浅谈纳米传感器技术的机遇

1.传感器行业发展概况

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。所以，传感器不仅是人类感知外界的核心元件，也是万物互相感知的核心元件。

2009-2015年全球传感器市场规模及增速(单位:亿美元)

资料来源：2016-2020年中国传感器行业深度调研及投资前景预测报告

目前，从全球总体情况看，美国、日本等少数经济发达国家占据了传感器市场70%以上份额，发展中国家所占份额相对较少。其中，市场规模最大的3个国家分别是美国、日本和德国，分别占据了传感器整体市场份额的29.0%、19.5%、11.3%。未来，随着中国、印度、巴西等发展中国家经济的持续增长，对传感器的需求也将大幅增加；但发达国家在传感器领域具有技术和品牌等优势会得到明显的改变。

2015年全球传感器市场分布（单位：%）

资料来源：2016-2020年中国传感器行业深度调研及投资前景预测报告

据统计，目前我国已有1700余家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，产业门类基本，这种优势在未来几年内仍将保持。因此，全球传感器市场分布状况并不齐全，敏感元件和传感器年总产量已超过20亿只，传感器产品达到10大类42小类、6000多个品种。近几年国内传感器市场一直持续增长，2015年产值接近1000亿元人民币。

2009-2015年中国传感器市场规模(单位:亿元)

资料来源：2016-2020年中国传感器行业深度调研及投资前景预测报告

我国传感器产业已由仿制、引进逐步走向自主设计、创新发展阶段。从企业发展看，国内传感器及芯片厂商成长很快，基本掌握了中低端传感器研发的技术，并向高端领域拓展，产生了包括华工科技、大立科技、歌尔声学、瑞声声学等一批传感器龙头企业，特别是在声波传感器等领域有所突破，已开始在中高端传感器上取得一定进展。

从地区分布看，我国传感器的生产企业主要集中在长三角地区， 并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域空间布局。其中，主要传感器企业有接近50%比例分布在长三角地区，其他依次为珠三角、京津地区、中部地区及东北地区等。此外，伴随着物联网的兴起，传感器产业在其他区域如陕西、四川和山东等地发展很快。

从研发重点看，国内传感器技术发展与创新的重点在材料、结构和性能改进 3 个方面：敏感材料从液态向半固态、固态方向发展；结构向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展；性能向检测量程宽、检测精度高、抗干扰能力强、性能稳定、长寿命方向发展。

2.纳米传感器技术的机遇

2016年6月世界经济论坛在天津夏季达沃斯年会上发布“2016年度十大新兴技术”，纳米传感器和纳米级别物联网被列在了第一位。本届理事会在遴选榜单时非常看重的一个标准是：某项技术的发展是否以2016年为重要转折点，由此看来纳米传感器技术已经具备了投入市场的可操作性，也许马上就会走进我们的生活。

纳米传感器是一种用于医疗保健、军事等领域的纳米生物和化学传感器。与传统的传感器相比，纳米传感器尺寸减小、精度提高，性能大大改善，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。

应用纳米技术研究开发纳米传感器，有两种情况：一是采用纳米结构的材料（包括粉粒状纳米材料和薄膜状的纳米材料）制作传感器；二是研究操作单个或多个纳米原子有序排列成所需结构而制作传感器。

第一种情况下，纳米结构材料具有巨大的比表面积和界面，对外部环境的变化十分敏感。温度、光、湿度和气氛的变化均会引起表面或界面离子价态和电子输出的迅速改变，而且响应快，灵敏度高。因此，利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应，可制成许多种类的传感器。

另一种情况下，科学家已经开始了缩小传感器的研究，希望能将毫米或微米级别的传感器缩小到纳米级别，这样就可以使纳米传感器进入人体循环系统中。这项关键研究是传统物联网向纳米级物联网迈进的第一步，一旦成功，纳米级物联网将会对未来的医学和医药制造产生巨大影响。

3.上海发展纳米传感器的思路

根据国家和上海市的“十三五”科技创新发展规划，一项重大任务是在“纳米材料与传感器”领域针对纳米材料与结构能够灵敏地传感信息的特点，研究新型传感技术，开发新型高性能纳米传感器及其系统，使其具有高灵敏性、高选择性、高稳定性，实现其低功耗、低成本、微型化和智能化的检测和传感器的创新与国产化。

上海当前应着重研究解决纳米传感材料的可控、宏量制备，掺杂和化学修饰功能化，基本物性探测和调控，原型器件构建等基础问题。通过对纳米材料的一系列重要物性的探测，为新型超高性能纳米传感器的设计、组装和应用提供重要的依据。

在器件制备方面，应掌握高性能纳米传感器制作的关键因素，探索新的传感工艺技术和微弱传感信号提取与处理技术。设计及调控纳米材料传感网络微纳结构，充分发挥纳米材料特性来进一步提高传感器的性能，有效提高其分辨率、精度和稳定性，获得微型化、智能化、低功耗等高性能纳米传感器。

在2020年前，实现开发新型高性能纳米传感系统，集成化传感器（如单传感器陈列集成和多传感器集成）和无线传感网络，使其具有高灵敏性、高选择性和高稳定性，实现纳米传感器的创新与国产化。

编辑：hfy