色标传感器

p style=" text-indent: 2em " strong 智能少不了传感器 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 传感器是数据采集的源头，它无处不在。智能最前端所需要的态势感知，基本都是要从传感器开始。无论是智能制造、智慧城市、智慧医疗等，还是智能设备和大数据分析，再庞大的智能系统，都要从传感器的针尖上开始。 /p p style=" text-indent: 2em " 医疗器械界的奇兵——达芬奇手术机器人有四百多个传感器；鼎鼎有名的波士顿机器人大狗，能够自如地翻跳腾跃，则需要1300个传感器。 /p p style=" text-indent: 2em " 日本著名的马桶品牌骊住Lixil，正在推出的智能马桶，马桶盖背面安装了图像传感器，可以自动识别粪便形状，整个马桶通过70多个传感器，自动检测并与云端相连，可以实现慢病大健康管理。而博世公司推出的工厂协作机器人助手APAS，内置了上百个传感器，以便可以迅速感知人的状态。 /p p style=" text-indent: 2em " 这些令人叹为观止的智能产品，其实都是有共性的。 /p p style=" text-indent: 2em " 这个世界的数字化步伐，半步都不能离开小小的传感器。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 540px height: 277px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/bdfb750d-86ef-4930-b040-13c9f2f48f33.jpg" title=" 1000.jpg" alt=" 1000.jpg" width=" 540" height=" 277" / /p p /p p style=" text-indent: 2em " 图1 传感器的数量 /p p style=" text-indent: 2em " 然而在中国战略性、支撑性的产业版图上，却几乎找不到传感器的位置。当新基建如火如荼建设的时候，传感器——这一至关重要的支撑，却几乎被人忘在脑后。这个画面大概如此，当所有光鲜的客人要步入大厅的时候，脚后跟却都被夹在门外。这种尴尬的局面，迟早是要痛得大声喊出来的。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 两栖物种 传感器六大怪 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 广泛使用的传感器，它属于以小搏大的工业门类，是通向其他产业的基础。但传感器也是一个很独特的行业。很多传感器都具有两栖属性：一方面，传感器的核心是芯片，会追随摩尔定律，有着快速进化的大脑；另一方面，它同时也与敏感材料、机械器件在一起，受到机械定理的许多制约。这是种独具特色的产业，使得传感器必须经过细心呵护，才能发展得很好。然而在中国，传感器却成为一个令人惊讶的“六大怪”行业。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器的第一怪：容量不小，而国内头部玩家却很小。2019年中国传感器市场规模达到1700亿元，估计有1700多家企业。除了歌尔、瑞声靠着苹果手机强大的出货量，体量达到百亿级，在声学传感器领域已经占住地盘。而其他领域，如手机、汽车、工控、可穿戴、物联网等，基本上都是国外品牌的市场。在消费电子、安防之外的领域，产值超过1个亿的企业并不多，只有郑州汉威、宝鸡麦克、南京高华等跑在前面，其他国内传感器企业，基本都属于土豆俱乐部。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器的第二怪：种类繁多，但这个市场很隐蔽。国外成型产品及在研种类有3万多种，我国有2万多种。这些数量未必精确，但传感器无疑是一个庞大类别的产品。而这种产品，却很少为业界之外的人所知晓。其实手机、汽车、工业测量、智能装备等都是应用传感器的大户。而这几年风生水起的智能制造、工业互联网，都离不开小小的传感器。当然人工智能也不例外。可以说人工智能跑得再快，脚上穿着还是传感器的鞋。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器的第三怪：民品最怕断供，军工不怕价高。军用传感器已经高度自主化，主要是由于军品采购可以不计成本。而如果要到民用市场来竞争，那是既要拼规模，也要有高性价比。如果功耗小一点，成本小一点，那就可赢者通吃。因此民用市场的突破还很艰难，也无法从军工市场获得支撑。两条隧道，各通一边，没有打通。而民用仪表传感器高度依赖国外。日本横河跟重庆川仪有一家合资公司，生产横河川仪的仪表。日本横河提供的谐振式压力传感器，这是最高精度的压力传感器。国内攻关一直未能攻克。这家合资厂也只能依赖日本的传感器。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器的第四怪：中国制造虽以成本著称，但传感器的成本优势还没有国外明显。中国目前生产大部分都是低端传感器。而我国中高端传感器进口占比达80%，传感器芯片进口更是达90%以上。中国生产成本也很高，收入才几千万，如何舍得投入几千万建生产线？现在很多传感器厂家，还都是单干，手工装配很多。因为产量上不去，有的1个月的产量也就5000只，根本谈不上规模效益。而博世、欧姆龙等早就把工厂设立在中国，成本优势同样巨大。 /p p style=" text-indent: 2em " 而且，美德日品牌企业对中国传感器市场虎视眈眈，对市场份额看得很紧。中国一有进步，就会被国外品牌降价挤压。2010年日本欧姆龙一个开关要接近400元，而现在随着中国品牌的逐渐崛起，现在只需要60元。灵活降价，坚决保卫市场份额，是国外厂商常见的营销手段。这种方法，一直将国产品牌压制在面黄肌瘦线附近，很难翻身。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器的第五怪：市场巨大，融资最难。本来智能制造、人工智能大热，传感器终于应该迎来咸鱼翻身。但是，没有。这是一个投资人不待见的市场。由于国内对这个产业的重要性的认识不足，导致投资界一直处于冷淡期。这跟产品隐蔽，做大做强比较难，是有关系的。而国家对这个产业的“冷处理”的态度，自然也影响了投资基金的判断。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器的第六怪：本是国之重器，奈何落地沦为小萝卜头。传感器作为感知的第一道防线，是人类社会走向智能的关键源头。然而这个行业一直得不到重视。上世纪80年代初，国家科委主持的课题研究中，在讨论信息技术包括哪些技术的过程中，“传感器技术”引起了巨大的分歧。但因为体量太小，最终还是被切掉。这一晃，四十年都过去了，情况几乎没有变化。虽然最近两三年有些鼓励发展传感器的政策陆续出台，但一无力度二无资金，基本也就是草草地走了过场。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器其实就是互联万物的五官，是眼睛，是耳朵，是各种触觉。尽管如此重要，却无人重视。传感器六大怪，本身就是一大怪事。这可真是一根扎心的刺。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 惊人的利润 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 在国内，传感器并不容易挣钱。由于芯片不能自主，工艺研发投入巨大，再加上红海竞争激烈，中国传感器的利润一直被压得很低。根据国内40家传感器企业上市公司的财报，将近40%的企业利润率低于5%；而利润为负就有6家。 /p p style=" text-indent: 2em " 都说制造业利润低，传感器看来也是其中的一种。不过，不挣钱，并不是这个行业的真实情况。 /p p style=" text-indent: 2em " 日本基恩士传感器公司，可以说是日本最挣钱的公司。2019年营业额接近360亿人民币，而利润，则达到了惊人的180亿。利润率居然超过50%，而且常年如此。传感器这种在中国几乎无法建树的行业，被日本做成了真正的摇钱树。 /p p style=" text-indent: 2em " 这家以纯设计（Fabless）起家的传感器公司，主要是设计和销售传感器、测量系统、激光刻印机等。从产品开发策略来看，它从来不定制产品，坚持完全“以我为主”的标准化产品研发。这种策略，维持了产品研发的规律性，而定制产品则会有很大的周期不确定性，经常导致企业失去灵活性。为了不断开发新品，基恩士采用了广泛的研发信息源，促使产品的多样化。而从产品系列而言，则采用了深度嵌套的产品组合。既有传感器产品，更有在传感器基础上做好的测量系统，成为测量领域的领头羊。 /p p style=" text-indent: 2em " 国内像海康威视、大华等领头羊，都是走大型工程。虽然也挣钱不少，但其实跟传感器也没有太大关系。即使是以气体传感器起家的郑州汉威，这几年也是重点聚焦在水务、环保等总包工程。传感器事业板块，不过只是这家上市公司的高科技之名而已，从体量而言则基本就是无足轻重。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器主要用在电子产品、工控与测量、设备等几个板块。而传感器的发展，最早是来自工业自动化的推动。但在中国最黯淡的，也就是工控与测量这个分支了。最典型的可以算是上海威尔泰仪表公司了。这家企业以核电为入手点，进入到传感与仪表领域的，属于纯正的工业自动化产品。从上市公司财务报表来看，这家公司上市已经14年，但最近一年收入大约在六千万元。不得不说，经营惨淡。要知道，另外一家巨头公司霍尼韦尔公司，其传感与物联部门在全球的营收将近60亿元。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 设计软件没人管 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 工业软件是中国制造的软肋，传感器更是如此。而传感器的设计软件，也是非常隐蔽的匕首。这几年MEMS传感器非常火爆，每个手机中都有几个，如感知加速度的。而一般的汽车至少也有十多个。德国博世、美国博通、荷兰恩智浦等都是业界巨头。中国只在麦克风的MEMS传感器扳回一个角，做得很好。 /p p style=" text-indent: 2em " 然而MEMS传感器的设计，需要两款很专业的CAD软件。一个是 IntelliSuite，这是美国1991年创立的，这也是最早的MEMS专用CAD设计画图软件。 /p p style=" text-indent: 2em " 另外一家ConventorWare也是美国公司。中国很多传感器企业几乎都在用，能占据中国80%的市场。当年在国内承担863计划MEMS研究项目的30个研究小组，全部都使用这种软件。它在MEMS传感器的位置，跟6月份哈工大被断供的Matlab软件在科学计算中的地位，基本一样。而在中国，几乎没有这种软件。不幸的是，这款软件在2017年被泛林LAM收购；而LAM是美国第二大半导体设备制造商。这都是美国政府最容易动刀子的断供之地。 /p p style=" text-indent: 2em " 工业软件，非常的细分了。如果不深入到行业中去，很多软件都是隐藏而不可见。这种处境，倒是跟传感器一模一样。传感器和工业软件，似乎都穿着隐身衣。而正是这些看不见的工业软件，其实暗地封锁着中国制造的诸多命脉。传感器设计软件，就是其中一道令人紧张的暗穴。没有软件，这些传感器很难被设计出来。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 几乎全是卡脖子 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 在中国，消费类电子的传感器，由于市场的拉动，近十年已经有了很大的进步。然而在工业级的传感器，卡脖子情况比芯片还厉害。围绕着控制与测量，尤其是仪器仪表传感器，几乎100%进口。 /p p style=" text-indent: 2em " 中国仪表的变送器两大巨头，都是“国外芯”。重庆横河川仪年产归谐振变送器30万台，传感器用的是日本横河的；北京远东罗斯蒙特，每年30万台金属电容变送器，用的是美国罗斯蒙特的传感器。可以说，这两家占据中国70%以上市场的龙头企业，基本就是给日本和美国打工。其他企业情况也一样，苏州恩德斯豪斯E+H一年大约5万台，用的是德国E+H；而国内品牌的龙头企业 ，用的基本都是德国FirstSensor。要命的是，这家公司，在今年3月被美国传感器巨头泰克连接公司所收购 。这对于中国的仪表，实际上非常的凶险。今后是否还能买到德国传感器芯片，存在着极大的不确定性。 /p p style=" text-indent: 2em " 这意味着，石化、医药等流程行业广泛使用的变送器，其中的传感器除了用日本横河和美国罗斯蒙特的芯片，原本用德国的公司的现在也要依赖美国公司了。 /p p style=" text-indent: 2em " 其他行业也基本是类似的状况。根据传感器国家工程研究中心《中国传感器发展蓝皮书》的统计，汽车传感器、高端化学类气体传感器、光纤传感器、环境检测传感器，对国外进口依赖度都是在95%以上。至于海洋传感器，用于移动观测平台的自动浮标、水下滑翔机，以及海上浮标等，则是100%进口。 /p p style=" text-indent: 2em " 国人非常关心的PM2.5值，其测量仪基本都是采用仪表巨头美国热电公司的产品。它内部所使用的微量振荡天平，通过测量滤膜上微小颗粒的质量而引起振荡管的频率变化，来测试空气颗粒物的浓度。以精密测量的传感器作为基础，热电公司的一台PM2.5测量仪，动辄几十万元，甚至上百万元。也只有国家级测量站，才用真正用得起这种仪表。而直到最近，这种技术才被天津大学精仪学院毕业博士所创立的天津同阳公司，基本攻克。这是一种很幸运的进展了。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器的卡脖子方式，与绝大部分其他工业产品都不一样。它就像一个漫山遍野的地雷阵，分散而隐蔽。要逐项对这一类卡脖子短板进行突破，必将是一个漫长的过程。而且要逐个突破，也基本不现实。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 历史上的动摇 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱。但本来处于战略要冲的传感器，在中国的产业位置，基本一直被边缘化。 /p p style=" text-indent: 2em " 这在中国，是有过历史上的动摇。据国内信息化老前辈介绍，上世纪80年代初，一些专家参与了国家科委主持的“信息技术发展政策”课题的研究与起草相关政策。当时第一个要解决的问题是: 信息技术包括哪些技术？计算机、集成电路、通信技术和软件四大技术得到专家们一致的同意。问题出在“传感器技术”，大家意见不一致。 /p p style=" text-indent: 2em " 图2 中国信息技术的构成 /p p style=" text-indent: 2em " 从理论上说，大家都同意，传感器技术是信息技术的一个重要组成部分。如果缺少传感器，信息技术就不完整了，体系上无法自洽。但是，从行业营业额来看，当时的传感器产业太小了，不要说与通信产业这样的大产业比，就是和当时的软件这样的“小产业”比，也不在一个量级上。如果并列在文件中，非常难以落笔。讨论了很长一段时间，最后还是“忍痛割爱”了。 /p p style=" text-indent: 2em " 可以说，信息技术刚刚起步，作为支点之一的传感器，从一开始就被边缘化。这种偏差，意味着中国的信息化，一直就是瘸腿的信息化。而进入数字化时代，工业互联网成为国家战略，这种瘸腿就更加明显。然而，这种历史上的动摇所形成的隐形偏差，历经四十年，越发畸形，而且直到至今，也未能得到纠正。 /p p style=" text-indent: 2em " 现在，应该是回到原点，重塑根基的时候了。 /p p style=" text-indent: 2em " br/ /p p style=" text-indent: 2em " 小记 /p p style=" text-indent: 2em " 芯片卡脖子，举国上下群情激愤，到处都是大投资。但中国的卡脖子，其实是一个系统性工程，不是只出现在某一个节点上。要说卡脖子，中国制造几乎就是长颈鹿的脖子，到处都是卡点。许多不同的卡脖子技术，底层有着更为隐蔽的交错关系。传感器的芯片，并不需要太高的纳米制程，像当前最热的传感器的微机电系统MEMS，它需要的制程甚至可以用微米级完成。以举国之力，狂热的投资，都要去解决华为手机芯片，或者中芯国际的先进制程问题，既不科学，也不理性，更忽视了其他同样重要的产业市场。 /p p style=" text-indent: 2em " 跟芯片卡脖子是卡在明处完全不同，传感器在中国的产业地位，基本就是一个黑户口，无人关注。这才是传感器产业最令人担心的地方。 /p p style=" text-indent: 2em " 中国数字经济已经是庞然大物，目前占GDP的比重约为35%，总量超过30万亿元。传感器正是数字经济的最基本的支点。然而在这座庞大宫殿的入口处，守门的哨兵，却依然在昏睡中。 /p p style=" text-indent: 2em " 这是智能大门的缺失。传感器就像无处不在的小伤口，随时都可能作痛。传感器之殇，中国不可承挡。 /p p br/ /p

目前的可穿戴传感器，已经可以实现在日常条件下跟踪佩戴者的运动和生命体征，例如步数、血压、血氧和心率，并且也已逐渐发展出以非侵入性方式对佩戴者的生物流体（如汗液、唾液、眼泪和尿液）进行原位化学传感（in situ chemical sensing）的技术。但是，传统的可穿戴传感器通常无法在一次测量中同时区分不同的化学物质。如果想要设计成可用于测量多种化学物质，则需要更大的尺寸和非常昂贵的成本。能够检测多种化学分子和生物标志物对及时、准确和全面了解佩戴者复杂的生理和病理状况至关重要。为此，东京大学的研究团队开发出一种基于表面增强拉曼光谱(SERS，Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)技术的新型可穿戴超薄传感器。该研究成果发表在6月22日的Advanced Optical Materials杂志，题为“高度可扩展、可穿戴的表面增强拉曼光谱”（Highly Scalable, Wearable Surface-Enhanced Raman Spectroscopy）。拉曼技术对可穿戴生物监测具有重要意义，因为它们拥有无需分子标记即可进行灵敏和多路化学分析的能力。困难在于，生物系统的固有的拉曼信号较为微弱，需要将目标分子结合到合适的底物上，以放大拉曼响应。研究团队选择了黄金作为基底。金是一种已知可有效用作SERS基底的材料，多个研究项目已经研究了在实际SERS平台中使用金属的不同方法。研究团队的灵感来自于制造镀金聚乙烯醇 (PVA) 纳米纤维的最新进展，该纳米纤维用于可长时间佩戴在人体皮肤上的电子传感器。团队成员 Limei Liu 解释，“这些 PVA 装置由涂有金的超细线纺制而成，因此可以毫无问题地附着在皮肤上，因为金不会以任何方式与皮肤发生反应或刺激皮肤。”这种可穿戴传感器由纳米网格状的PVA纤维制成，在纤维上覆盖150纳米的金层，将涂覆的纤维纳米网附着到目标表面（例如人体皮肤），然后用水将 PVA 溶解掉，只留下完整的金纳米网在目标表面。纳米线的尖锐边缘作为局部SERS效应的“热点”（hot spot），研究人员通过减小纳米线的直径来优化单位体积中的热点数量，同时保持足够的机械强度以实现耐磨性。在概念验证试验中，志愿者佩戴该贴片，并暴露在不同的化学物质中，然后用商用785纳米拉曼光谱仪进行检测。实验证明，该系统能够检测尿素和抗坏血酸等生物分子，并识别水中的微塑料污染。还可以检测到常见的滥用药物，以及应用于执法。该系统目前需要外部光源和光谱仪配合使用，但研究人员未来将把半导体纳米激光器和纳米光谱仪通过直接键合的方式，集成到可穿戴式SERS传感器中。助理教授Tinghui Xiao表示：“目前，我们的传感器需要进行微调以检测特定物质，我们希望在未来进一步提高灵敏度和特异性。有了这个，我们认为像血糖监测这样的应用是可能的，非常适合糖尿病患者，甚至可以用于病毒检测。”

p 　　近日，中国科学院合肥智能机械研究所杨良保研究员等人基于针灸针构筑了一种“可插入式”表面增强拉曼光谱(SERS)传感器，实现了多相体系的原位检测，该传感器有望用于针灸机理的研究。相关成果发表在美国化学会《分析化学》(Analytical Chemistry)杂志上。 /p p 　　传统针灸学源远流长，是我国医学科学的特色和优势，并对世界医学发展产生了积极的影响。然而，针灸并没有给出明确的现代科学依据，针灸作用机理不明确，这很大程度上限制着针灸的发展和推广，也是针灸在国内外并没有受到广泛认可和接纳的最主要原因。 /p p 　　近年来，SERS技术由于可以进行无损、高灵敏的指纹识别检测而一直备受关注，已经广泛应用于各大基础研究领域。杨良保团队一直在思考，能否利用SERS技术研究传统针灸机理。 /p p 　　受到传统针灸银针的启发，研究人员将PVP(聚乙烯吡咯烷酮)包裹的金纳米颗粒修饰在针灸银针表面，构筑了一种“可插入式”的SERS传感器。作为黏结剂，PVP可以直接将金纳米颗粒修饰在银针上面，而且由于金纳米颗粒表面PVP空间位阻的存在，银针表面的金纳米颗粒更倾向于密集排布，有助于形成更多的 “热点”，以提高“可插入式”SERS传感器的灵敏性。 /p p 　　杨良保告诉《中国科学报》记者：“和传统的SERS传感器相比，‘可插入式’SERS传感器更容易达到样品内部，通过针体表面不同位置的取点检测，可以获得样品不同深度的信息。” /p p 　　研究人员将“可插入式”SERS传感器置于水—油双相体系中，分别从水相和油相中取点检测，可以获得不同相中的分子信息。杨良保说：“这种‘可插入式’SERS传感器有望用于生物活体样本，特别是对于传统针灸机理的研究。” /p