被评为“十大科技之首”!探究日本传感器技术发展新动向

时间2022-07-28


作者:方鲲 1,2 刘康 1,2 方铮 1,2 李玫 1,2

1. 北京纳盛通新材料科技有限责任公司 2. 北京热塑性复合材料工程技术研究所


摘要

随着材料技术、半导体技术、IT 技术在各领域的普及,传感器的作用变得越来越重要。随着传感器的应用领域不断扩大,不仅智能手机、IT设备和汽车等行业都需要大量使用传感器,在体育、健康和医疗领域,利用传感器获取生命(生物)信息的需求越来越高。

本文将介绍几种主要的传感器—图像传感器、生命传感器、气味传感器、压电和张力传感器。它们不仅需要具备耐久性,而且针对不同的一个应用场景进行不同的封装。此外还介绍了关于这些传感器在云、人工智能和大数据领域的应用。

一、传感器的市场规模和发展趋势

让我们通过日本电子和信息技术工业协会(JEITA)对传感器全球形势调查的结果来看看传感器市场的规模及其变化。2020年全球传感器出货量为322亿只,出货金额约为18790亿日元,过去5年数量增长约25%,金额增长超过77%。

纵观各年,我们可以看到在数量上温度传感器占据了半数以上,达到69%,在金额上光度传感器占据了72%(图1)。按需求部门构成比,智能手机、通信领域的需求为59%,汽车、交通领域的需求为14%。根据种类统计,光度传感器所占比率大,根据需求用途统计,智能手机、通信领域所占比率大,这是因为智能手机领域大量搭载的照相机图像传感器的缘故。

图1 世界的传感器出货调查

最近,在一台智能手机上搭载广角、望远等多个相机的机型变得普遍,预计这一趋势将进一步加速。除此之外,监控摄像头的广泛使用也做了不小的贡献。

在汽车领域,图像传感器也是不可缺少的。最近的汽车以安全、安心、环境技术为目标,各种各样的传感器被广泛使用,所以汽车排在需求用途部门的第2位是可以理解的。此统计中JEITA的传感器分类如表1所示。

表1 传感器分类


二、图像传感器的市场动向

如前一章所示,世界光度传感器的出货金额超过了10000亿日元。从图像传感器领域世界首位—索尼的销售额和资本投资动向来看(图2),销售额从2013年的3200亿日元增长到2017年的6494亿日元,几乎翻了一番。此外,2018财年达到7114亿日元,2019财年进一步达到8400亿日元。

图2 索尼公司图像传感器的销售额和设备投资额(单位:亿日元)

从JEITA的统计数据(图1)中可以证实索尼占据了图像传感器全球市场的大部分份额这一事实。在设备投资方面,虽然受到2016年4月14日熊本地震的影响,但一直进行积极的设备投资,2019年度在设备上投入了 2800亿日元。2021年,索尼在长崎县建设了图像传感器的新工厂并已投入使用。图像传感器的用途正在不断扩大,其中除了智能手机、自动驾驶、数码相机、工业用机器人、摄影器材、医疗用机器等方面的用途之外,无人机搭载相机、安全目的监控摄像头等用途也多种多样,被称为“电子眼”的传感器的应用场景将进一步扩大。

三、生命体征传感器

近年来,在手表上搭载生命体征传感器的可穿戴设备—智能手表,备受瞩目。手表背面和表带部分搭载了光学式心率传感器,与加速度、GPS、气压等传感器一起测量佩戴者的活动量和健康状态。通过与智能手机应用程序的连接,不仅可以监测运动员、体育爱好者、徒步旅行及登山者的生命体征,还可从健康面在日常生活中监测健康状态。

在工业方面,夏天的酷暑引起了诸多问题。为了确保在炎炎烈日下土木建筑人员的安全,一些建筑公司开始导入一种利用腕式心率传感器的健康监测系统。光学式心率传感器的原理如图3所示,图4是管理系统其原理如为一般的光学式心跳传感器的原理,图4为管理系统的流程图。

光学心率传感器有透射式和反射式两种,安装在手表背面的传感器是反射式传感器。常使用对血液中的血红蛋白吸收率高的绿色LED作为光源,根据受光元件检测出的血流量的变动波形,测量其周期从而得到心率的数据。管理系统是通过网络通信将来自可穿戴设备的心率数据和体表温度数据等上传到云端,管理者监控作业人员的生命信息和位置信息。同时,如果通过监控作业现场的环境数据(气温、湿度等),还能提供更细致的服务。

图3 光学心率传感器原理图

图4 远程监护管理系统

(※1 日本著名的建筑企业大林组株式会社,2019年7月22日采用NTT Communications的通信方式,开通了“面向作业人员的安全管理系统 Envital®”,现场热源只需佩戴腕带,便可随时对作业人员进行健康监测。)

苹果手表Sereis4/5,除了光学式心率传感器之外,还搭载了电极式心率传感器,利用人体电势测量的电极式心率传感器,即ECG(Electrocardiogram:心电图)功能。通过测量人体不同点的电势变化,从而测量出心率变化,该方法测量精准,生成的心电图报告是可以直接用于医疗的,并且通过了美国FDA认证。

2021年,谷歌完成了对智能穿戴行业的先驱者Fitbit以21亿美元巨资收购,可以看出谷歌对“数字健康”市场的非同寻常的期待和战略。谷歌同时获得了可穿戴设备的硬件技术和Fitbit的顾客,通过对健康大数据的应用,把云和AI结合在一起,将来会提供怎样的新服务备受关注。IT公司苹果和谷歌的这一举措预计将以超出我们想象的规模和速度推进,为数字医疗保健创造巨大的市场。

下面介绍一下在2019年9月举办的传感器展会上展出了一种可以用创可贴胶布贴在胸部的电极式心率传感器(图5)。这款名为Vitalgram®的传感器是Aford Sense株式会社开发的产品。只需将其贴在身体上,即可将心电图和体表温度等生物特征信息、运动量、姿势、上下楼梯的高度变化、温度及湿度等环境信息实时发送至智能手机等外部设备。

图5 搭载电极式心率传感器的生命体征传感器(左:传感器正面 右:传感器背面 显示器显示的是由传感器采集的数据。)

产品规格如表2所示。其特点是在小设备上搭载了6项传感功能,是一款针对老人和婴儿看护、医院护士呼叫、个人健康管理、运动训练管理等广泛应用的产品。虽然没有手表型那么使用方便,但是在功能和性能方面颇具魅力,今后的发展值得关注。

表2 生命体征传感器规格


(※2 作为独立行政法人科学技术振兴机构的战略性创造研究推进事业(ERATO)的一环,该研究成果“创可贴型生物传感器的研究开发”是在兵库县立大学研究生院工学研究科前中一介教授的指导下进行的。)

四、气味传感器

说到气味,恶臭和异味等不好的印象首先浮现出来,而香味在传感的世界里从来没有见过。这里介绍的气味传感器是为了将臭味和香味可视化而开发的。气味含有非常多的气体成分,为了检测气味,需要专用的分析仪器。Aromabit株式会社开发了一种气味传感器,在传感器元件上形成选择性地吸附气体成分的独自的气味功能膜,通过水晶振子的振荡频率检测吸附在膜上的质量,从而检测出气味(图6)。从图中可以看到线路板上排列着5个气味功能膜,用户可以选择5种目标气味,Aromabit公司选择多达5种类型的敏感膜组合,可准确轻松响应目标气味。

图6 气味传感器(2018年12月1日发表的气味成像传感器系统开发套件[SDK-1Q])

(※3 这项技术被称为QCM(Quartz Crystal Microbalance:水晶振子微平衡)。传统的气体传感器仅区分气味中包含的特定分子,而Aromabit公司的传感器中则是以阵列状配置着吸附特性不同的传感器元件,测量气味分子的附着方式分离,无论是什么气味都可以识别出模式。利用这一技术,可以通过气味检测出酒的品牌、通过口臭或体臭发现身体的疾病,应用范围十分广泛。传感器元件的结构如图7所示。)

图7 吸附特性不同的传感器元件阵列和气味分子吸附在传感器元件上的示意图

独特的选择性吸附气体成分的气味功能膜技术,在CMOS型离子成像传感器的开发中取得了丰硕的成果。2019年7月23日,Aromabit公司在国立丰桥技术科学大学泽田和明教授等人开发的超高灵敏度硅CMOS型离子成像传感器的传感器基础技术中,成功应用了他们开发的气味受体膜,同时,为了产业化成立了Aromabit Silicon Sensor Technology 公司。如图8所示,该传感器可以在 1mm²的面积上形成与狗的鼻子同等的受体数(约1200种)相当的传感器元件,通过小型化和低成本化,成功搭载在智能手机上。

图8 水晶振子(QCM)与CMOS型气味传感器的比较

在2019年10月举办的CEATEC展会上,与Aromabit公司签订了气味传感器共同开发协议的太阳诱电公司展出了搭载气味传感器的产品(图9)

图9 产业化的气味传感器

(※4 左边是传感器线路板,中间是吸气·排气用的气味传感器单元照片,右边是传感器的模型。)

五、压电线路/张力传感器

三井化学开发了一种高感度、柔软、适用于线、面、立体的压电线/张力传感器,其线径为φ0.4mm,可以检测超声波区域中的微小应变变化和振动。这个被命名为PIEZOLA的传感器,是一种压电元件呈线状结构的传感器,当施加应变和振动,压电材料本身就会产生电压。传感器的结构和规格如图10所示。

图10 压电传感器结构及规格参数(卷在卷轴上的线状物是PIEZOLA压力传感器)

由于该传感器可以检测出微小变形变化的特点,可应用于线、面、立体及超声波的振动的检测,主要应用领域有:

接触·冲击传感器·高频振动传感器

防盗·监控传感器·心率/呼吸/体动传感器

可穿戴设备传感器

图11 实际应用示例(当施加压力时产生电压,监控画面上显示张力波形变化)

下图是Cosmo Research公司开发的使用压电传感器的心率/呼吸监测系统。

图12 婴幼儿看护系统(压电及张力传感器)

垫子上贴着线状高灵敏度压电传感器,当婴儿心跳或呼吸发生异常时会发出警报。目前作为“看护传感器”被应用于防止婴儿或老人的猝死综合症的发生。无论哪种应用场景,都是由高灵敏度的压力传感器捕捉到由心跳和呼吸引起的微小身体活动,通过高速信号处理算法,从噪音中辨别出异常信号。

六、关于面向基础设施用监控系统的传感器器件高耐久性封装技术

下面介绍一下关于在桥梁、隧道、大坝等环境苛刻的基础设施监测用的高耐久性封装技术。

日本新能源·产业技术综合开发机构(NEDO)成功研制了一种高耐候性的陶瓷(LTCC)传感器终端包装(图13)。为了将由传感器、AD转换器、微型计算机等电子电路、有线、无线通信电路、天线及电池等构成设备以一体化的方式安装在封装中,使其在长时间内稳定地工作,要求不仅能适用于较宽范围的环境温度和湿度(高温、高湿、高盐等),还必须具备很高的耐候性/耐水性·防尘性/耐振性。NEDO的这项研究,对于基础设施监控的传感系统来说必不可少。测试条件如表3所示。

图13 陶瓷包装外观

图14 陶瓷包装结构示意图

表3 耐久性加速测试条件



七、用于传感器开发的测量仪器

传感器的工作原理时通过敏感元件及转换元件把特定的被测信号(物理量和机械量),按一定规律转换成某种可用信号,比如说电压信号并输出,以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。因此,用于传感器开发、制造的测定器也以基本测定器为主。但是,如果把这个作为传感系统的开发用测量器的话,就需要更多种类的测量仪器。图15概述了用于传感系统开发的测量仪。搭载输入放大器、AD转换器、搭载微机的电路板设计所需电源、万用表、示波器。在省电设计中,微电流测量是不可缺少的。最近的示波器不仅可以观测模拟波形、解析数字(逻辑)信号,还有混合域光谱分析功能。通信功能通常采用蓝牙、920MHz的LPWA和无线LAN,因此设计是否符合标准,使用频谱分析仪和协议分析仪的测试会增加。

图15 用于传感系统开发的测量仪器

八、结束语

传感器作为现代科技的前沿技术,被认为是现代信息技术的三大支柱之一,也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。传感器技术直接关系到我国自动化产业的发展形势,“传感器技术强,则自动化产业强”。由此可见传感器技术对自动化产业乃至整个国家工业建设的重要性。

日本则把传感器技术列为十大技术之首。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国家重点发展6大核心技术之一。

2020年全球传感器的市场规模约为1606.3亿美元,智能传感器的市场规模为358.1亿美元,随着全球智能化应用和传感器行业的持续发展,2022年至2028年创下8.9%的CAGR纪录,预计2028年将达到3457.7亿美元。预计2030年中国ADAS/自动驾驶传感器的市场规模将增长到141亿美元。按传感器种类分类,雷达38亿美元,相机47亿美元,超声波传感器6亿美元,LiDAR为50亿美元,行业的发展潜力巨大。