传感器社会.docx

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传感器社会

【传感器社会】以电子产业为沃土

2013/07/1000:

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【日经BP社报道】2013年，日本和美国将相继启动踏入电子行业广阔天地的大型项目。

这些项目的目标都是解决今后日益严重的社会问题，比如维护老化的基础设施、对不断增加的老年人进行健康管理等。

在其中起关键作用的部件，是不计其数的传感器和致动器（图1）。

图1利用传感器、致动器及大数据等解决社会问题

上图的照片中，左上为富士电机的振动传感器，左下为安装了这种传感器的该公司大楼。

中上为丰桥技术科学大学的农业用养分传感器、中下为安装了这种传感器的农田。

右上为不来梅大学（UniversityofBremen）可对人体神经等产生作用的电极，右下为罗姆的近红外线图像传感器拍摄的人的手指。

（照片来自富士电机、丰桥技术科学大学、不来梅大学、罗姆）（点击放大）

目标是实现“覆盖万亿传感器的世界”

日本方面，经济产业省于2013年4月启动了“社会课题对应传感器系统开发项目”。

目的是对已建成数十年的桥梁及道路等进行维护管理、改善农作物栽培环境、通过测量人的体征信息及时发现疾病等。

美国方面，飞兆半导体将与加州大学伯克利分校等一同启动旨在实现每年使用1万亿个传感器的社会“TrillionSensorsUniverse”的项目（图2）。

图210年后传感器的数量将突破1万亿个

“TrillionSensors”的传感器普及图。

约10年后传感器数量将突破1万亿个，再过10年会达到数十万亿个。

（该图由Tech-On！

根据飞兆半导体的资料绘制）（点击放大）

利用电子部件支撑基础设施

这些项目只是冰山的一角。

最近，很多电子产品厂商与部件厂商都开始开拓同样的用途。

各公司开拓的对象是广泛意义上的社会基础设施。

具体包括：

（1）大楼、住宅、桥梁、水坝等建筑物的管理及安全保障；

（2）铁路、船舶、飞机及汽车等交通工具的安全保障；（3）人的健康管理及老年人的护理；（4）提高农业及畜牧等第一产业的效率；（5）能源相关基础设施的维护等。

不管是哪种用途，系统构成大体上是一样的（图1）。

首先，要在作为对象的基础设施上安装用网络连接起来的无数个传感器，用来收集关于基础设施状态的信息。

然后根据收集到的信息，推测基础设施的状态，并在必要的情况下发出警告，或是进行恰当的控制。

比如，监控桥梁及建筑时，利用光纤传感器及加速度传感器收集建筑物的信息，并运用统计方法等查明有无异常，如果有问题就发出警告。

这样的系统被称作传感器网络或M2M（machinetomachine，机器对机器）。

虽然很早以前就有了这些概念，但在过去，就算有技术，实用案例也非常少。

现在，这种情况正在逐渐改变。

借助国家的发展战略

首先，基础设施老化及老年人口增加带来的影响开始变得越来越明显。

2012年12月，日本中央高速笹子隧道发生了塌方事故。

不断增加的老龄人口也对公共医疗保险的压力也越来越大。

在此情景下，日本政府2013年6月14日在内阁会议上确定了阐述未来IT战略的《世界最先进IT国家创造宣言》，宣言中提出了“2020年度之前利用传感器等对日本20％的重要基础设施及老化基础设施进行检查和维修”、“对医疗护理及生活支援服务的相关传感器技术及机器人技术等进行开发验证与实用化”等目标。

技术环境的不断完善也不可忽视。

加速度传感器及无线通信部件因配备于智能手机而变得非常便宜。

通信技术方面，除了WLAN、蓝牙及ZigBee之外，还有日本于2012年7月正式启用的920MHz频带电波等，选择越来越多。

数据分析技术也因为大数据的使用机会增加而快速发展。

电子行业也展开了行动。

消费类产品业务陷入苦战的厂商对促进今后业务增长的广义基础设施领域充满期待（图3）。

从金钱的最终流向——家庭支出也可以看出，这是一个潜在的巨大市场。

与包含白色家电等在内的“家庭耐用消费品”以及电视机及个人电脑等“教育娱乐用耐用消费品”相比，食品、住宅及医疗等在家庭支出中所占比例很高。

由电子行业担负起其中部分职责后，新市场有望进一步扩大。

（记者：

三宅常之，Tech-On！

）

图3还有很多领域拥有很大的电子化余地

家庭支出项目分类。

深蓝色部分为拥有电子化余地的领域。

根据日本总务省统计局的“2012年家庭收支调查”的数据制成。

（点击放大）

上接本站报道：

【传感器社会】以电子产业为沃土

（1）

【日经BP社报道】如果“每年使用一万亿个传感器”的社会能够实现，就会为电子部件厂商带来巨大商机。

瞄准广义基础设施领域的多种传感器、致动器、能量采集（环保发电）器件的开发也日渐活跃。

本文将这些主要用于建筑物、医疗、交通工具及农业等的电子部件称为“社会器件”。

其中，各企业的竞争焦点是传感器。

除了已经形成市场的普通的加速度传感器、角速度传感器及接近传感器等之外，还有用于各类用途的多种多样的传感器市场。

面向农业及健康管理等用途，能够检测以前无法测量的数值的传感器也正在开发中。

根据体温和活动量诊断禽流感

能够反映社会元件应用范围之广的是日本产业技术综合研究所和东京大学正在联合开发的一种传感器系统。

该系统可以判断鸡是否患上了禽流感（参阅本站报道，图4）。

图4判定禽流感

安装到养鸡场的鸡身上，根据其体温和活动量判断是否患上禽流感的传感器。

（图片来自产业技术综合研究所）（点击放大）

该传感器系统组合使用多个传感器，实现了对禽流感的判断。

鸡一旦患上禽流感，其体温和活动量就会发生变化，因此可根据加速度传感器和温度传感器测量的体温和活动量进行诊断。

传感器安装在饲养的鸡身上，在鸡的约500天寿命内无需更换电池。

为降低耗电量，开发出了专用的活动量传感器（MEMS加速度传感器），以及以低功耗对传感器数据进行A-D转换的电路。

产综研认为，如果进一步提高活动量传感器的可靠性，该系统就能达到实用水平。

计划最初将每个无线传感器系统的价格控制在3000日元左右。

利用近红外光使癌细胞可视化

有的企业还再尝试检测以前看不到的东西。

罗姆正在进行的一项研究的目标是实现皮下数cm深的体内可视化。

该公司常务董事兼研究开发本部长高须秀视充满期待地表示，“将能够在体外看到（位于这一深度的）癌细胞”。

罗姆使用的是可以捕捉近红外光的图像传感器（图5），利用了近红外光可穿过人体数cm左右的特性。

该技术的实用化时间尚未确定。

高须部长表示，因为还能看到血液流动情况，所以“将来还能够根据流经脑部的血液找到大脑的活跃部位。

这样的话，或许就能开发出可读取正在玩游戏的用户的情绪并让人感到出其不意的游戏软件”。

图5利用近红外光实现体内可视化

用罗姆的近红外光传感器拍摄的手掌。

（a）为原图像。

（b）将多个波长的拍摄数据结合在一起并进行图像处理，突出了血管。

（图片来自罗姆）（点击放大）

近红外图像传感器由罗姆和日本产业技术综合研究所联合开发。

该传感器在Si-CMOS图像传感器中层叠了化合物CIGS（CuInGaSe2）的薄膜，除了可见光之外，还可拍摄到硅图像传感器看不到的近红外区域。

实时测量耕地的养分

能够测量以前无法检测的数据的传感器将来有望获得巨大市场。

比如，如果人们发现检测耕地状态的传感器能获得改良耕地以及增加产量的效果，其需求就有望迅速扩大。

目前，研究机构及企业在应该测量什么数值方面还处于不断摸索的阶段。

日本的丰桥技术科学大学、爱知县农业综合试验场及科学技术振兴机构联合开发出了用于农业生产的传感器，除了地下的温度之外，这种传感器还能实时测量养分浓度（氮和磷的离子浓度）（参阅本站报道，图2照片，图6）。

图6测量养分浓度和温度的传感器

耕地的养分浓度可根据上部电极之间通过的电流来测量，温度则由pn结部位测量。

（图片来自丰桥技术科学大学）（点击放大）

可在高温下工作的传感器以及可在体内工作的传感器

希望利用可应对严酷测量环境的传感器来扩大用途的研发活动也十分活跃。

比如，有的研究设想环境温度达到数百摄氏度，用温度达到数百摄氏度时也能表现出半导体特性的SiC取代了一百几十摄氏度便达到极限的硅。

在该研究领域处于领先地位的是美国加州大学伯克利分校，其目标是开发出可测量温度很高的地底深处、汽车发动机汽缸内等处的温度和压力的传感器。

还有的研究使用能够嵌入或吞入体内的材料构成传感器。

美国佐治亚理工学院就在开发具备压力传感器和无线通信电路等的体内嵌入式器件。

该器件由导电金属和绝缘薄膜构成，发挥完作用之后就会溶解于体液中。

使用的金属是对人体无害的锌，薄膜则采用了PLA（聚乳酸）和PCL（聚己酸内酯）。

这些材料组合在一起可形成电感器和电容器，能够根据构成的共振电路的频率变化检测出压力的变化。

（记者：

三宅常之，Tech-On！

）

上接本站报道：

【传感器社会】以电子产业为沃土

（1）

【传感器社会】以电子产业为沃土

（2）

【日经BP社报道】要扩大社会器件市场，电子部件厂商必须跨越几个门槛。

首先，必须具备向客户提供系统整体方案而不是单一部件的能力。

其原因是，从事基础设施业务的企业及公共机构缺乏运用电子部件的经验和技术。

部件厂商需要与建筑公司等不同领域的企业合作，提高系统构建能力。

分立部件也存在课题。

为了实现在基础设施领域尤其重要的高可靠性，以及通过低价格化增加使用量，各部件厂商可谓绞尽了脑汁。

甚至开发监测系统

一些部件企业除了传感器等部件之外，还从事系统构建业务。

富士电机就使用自己开发的高灵敏度振动传感器，与中等规模建筑承包商户田建设联合构建了建筑物监测系统。

该系统可在大地震发生后判断用户继续使用建筑物是否安全，以及是否需要避难。

富士电机开发的系统已在该公司大楼内验证完毕，并进入实用阶段。

可广泛应用于大楼、住宅、铁路桥、高速公路高架、桥梁、水坝等建筑物。

与其他行业的合作非常重要

要进行传感器数据分析和系统构建，离不开建筑公司等专业企业的协助，所以富士电机与户田建设展开了合作。

罗姆为了启动用于收集人体信息的传感器和反馈用致动器的业务，正在探讨与护理服务商合作。

罗姆为了在新业务领域中增加合作机会，2013年起将开拓合作伙伴的营业人员配置于研发本部，以便将自己的技术变成可供合作伙伴使用的形式后向对方提出方案。

据罗姆介绍，除了护理服务提供商之外，还向建筑公司提出了新的业务和服务方案。

通过缩减机构来确保可靠性

分立部件也存在社会器件特有的课题。

最重要的是可靠性。

要应用于社会基础设施，必须具备着眼点与消费类产品等不同的长期可靠性。

图9制造工序大幅减少

将制造工序中需要的曝光掩模减至三块的Wacoh加速度与角速度传感器试制品。

成本可比原产品大幅降低。

（图片来自Wacoh）（点击放大）

要确保高可靠性，就要尽量去掉容易导致故障的机械部分。

比如，富士电机就在上述振动传感器中采用了单晶硅MEMS（微电子机械系统）。

如果能够实现高可靠性，就能与激烈的价格竞争保持距离。

2013年1月进军日本市场的被动元件厂商——德国WurthElectronics就不区分“消费”、“工业”及“军用”等用途，而是以达到军用水平的可靠性提供所有产品。

该公司称，尽管价格较高，但需要高质量的客户还是能接受的。

该公司的年销售额为一万亿日元。

而且WurthElectronics未设置最低订货量，订购一个也接单，只要客户继续使用就不会停产。

另外，WurthElectronics还在与半导体厂商等共同开发使用线圈的能量采集系统评测模块。

该公司从这一角度指出，影响系统整体可靠性的是系统设计能力。

该公司称，构成部件当然需要具备可靠性，比如可通过将通过部件的电流产生的负荷减小到适当的水平，在数十年内保持较高的可靠性。

传感器成本还会下降

另一方面，对于社会性部件来说，尽量降低各个部件的成本非常重要。

有的用途需要使用尽可能多的传感器或致动器，要促使用户采用，就必须降低每个产品的价格。

为了降低传感器的成本，构造及材料也在不断改进。

基于MEMS的传感器除了芯片面积缩小之外，制造工序也在减少。

惯性传感器开发商Wacoh开发出了可用三块掩模制造的三轴加速度及三轴角速度传感器（图9）。

而一般需要使用十几块掩模。

材料方面，利用聚酰亚胺树脂等有机材料的研究较多，有望在整合较大面积来发挥传感作用时降低成本。

（记者：

三宅常之，Tech-On！

）