物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器低成本化發(fā)展的思考

引言

物聯(lián)網(wǎng)號稱是繼計算機、通信網(wǎng)絡之后的信息產業(yè)第三次浪潮，有研究機構預計，10年內物聯(lián)網(wǎng)就可能大規(guī)模普及,這一技術將會發(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場，其產業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍。

物聯(lián)網(wǎng)是全球信息產業(yè)的發(fā)展趨勢之一，也是我國“十二五”規(guī)劃的重點發(fā)展方向。目前，國家正在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)，2010到2015年為物聯(lián)網(wǎng)導入期，在主導領域實現(xiàn)物物互聯(lián)；2015年到2020年為成長期，物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)半智能化；2020年之后為發(fā)展期，物聯(lián)網(wǎng)將全面實現(xiàn)智能化。預計到2015年的市場規(guī)模就會超過2000億元，2025年將達到7500億元，年增長率超過30%,市場前景將超過計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等市場。

1物聯(lián)網(wǎng)的體系架構

按照國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物到物(ThingtoThing，T2T)、人到物(HumantoThing，H2T)、人到人(HumantoHuman，H2H)之間的互連［2］?物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)鏈可以細分為標識、感知、處理、信息傳送、控制管理五個環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)的關鍵技術分別為RFID、傳感器、智能芯片和電信運營商的無線傳輸網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)的體系架構包括三個層次：一個是感知網(wǎng)絡，即以二維碼、RFID、傳感器為主來實現(xiàn)“物”的識別；二是傳輸網(wǎng)絡，即通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或者下一代互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和計算；三是應用網(wǎng)絡，也就是各種應用服務，包括輸入輸出控制終端以及手機等終端。

感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎，包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器和M2M終端、傳感器網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)關等。要解決的重點問題是感知和識別物體，采集和捕獲信息，要突破的方向是具備更敏感、更全面的感知能力，解決低功耗、小型化和低成本的問題。物聯(lián)網(wǎng)感知層的技術結構特征如表1所列。

網(wǎng)絡層主要用于實現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能，它能夠把感知到的信息無障礙、高可靠、高安全性地進行傳送，但它需要傳感器網(wǎng)絡與移動通信技術、互聯(lián)網(wǎng)技術相融合。各種通信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡，被普遍認為是最成熟的部分，除網(wǎng)絡傳輸之外，還包括網(wǎng)絡的管理中心和信息中心，用以提升對信息的傳輸和運營能力，也是物聯(lián)網(wǎng)成為普遍服務的基礎設施。有待突破的方向是向下與感知層的結合，向上與應用層的結合。表2所列是物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的技術結構特征。

表1感知層技術結構特征

表2傳輸層技術結構特征

應用層主要包含應用支撐平臺子層和應用服務子層，是將物聯(lián)網(wǎng)技術與行業(yè)專業(yè)技術相結合，實現(xiàn)廣泛智能化應用的解決方案集，用于提供物物互聯(lián)的豐富應用。物聯(lián)網(wǎng)通過應用層最終實現(xiàn)信息技術與行業(yè)的深度融合，對國民經濟和社會發(fā)展具有廣泛影響?，F(xiàn)在的關鍵問題在于信息的社會化共享、開發(fā)利用以及信息安全的保障。

2傳感器的地位及應用

傳感器是信息感知和傳遞的源頭、是信息能量的轉換器,是一項使能技術。

社會信息化正在成長，社會網(wǎng)絡化正在普及，信息產業(yè)已成為國民經濟的支柱產業(yè)，傳感產業(yè)不僅成為新興戰(zhàn)略產業(yè)的熱點和制高點，還給傳統(tǒng)產業(yè)帶來“綠色或生態(tài)革命”人類為實現(xiàn)智慧地球、數(shù)字城市、低碳經濟等智能產業(yè)等雄心勃勃愿景，要建立人/物互聯(lián)網(wǎng)，就需要巨量的傳感器來知曉和掌控海量信息。傳感器產業(yè)雖受幾次全球宏觀經濟危機或疲軟連累，增速有起伏，但其仍是持續(xù)增長的“朝陽”產業(yè)。幾十年來，“東方不亮西方亮”，產業(yè)整體平均增長速度在10%以上，據(jù)預測，未來10年，傳感器需求市場的規(guī)模將超萬億，年平均增長速度超50%，70億人人均1000支傳感器。

傳感器的應用領域涉及機械制造、工業(yè)過程控制、汽車電子、通信、消費電子和專用設備等。

在世界范圍內，傳感器市場增長最快的是汽車市場的需求，占第二位的是過程控制市場，前景看好的是通訊市場。

汽車控制系統(tǒng)電子化水平的關鍵在于采用傳感器的數(shù)量和水平。目前，一輛普通家用轎車上大約會安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車傳感器數(shù)量可多達200余只，種類達幾十種。汽車和通信市場所用傳感器約占整個市場的三分之一。圖1所示是汽車控制系統(tǒng)中傳感器的應用示意圖。

我國是全球白家電（包括家用空調、電冰箱和洗衣機）生產和出口大國，2009年的總產量達3億多臺，所用傳感器約占市場的五分之一。

傳感器在醫(yī)療、環(huán)保、氣象等專用電子設備中的應用增

長快速，所用傳感器占市場份額的15%左右。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，用于對各種參量進行信息采集和簡單加工處理的設備，被稱為物聯(lián)網(wǎng)傳感器。傳感器可以獨立存在,也可以與其他設備以一體方式呈現(xiàn)，但無論哪種方式，它都是物聯(lián)網(wǎng)中的感知和輸入部分，用來進行各種數(shù)據(jù)信息的采集和簡單的加工處理，并通過固有協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息傳送給物聯(lián)網(wǎng)終端處理。如通過RFID進行標簽號碼的讀取，通過GPS得到物體位置信息，通過圖像感知器得到圖片或圖像，通過環(huán)境傳感器取得環(huán)境溫濕度等參數(shù)。傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)絡層，它作為物聯(lián)網(wǎng)的最基本一層，具有十分重要的作用。因此，傳感網(wǎng)絡層中傳感器的精度是應用中重點要考慮的一個實際參數(shù)。

在物聯(lián)網(wǎng)的大概念下，一個泛在的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，隨著參照物的不同，傳感器可以是一個“大”的“智能物件”，它可以是一個機器人、一臺機床、一列火車，甚至是一個衛(wèi)星或太空探測器。

雖然物聯(lián)網(wǎng)的產業(yè)供應鏈包括傳感器和芯片供應商、應用設備提供商、網(wǎng)絡運營及服務提供商、軟件與應用開發(fā)商和系統(tǒng)集成商，但是，作為金字塔的塔座，傳感器仍將會是整個鏈條需求總量最大和最基礎的環(huán)節(jié)。因此，“傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術的支撐、應用的支撐和未來泛在網(wǎng)的支撐，傳感器感知了物體的信息，RFID賦予它電子編碼，傳感網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的演變是信息技術發(fā)展的階段表征?！?

由于涉及領域面廣，涵蓋范圍大，對于中國物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)進行準確的估計和預測是相當困難的。從目前與物聯(lián)網(wǎng)的幾個重要相關的細分市場(傳感器市場、RFID市場、M2M市場等)的發(fā)展狀況，可以對整體的未來有一個初步的粗略判斷。圖2所示是對2010—2020年物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)三大細分市場規(guī)模的預測。由圖可見，中國物聯(lián)網(wǎng)整體產業(yè)在2015年的市場規(guī)模將超過2000億元，2025年將達到7500億元，年增長率超過30%。到2050年，傳感器將在生活中無處不在。

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年份

圖2物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)三大細分市場規(guī)模預測(2010—2020年)

3傳感器技術對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的意義

就目前我國對于物聯(lián)網(wǎng)相關技術的成熟度來看，通信技術和計算機數(shù)據(jù)處理技術相對成熟，而傳感技術平臺的搭建卻相對比較薄弱，因此，發(fā)展傳感器技術不僅是我國實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)核心技術的關鍵，也是全面發(fā)展戰(zhàn)略目標的關鍵。

在物聯(lián)網(wǎng)構建初期，在大量基礎設備生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到質量標準。因此，可以說，沒有優(yōu)良的傳感器技術，現(xiàn)代化生產也就失去了基礎；沒有傳感器技術支持，物聯(lián)網(wǎng)構造也將失去基礎。

傳感器的性能決定物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的唯一手段和途徑，傳感器采集信息的準確、可靠、實時將直接影響到控制節(jié)點對信息的處理與傳輸。傳感器的特性、可靠性、實時性、抗干擾性等性能，對物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的性能起到舉足輕重的作用。

傳感器升級可以加速網(wǎng)絡升級，傳感器技術的升級換代將提升網(wǎng)絡的升級換代。當信息采集用第一代模擬傳感器時,會產生第一代傳感器網(wǎng)絡；當信息采集仍用第一代模擬傳感器,控制站之間采用數(shù)字通信時，會產生第二代傳感器網(wǎng)絡；當信息采集采用第二代數(shù)字傳感器或第三代智能傳感器時，控制和通信采用全數(shù)字化技術，從而將產生第三代傳感器網(wǎng)絡；當信息采集采用第四代網(wǎng)絡化智能傳感器時，就產生了物聯(lián)網(wǎng)。

傳感器產業(yè)化決定著物聯(lián)網(wǎng)市場的應用前景。未來10年,物聯(lián)網(wǎng)將有上萬億元的高科技市場，其產業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍。在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時，如果不發(fā)展傳感器技術，則大量傳感器勢必要從國外進口，傳感器市場被國外占有，不僅經濟損失巨大，而且國家安全無保障。相反，如果在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時，從一開始就考慮傳感器的同步、協(xié)調發(fā)展，也許開始需要多花費一些資金，但從長遠看是十分有利的，因為這樣既提升了國產傳感器的制造水平，滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，保證了國內市場，同時還培養(yǎng)了一批傳感技術人才，縮小了與國外在傳感器方面的差距。

4傳感器技術的低成本化發(fā)展思考

傳感器產業(yè)規(guī)模并非與信息技術的另兩個支撐技術(計算機和通訊技術產業(yè)發(fā)展速度)并駕齊驅，甚至不相稱。即使在MEMS傳感技術成熟后，也沒有達到半導體器件鼎盛時期的速度，實際上也遠沒有出現(xiàn)“井噴”的預期。

2011年，傳感器的全球市場銷售額約700億美元，被寄予厚望的MEMS傳感器盡管在MEMS市場獨占鰲頭，也未到100億美元，貢獻不到1/5,而半導體器件全球市場的銷售額為3000億美元。除如手機等少量消費電子和汽車終端應用領域外，傳感器基本還是國防、工業(yè)流程、能源勘/采、計量等“富貴”領域和命脈經濟行業(yè)的專用品，在其他各類領域和行業(yè)，新的普及率也沒有期待值高。

既然用傳感器總比不用好，為什么在許多領域普及度不如預期廣泛呢？面對如此海量的需求前景，為什么產業(yè)規(guī)模增長未出現(xiàn)激增？有的領域沒有成熟到使用新技術，是結構性調整迫切性不突出嗎？價格降幅大，消減用量增長顯現(xiàn)？是相關因素？其實這些都是次要原因，主要原因是使用成本高。有的領域用不起，傳感器是奢侈品(如對家電產業(yè)、農業(yè)等)；有的行業(yè)覺得用傳感器得不償失，利潤附加值不抵增加的使用成本，另外就是麻煩，也增加了售后服務成本。這類似于節(jié)能燈泡的推廣應用,其5~8倍的普通燈泡價格,大大限制了平民百姓廣泛的認同度。

在信息化、網(wǎng)絡化時代，人/物互聯(lián)網(wǎng)要泛布全球和人類各個角落，傳感器應降低身價，由奢侈品轉型為通用品、消費品、日用品、耐用品。

事實上，通過降低成本來提高性價比，換取用量激增的成功案例還是比較多的。美國AD公司的單軸加速度傳感器價格過去為5美元，現(xiàn)在的三軸加速度傳感器則為1美元左右,現(xiàn)在汽車、智能手機和游戲機已廣泛大量采用，尤其是后兩者,現(xiàn)在的用量已接近10億只。圖3所示是過去幾年隔離液封壓力傳感器敏感器件在國內的價格降勢圖。

圖3隔離液封壓力傳感器敏感器件在國內價格降勢圖傳感器的綜合成本分內、外成本，即傳感器廠商的制造

成本與直接用戶的使用成本。制造成本追求傳感器制造過程及結果的量產率、成品率、一致性，追求最大限度的單位材料、能源、人力的產出率；使用成本則是廠商以用戶的成本為中心，這已經不是做單純的傳感器制造商，而是在賣產品的同時，還要以產品形式向用戶提供傳感器服務(如選型、安裝、維護等)。

傳感器的制造過程是使用、占用、消耗資源最大的流程，主要包括敏感芯片/元件加工、封裝/組裝、檢測/試驗。

敏感芯片/元件加工是低成本化最早、成熟度最高、最有量產規(guī)模效益的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)現(xiàn)在越來越多的種類已經成功移植半導體IC制造工藝，從而形成了獨立的微機械加工技術一MEMS工藝，這主要體現(xiàn)在：

單體微型化：邊長與面積關系，材料利用率成幾何增速；

基片大尺度化和單批基片數(shù)量增多，產出量和材料、能源、人力利用率成幾何增速；

扁平化在非平面結構已有突破，如薄膜線圈；

設備儀器工藝控制能力出眾超群，成品率、一致性、可靠性、壽命成數(shù)量級增長。

意法半導體(STM)是目前世界上最大的MEMS傳感器制造廠商，2011年的產值為6億多美元，8英寸線日產陀螺、加速度、壓力、微麥的敏感芯片超過300萬只，SMI公司6英寸片上壓力敏感芯片24000只，每只芯片切割后的邊長尺寸為0.65mm?

中科院微系統(tǒng)所發(fā)明的一種名為“微創(chuàng)手術”專利，每只絕壓敏感芯片切割后的邊長尺寸小于0.5mm，形似“芯?！薄＿@種工藝專利是頂面加工，無需支撐襯底材料，更易兼容IC工藝,單片平均價格在10美分以下。

傳感器制造的后道工序封裝/組裝、檢測/試驗占到整個傳感器制造成本的70%以上。封裝/組裝是材料、能源、人力利用率最低制造流程，減小單件耗材量、縮短單件耗時率，多采用專用高速自動化設備，少用人工，改善工藝兼容性是這個環(huán)節(jié)降低成本的必然要求。

傳感器的使用成本對市場依附極大，涵蓋了產品的選型成本、供貨周期、用戶產能能力、商業(yè)信譽、使用成本、維護成本等方面，但可以通過提供打包、交鑰匙的服務方案，具有核心芯片、主導產品的自主可控能力，主導產品實施適度庫存生產、強化新產品設計能力，縮短設計周期，提高設計正確率以及高性價比產業(yè)技術來得到解決。

5結語

在國家大力推動工業(yè)化與信息化兩化融合的大背景下，物聯(lián)網(wǎng)將是工業(yè)乃至更多行業(yè)信息化過程中一個比較現(xiàn)實的突破口。一旦物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及，無數(shù)的物品需要加裝更加小巧和智能的傳感器，用于動物、植物、機器等物品的傳感器與電子標簽及配套的接口裝置數(shù)量將大大超過目前的手機數(shù)量。僅就消費電子傳感器而言，目前平均市場價格為1美元，10年后將降到0.5美元，7萬億支需求將展示超萬億美元的市場機遇。因此，中國傳感器產業(yè)要為能分切全球市場大“蛋糕”準備好“切刀”，為站在靠前位置做好準備。

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