物联网时代传感器低成本化发展的思考

0 引言
    物联网号称是继计算机、通信网络之后的信息产业第三次浪潮，有研究机构预计，10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。
    物联网是全球信息产业的发展趋势之一，也是我国“十二五”规划的重点发展方向。目前，国家正在大力发展物联网产业，2010到2015年为物联网导入期，在主导领域实现物物互联；2015年到2020年为成长期，物联网将实现半智能化：2020年之后为发展期，物联网将全面实现智能化。预计到2015年的市场规模就会超过2 000亿元，2025年将达到7 500亿元，年增长率超过30％，市场前景将超过计算机、互联网、移动通讯等市场。

1 物联网的体系架构
    按照国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决物到物(Thing to Thing，T2T)、人到物(Human to Thing，H2T)、人列人(Human to Human，H2H)之间的互连。物联网产业链可以细分为标识、感知、处理、信息传送、控制管理五个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。
    物联网的体系架构包括三个层次：一个是感知网络，即以二维码、RFID、传感器为主来实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网，实现数据的传输和计算；三是应用网络，也就是各种应用服务，包括输入输出控制终端以及手机等终端。
    感知层是实现物联网全面感知的基础，包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器和M2M终端、传感器网络和传感器网关等。要解决的重点问题是感知和识别物体，采集和捕获信息，要突破的方向是具备更敏感、更全面的感知能力，解决低功耗、小型化和低成本的问题。物联网感知层的技术结构特征如表1所列。

    网络层主要用于实现更加广泛的互联功能，它能够把感知到的信息无障碍、高可靠、高安全性地进行传送，但它需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。各种通信网络与互联网形成的融合网络，被普遍认为是最成熟的部分，除网络传输之外，还包括网络的管理中心和信息中心，用以提升对信息的传输和运营能力，也是物联网成为普遍服务的基础设施。有待突破的方向是向下与感知层的结合，向上与应用层的结合。表2所列是物联网传输层的技术结构特征。
    应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层，是将物联网技术与行业专业技术相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集，用于提供物物互联的丰富应用。物联网通过应用层最终实现信息技术与行业的深度融合，对国民经济和社会发展具有广泛影响。现在的关键问题在于信息的社会化共享、开发利用以及信息安全的保障。
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2 传感器的地位及应用
    传感器是信息感知和传递的源头、是信息能量的转换器，是一项使能技术。
    社会信息化正在成长，社会网络化正在普及，信息产业已成为国民经济的支柱产业，传感产业不仅成为新兴战略产业的热点和制高点，还给传统产业带来“绿色或生态革命”。人类为实现智慧地球、数字城市、低碳经济等智能产业等雄心勃勃愿景，要建立人／物互联网，就需要巨量的传感器来知晓和掌控海量信息。传感器产业虽受几次全球宏观经济危机或疲软连累，增速有起伏，但其仍是持续增长的“朝阳”产业。几十年来，“东方不亮西方亮”，产业整体平均增长速度在10％以上，据预测，未来10年，传感器需求市场的规模将超万亿，年平均增长速度超50％，70亿人人均1 000支传感器。
    传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子、通信、消费电子和专用设备等。
    在世界范围内，传感器市场增长最快的是汽车市场的需求，占第二位的是过程控制市场，前景看好的是通讯市场。
    汽车控制系统电子化水平的关键在于采用传感器的数量和水平。目前，一辆普通家用轿车上大约会安装几十到近百只传感器，豪华轿车传感器数量可多达200余只，种类达几十种。汽车和通信市场所用传感器约占整个市场的三分之一。图1所示是汽车控制系统中传感器的应用示意图。

    我国是全球白家电(包括家用空调、电冰箱和洗衣机)生产和出口大国，2009年的总产量达3亿多台，所用传感器约占市场的五分之一。
    传感器在医疗、环保、气象等专用电子设备中的应用增长快速，所用传感器占市场份额的15％左右。
    在物联网系统中，用于对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备，被称为物联网传感器。传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体方式呈现，但无论哪种方式，它都是物联网中的感知和输入部分，用来进行各种数据信息的采集和简单的加工处理，并通过固有协议，将数据信息传送给物联网终端处理。如通过RFID进行标签号码的读取，通过GPS得到物体位置信息，通过图像感知器得到图片或图像，通过环境传感器取得环境温湿度等参数。传感器属于物联网中的传感网络层，它作为物联网的最基本一层，具有十分重要的作用。因此，传感网络层中传感器的精度是应用中重点要考虑的一个实际参数。
    在物联网的大概念下，_一个泛在的物联网系统，随着参照物的不同，传感器可以是一个“大”的“智能物件”，它可以是一个机器人、一台机床、一列火车，甚至是一个卫星或太空探测器。
    虽然物联刚的产业供应链包括传感器和芯片供应商、应用设备提供商、网络运营及服务提供商、软件与应用开发商和系统集成商，但是，作为金字塔的塔座，传感器仍将会是整个链条需求总量最大和最基础的环节。因此，“传感器是物联网技术的支撑、应用的支撑和未来泛在网的支撑，传感器感知了物体的信息，RFID赋予它电子编码，传感网到物联网的演变是信息技术发展的阶段表征。”
    由于涉及领域面广，涵盖范围大，对于中国物联网产业进行准确的估计和预测是相当困难的。从目前与物联网的几个重要相关的细分市场(传感器市场、RFID市场、M2M市场等)的发展状况，可以对整体的未来有一个初步的粗略判断。图2所示是对2010—2020年物联网产业三大细分市场规模的预测。由图可见，中国物联网整体产业在2015年的市场规模将超过2 000亿元，2025年将达到7 500亿元，年增长率超过30％。到2050年，传感器将在生活中无处不在。

3 传感器技术对物联网发展的意义
    就目前我国对于物联网相关技术的成熟度来看，通信技术和计算机数据处理技术相对成熟，而传感技术平台的搭建却相对比较薄弱，因此，发展传感器技术不仅是我国实现物联网核心技术的关键，也是全面发展战略目标的关键。
    在物联网构建初期，在大量基础设备生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到质量标准。因此，可以说，没有优良的传感器技术，现代化生产也就失去了基础；没有传感器技术支持，物联网构造也将失去基础。
    传感器的性能决定物联网性能。传感器是物联网中获得信息的唯一手段和途径，传感器采集信息的准确、可靠、实时将直接影响到控制节点对信息的处理与传输。传感器的特性、可靠性、实时性、抗干扰性等性能，对物联网应用系统的性能起到举足轻重的作用。
    传感器升级可以加速网络升级，传感器技术的升级换代将提升网络的升级换代。当信息采集用第一代模拟传感器时，会产生第一代传感器网络；当信息采集仍用第一代模拟传感器，控制站之间采用数字通信时，会产生第二代传感器网络；当信息采集采用第二代数字传感器或第三代智能传感器时，控制和通信采用全数字化技术，从而将产生第三代传感器网络；当信息采集采用第四代网络化智能传感器时，就产生了物联网。
    传感器产业化决定着物联网市场的应用前景。未来10年，物联网将有上万亿元的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。在大力发展物联网的同时，如果不发展传感器技术，则大量传感器势必要从国外进口，传感器市场被国外占有，不仪经济损失巨大，而且国家安全无保障。相反，如果在发展物联网的同时，从一开始就考虑传感器的同步、协调发展，也许开始需要多花费一些资金，但从长远看是十分有利的，因为这样既提升了国产传感器的制造水平，满足物联网的需求，保证r国内市场，同时还培养了一批传感技术人才，缩小了与国外在传感器方面的差距。

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4 传感器技术的低成本化发展思考
    传感器产业规模并非与信息技术的另两个支撑技术(计算机和通讯技术产业发展速度)并驾齐驱，甚至不相称。即使在MEMS传感技术成熟后，也没有达到半导体器件鼎盛时期的速度，实际上也远没有出现“井喷”的预期。
    2011年，传感器的全球市场销售额约700亿美元，被寄予厚望的MEMS传感器尽管在MEMS市场独占鳌头，也未到100亿美元，贡献不到1／5，而半导体器件全球市场的销售额为3 000亿美元。除如手机等少量消费电子和汽车终端应用领域外，传感器基本还是国防、工业流程、能源勘／采、计量等“富贵”领域和命脉经济行业的专用品，在其他各类领域和行业，新的普及率也没有期待值高。
    既然用传感器总比不用好，为什么在许多领域普及度不如预期广泛呢?面对如此海量的需求前景，为什么产业规模增长未出现激增?有的领域没有成熟到使用新技术，是结构性调整迫切性不突出吗?价格降幅大，消减用量增长显现?是相关因素?其实这些都是次要原因，主要原因是使用成本高。有的领域用不起，传感器是奢侈品(如对家电产业、农业等)；有的行业觉得用传感器得不偿失，利润附加值不抵增加的使用成本，另外就是麻烦，也增加了售后服务成本。这类似于节能灯泡的推广应用，其5～8倍的普通灯泡价格，大大限制了平民百姓广泛的认同度。
    在信息化、网络化时代，人／物互联网要泛布全球和人类各个角落，传感器应降低身价，由奢侈品转型为通用品、消费品、日用品、耐用品。
    事实上，通过降低成本来提高性价比，换取用量激增的成功案例还是比较多的。美国AD公司的单轴加速度传感器价格过去为5美元，现在的三轴加速度传感器则为1美元左右，现在汽车、智能手机和游戏机已广泛大量采用，尤其是后两者，现在的用量已接近10亿只。图3所示是过去几年隔离液封压力传感器敏感器件在国内的价格降势图。

    传感器的综合成本分内、外成本，即传感器厂商的制造成本与直接用户的使用成本。制造成本追求传感器制造过程及结果的量产率、成品率、一致性，追求最大限度的单位材料、能源、人力的产出率；使用成本则是厂商以用户的成本为中心，这已经不是做单纯的传感器制造商，而是在卖产品的同时，还要以产品形式向用户提供传感器服务(如选型、安装、维护等)。
    传感器的制造过程是使用、占用、消耗资源最大的流程，主要包括敏感芯片／元件加工、封装／组装、检测／试验。
    敏感芯片／元件加工是低成本化最早、成熟度最高、最有量产规模效益的环节，该环节现在越来越多的种类已经成功移植半导体IC制造工艺，从而形成了独立的微机械加工技术——MEMS工艺，这主要体现在：
    (1)单体微型化：边长与面积关系，材料利用率成几何增速；
    (2)基片大尺度化和单批基片数量增多，产出量和材料、能源、人力利用率成几何增速；
    (3)扁平化在非平面结构已有突破，如薄膜线圈；
    (4)设备仪器工艺控制能力出众超群，成品率、一致性、可靠性、寿命成数量级增长。
    意法半导体(STM)是目前世界上最大的MEMS传感器制造厂商，2011年的产值为6亿多美元，8英寸线日产陀螺、加速度、压力、微麦的敏感芯片超过300万只，SMI公司6英寸片上压力敏感芯片24 000只，每只芯片切割后的边长尺寸为0．65 mm。
    中科院微系统所发明的一种名为“微创手术”专利，每只绝压敏感芯片切割后的边长尺寸小于0．5 mm，形似“芯粒”。这种工艺专利是顶面加工，无需支撑衬底材料，更易兼容IC工艺，单片平均价格在10美分以下。
    传感器制造的后道工序封装／组装、检测／试验占到整个传感器制造成本的70％以上。封装／组装是材料、能源、人力利用率最低制造流程，减小单件耗材量、缩短单件耗时率，多采用专用高速自动化设备，少用人工，改善工艺兼容性是这个环节降低成本的必然要求。
    传感器的使用成本对市场依附极大，涵盖了产品的选型成本、供货周期、用户产能能力、商业信誉、使用成本、维护成本等方面，但可以通过提供打包、交钥匙的服务方案，具有核心芯片、主导产品的自主可控能力，主导产品实施适度库存生产、强化新产品设计能力，缩短设计周期，提高设计正确率以及高性价比产业技术来得到解决。

5 结语
    在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧和智能的传感器，用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量。仅就消费电子传感器而言，目前平均市场价格为1美元，10年后将降到0．5美元，7万亿支需求将展示超万亿美元的市场机遇。因此，中国传感器产业要为能分切全球市场大“蛋糕”准备好“切刀”，为站在靠前位置做好准备。