公司预测，2016年全球汽车传感器规模可达419.7亿欧元，占全球市场的22.8% 信息通信行业至2016年也可达421.6亿欧元，占全球市场的22.9%，且有可能成为最大的单一应用市场。而医疗、环境监测、油气管道、智能电网等领域的创新应用将成为新热点，有望在未来创造更多的市场需求。 　　企业并购日趋活跃。美国、德国和日本等国的传感器大型企业技术研发基础雄厚，各企业均形成了各自的技术优势，整体市场的竞争格局已初步确立(附表)。需要指出的是，大公司通过兼并重组，掌控技术标准和专利，在&ldquo 高、精、尖&rdquo 传感器和新型传感器市场上逐步形成垄断地位。在大企业的竞争压力下，中小企业则向&ldquo 小(中)而精、小而专&rdquo 的方向发展，开发专有技术，产品定位特定细分市场。据统计，2010年7月至2011年9月，传感器行业中大规模并购交易多达20多次。如美国私募股权公司VeritasCapitalIII以5亿美元现金收购珀金埃尔默公司的照明和检测解决方案(IDS)业务 英国思百吉公司以4.75亿美元收购美国欧米茄工程公司的温度、测量设备制造业务。目前，越来越多的并购交易在新兴市场国家出现。