芯耀
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作者：方圓
一枚比硬幣還小的芯片，正以0.1毫米的精度掃描世界，撐起智能時(shí)代的“數(shù)字感官系統(tǒng)”。
加特蘭的毫米波雷達(dá)芯片在2024年實(shí)現(xiàn)出貨600萬(wàn)顆，2025年預(yù)計(jì)激增至1600萬(wàn)顆，累計(jì)出貨突破1900萬(wàn)顆。這家中國(guó)企業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)的占有率從20%躍升至33%，其芯片已嵌入全球數(shù)十家主流車企的智能駕駛系統(tǒng)。
與此同時(shí)，漢威科技0.3毫米厚的柔性觸覺傳感器在深圳傳感器展上引發(fā)驚嘆，這款“電子皮膚”能在1毫秒內(nèi)完成壓力分布的精準(zhǔn)感知。不知不覺中，傳感器技術(shù)正從幕后走向前臺(tái)，成為人工智能、新能源車、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的核心基石。
?01從毫米到納米的競(jìng)逐
本月，無(wú)錫芯感智的一項(xiàng)專利申請(qǐng)揭示了傳感器精密化的最新突破。通過(guò)在壓力傳感器背面空腔設(shè)置硅島膜結(jié)構(gòu)和鏤空緩沖層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度與高耐壓性能，成本卻未顯著增加。這種“既要又要”的技術(shù)突破，正是當(dāng)下傳感器創(chuàng)新的縮影。
在測(cè)量精度領(lǐng)域，激光測(cè)距傳感器正刷新極限。久之洋開發(fā)的星載激光測(cè)距儀已應(yīng)用于高分七號(hào)衛(wèi)星，將精度提升至1毫米級(jí)，其核心的鎖頻激光器采用光子晶體光纖放大技術(shù)，使波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到±0.0001nm。而日本基恩士的IL-3000系列傳感器更是實(shí)現(xiàn)了0.01μm級(jí)的測(cè)量精度，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的十萬(wàn)分之一，這一精度水平已被應(yīng)用于東芝存儲(chǔ)芯片的制造線上，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光刻機(jī)工作臺(tái)納米級(jí)形變。這種突破性進(jìn)展背后，是光學(xué)干涉原理與數(shù)字信號(hào)處理算法的深度耦合——通過(guò)相位解調(diào)技術(shù)將光程差分辨率提升至λ/1000，配合AI降噪算法消除環(huán)境振動(dòng)干擾。
車載感知領(lǐng)域同樣迎來(lái)精度躍升。加特蘭的毫米波雷達(dá)通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的RoP（雷達(dá)封裝技術(shù)）與3D波導(dǎo)天線結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從“測(cè)得到”到“測(cè)得準(zhǔn)”的跨越。其角度解算方差比傳統(tǒng)方案優(yōu)化了30%，在70米距離外仍能保持點(diǎn)云穩(wěn)定性。
不止于此，傳感器在提升精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能融合。加特蘭最新推出的Dubhe天樞星系列UWB芯片，通過(guò)2T4R雷達(dá)模式可同時(shí)承擔(dān)數(shù)字鑰匙、艙內(nèi)存在檢測(cè)、腳踢尾門感應(yīng)等多項(xiàng)功能，一顆芯片替代了傳統(tǒng)多傳感器系統(tǒng)。這種集成化突破源于射頻前端與數(shù)字基帶的深度協(xié)同設(shè)計(jì)：采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)將雷達(dá)回波與UWB定位信號(hào)分離，配合動(dòng)態(tài)波束賦形算法實(shí)現(xiàn)空間感知精度±5cm。寶馬iX車型的智能座艙系統(tǒng)應(yīng)用該芯片后，手勢(shì)控制響應(yīng)延遲縮短至80ms，較上一代產(chǎn)品提升4倍。
精度革命背后是材料與工藝的協(xié)同創(chuàng)新，MEMS工藝滲透率從2018年的35%提升至2024年的58%，推動(dòng)傳感器向小型化、集成化發(fā)展。芯片級(jí)傳感器正在取代傳統(tǒng)笨重的測(cè)量裝置，將實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的精度帶入日常應(yīng)用場(chǎng)景。
?02新能源車與工業(yè)場(chǎng)景的雙向爆發(fā)
6月22日，蘇奧傳感在互動(dòng)平臺(tái)宣布，其自主研發(fā)的剎車壓力傳感器正式進(jìn)入市場(chǎng)客戶定點(diǎn)階段，將應(yīng)用于AEBS（高級(jí)緊急制動(dòng)系統(tǒng)）。這一消息背后，是新能源汽車對(duì)傳感器需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)。
傳感器已成為智能汽車的“核心感官”。與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源汽車的單車傳感器用量達(dá)到300-500顆，市場(chǎng)規(guī)模年增長(zhǎng)率高達(dá)28%。這一需求直接帶動(dòng)了激光雷達(dá)市場(chǎng)的繁榮——2025年中國(guó)車載激光雷達(dá)前裝量將突破500萬(wàn)臺(tái)。
禾賽科技AT128激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)153萬(wàn)點(diǎn)/秒的點(diǎn)云輸出，已裝備于理想L9等車型；速騰聚創(chuàng)則通過(guò)芯片化技術(shù)將激光雷達(dá)成本降低60%，獲得比亞迪、小鵬等車企定點(diǎn)。激光雷達(dá)市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)17.6%，遠(yuǎn)高于傳感器行業(yè)平均水平。
隨著中美歐等地AEB法規(guī)要求制動(dòng)時(shí)速提升至120公里以上，雷達(dá)需要具備更遠(yuǎn)探測(cè)距離與弱目標(biāo)識(shí)別能力。加特蘭的雙SoC級(jí)聯(lián)方案通過(guò)64個(gè)虛擬通道，將測(cè)高能力從百米級(jí)拓展至350米全量程，對(duì)塑料錐筒等弱目標(biāo)的檢測(cè)距離提升至100米外。
工業(yè)領(lǐng)域同樣迎來(lái)了傳感器革命。聚億信息咨詢數(shù)據(jù)顯示，2024年中國(guó)制造業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率達(dá)到55%，較2020年的38%大幅提升。制造業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，而傳感器則是實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。通過(guò)在設(shè)備上安裝各種傳感器，如溫度傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等，能夠?qū)崟r(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)。這不僅提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性，也降低了企業(yè)的運(yùn)維成本。因此，制造業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率的提升直接拉動(dòng)了工業(yè)傳感器的需求。
近年來(lái)，全球工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量持續(xù)攀升，已連續(xù)多年達(dá)到50萬(wàn)臺(tái)以上。從2018年至2023 年，復(fù)合增長(zhǎng)率為5%。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）預(yù)測(cè)，到2027年，工藝機(jī)器人的裝機(jī)量將突破60萬(wàn)臺(tái)大關(guān)，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用帶動(dòng)了位移測(cè)量傳感器需求的增長(zhǎng)。位移測(cè)量傳感器能夠精確測(cè)量機(jī)器人的位置、速度和加速度等參數(shù)，為機(jī)器人的精確控制提供重要依據(jù)。隨著工業(yè)機(jī)器人向高精度、高速度、智能化方向發(fā)展，對(duì)位移測(cè)量傳感器的精度和可靠性提出了更高的要求。位移測(cè)量傳感器需求年增22%，成為工業(yè)傳感器市場(chǎng)的一個(gè)重要增長(zhǎng)點(diǎn)。
?03催生新物種
傳感技術(shù)本身也在不斷突破創(chuàng)新邊界。當(dāng)傳統(tǒng)傳感器正通過(guò)性能升級(jí)與成本優(yōu)化滿足規(guī)模化應(yīng)用需求時(shí)，基于新材料與新原理的傳感技術(shù)“新物種” 已悄然萌芽。
北京科技大學(xué)杜翠鳳/王遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所王中林院士/朱來(lái)攀團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種摩擦電自供電傳感平臺(tái)（TESS）。在山東某金礦地下626米深處，其已連續(xù)運(yùn)行數(shù)月。這項(xiàng)基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的技術(shù)突破，解決了礦井監(jiān)測(cè)的供電難題。
風(fēng)速感知能力通過(guò)基于非接觸式TENG 的水平渦輪機(jī)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，TESS 由一組獨(dú)特的 TENG 組成，通過(guò)一種新的工作模式運(yùn)行，平衡了接觸分離和獨(dú)立式模式的優(yōu)點(diǎn)。借助優(yōu)化的自驅(qū)動(dòng)電源管理系統(tǒng)，TESS 實(shí)現(xiàn)了 16.36 mW/平方米的充電功率密度；這種能量每 166 秒就會(huì)傳輸至一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（用于測(cè)量溫度、相對(duì)濕度、壓力以及二氧化碳、二氧化氮、氨氣的濃度）、一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元以及一個(gè) LoRa 發(fā)射器。這項(xiàng)工作在開發(fā)堅(jiān)固耐用、成本低廉、無(wú)需電池且無(wú)線的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)方面取得了重大突破。
與此同時(shí)，氣體傳感技術(shù)也傳來(lái)好消息。漢威科技開發(fā)的“電子鼻”系統(tǒng)，通過(guò)集成高靈敏氣體傳感器陣列與AI算法，可在5秒內(nèi)快速識(shí)別不同氣味，已應(yīng)用于食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
該系統(tǒng)采用多傳感器協(xié)同工作模式，每個(gè)傳感器對(duì)特定氣體具有高靈敏度，配合AI算法對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，突破了傳統(tǒng)單一氣體檢測(cè)的局限。例如在食品安全場(chǎng)景中，“電子鼻”可通過(guò)識(shí)別食品揮發(fā)的氣體成分，判斷其新鮮度或是否變質(zhì)；在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，能快速定位空氣中的有害氣體或異味來(lái)源，為污染預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。
這種仿生感知技術(shù)模擬了生物嗅覺的復(fù)雜識(shí)別能力，可適應(yīng)多種氣體混合場(chǎng)景，相比傳統(tǒng)傳感器具有更高的檢測(cè)效率和實(shí)用性，推動(dòng)氣體傳感技術(shù)向智能化、多功能方向發(fā)展。
?04傳感器將走向何方？
據(jù)Yole報(bào)告，2024 年全球 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）行業(yè)迎來(lái)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，憑借第二季度 "庫(kù)存效應(yīng)" 消退，全年?duì)I收達(dá) 154 億美元（同比增長(zhǎng) 5%），出貨量突破 310 億顆。市場(chǎng)研究顯示，隨著消費(fèi)電子、汽車電子等終端需求回暖，疊加AI、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)驅(qū)動(dòng)，2025 年行業(yè)增速有望進(jìn)一步提升，預(yù)計(jì) 2024-2030 年復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá) 3.7%，2030 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 192 億美元，銷量增至 350 億臺(tái)。
在MEMS行業(yè)憑借傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健增長(zhǎng)的同時(shí)，量子傳感技術(shù)正在實(shí)驗(yàn)室醞釀突破。
量子傳感器利用量子現(xiàn)象，與傳統(tǒng)傳感器相比，靈敏度大幅提高，開辟了各種新的應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車?(EV)、非 GPS 導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像和通信。業(yè)內(nèi)專家將此稱為“第二次量子革命”。
專家認(rèn)為，量子力學(xué)在計(jì)算領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力的同時(shí)，也有可能徹底改變傳感行業(yè)。
量子態(tài)的敏感性使得檢測(cè)微小的變化成為可能，從而實(shí)現(xiàn)了前所未有的精度測(cè)量。量子傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有更高的靈敏度，能夠?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%B5%81/">電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光、線性加速度、角加速度和時(shí)間等多種物理特性進(jìn)行高靈敏度測(cè)量。
其中一個(gè)例子就是隧道磁阻?(TMR) 傳感器，其規(guī)?？蛇_(dá)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)芯片。它目前已在汽車領(lǐng)域銷售，用于遠(yuǎn)程電流傳感。使用光泵磁力儀 (OPM) 的生物磁成像雖然仍處于早期開發(fā)階段，但已顯示出良好的潛力，Cerca Magnetics 等初創(chuàng)公司已經(jīng)向研究中心出售早期產(chǎn)品和原型。
此外，還有臺(tái)式原子鐘，已在研究和國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)中使用多年。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，量子傳感器可以對(duì)心臟的自然磁場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量，提供比目前的心電圖（ECG）機(jī)器多得多的數(shù)據(jù)。雖然心電圖設(shè)備通過(guò)直接貼在皮膚上的電極進(jìn)行測(cè)量，但量子傳感器可以集成到衣服、床墊和其他物品中。
不僅如此，技術(shù)創(chuàng)新的觸角已悄然伸向生命體內(nèi)部—— 這種從 "外部環(huán)境監(jiān)測(cè)" 到 "生物體內(nèi)在感知" 的躍遷，為腦機(jī)接口與傳感器的深度融合埋下了技術(shù)伏筆，也讓神經(jīng)元活動(dòng)的實(shí)時(shí)捕捉從科學(xué)想象走向臨床可能。腦機(jī)接口與傳感器的融合開啟新可能，Neuralink植入式設(shè)備集成微型激光測(cè)距模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)，精度達(dá)10納米。這種跨領(lǐng)域技術(shù)融合將傳感器從外部環(huán)境監(jiān)測(cè)拓展至生命體內(nèi)部信號(hào)采集。
從0.01微米的納米級(jí)測(cè)量到量子態(tài)的精密操控，從實(shí)驗(yàn)室的精密儀器到車規(guī)級(jí)芯片的量產(chǎn)落地，那枚比硬幣更小的芯片，既是智能汽車的 “數(shù)字眼睛”，也是工業(yè)機(jī)器人的 “觸覺神經(jīng)”，更是叩擊生命奧秘的 “量子探針”。當(dāng)傳感器精度突破納米級(jí)門檻，我們丈量的不再僅是物理距離，更是從硅基到碳基、從機(jī)器到生命的認(rèn)知邊界 —— 萬(wàn)物互聯(lián)的基石，終將從“連接”走向“感知”。
