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助力疫情防控 傳感器產業化刻不容緩

傳感技術與計算機、通信技術同稱為信息技術三大支柱,被稱為“電子五官”,是萬物互聯的基礎,關乎和影響著大數據、5G、人工智能、虛擬現實等技術創新應用與產業發展。在此次新冠肺炎疫情下,傳感器在疫情管控中的作用至關重要。

人類永遠不會擺脫疾病,但通過科技創新與技術進步完全可以實現有效的預防和治療。近期,突如其來的新冠肺炎疫情席卷而來,牽動著全國人民的心。一場為阻斷疫情肆意擴散,防止進一步漫延的戰役全面打響。在這次全民緊急行動戰役中,除了疫情防護用品和設施外,以5G、人工智能、虛擬現實等為代表的一大批前沿性新技術開始應用。

新技術催生下的智能化呼吸機、監護儀、制氧機、負壓救護車等醫療產品都展現在疫情防控第一線,在危重病人搶救以及抑制病毒擴散中發揮了重大作用。由此可見,高科技產品在助力疫情防控中的功效,以及應對各種緊急突發事件中的角色都不容忽視。

作為疫情各種數據采集的基礎技術與核心部件,傳感器的關鍵作用更是無可比擬。其中聲敏、力敏、磁敏、氣敏、光敏、溫濕度、RFID射頻、介質生物(試紙、酶電極)等八大敏感元器件及傳感器無一例外地應用于各種防控措施和場景之中,有其不可替代性。傳感器在本次疫情管控中發揮著極為重要作用。

疫情中的紅外傳感器技術

從目前各種癥狀來看,雖然“發熱”不是判斷感染肺炎的唯一指標,但在沒有完全精準有效的方法前,體溫檢測就成為判斷是否感染的關鍵指標。面對公共場所龐大的流動人口,要在移動狀態下快速、準確、及時檢測并篩查出非正常體溫至關重要。這對于非接觸式的紅外測溫儀來說,已不是困難的問題,不論是立式紅外測溫儀,還是手持耳溫槍、額溫槍等紅外檢測設備,都能準確達到精度要求。在此類設備中,主要發揮功效的就是能達到醫用計量標準和參數指標要求的高精度、高可靠和高穩定性、一致性的紅外溫度傳感器。

紅外測溫儀是由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。人體的紅外輻射的熱像信號,經過光學接收器傳輸給調制器,在消除大面積的背景干擾信號后,將紅外輻射的熱像信號轉變成電信號,再經過放大器和信號處理,并按照儀器內設的算法和目標發射率校正后,最終轉變為被測目標的溫度值。簡單來說,紅外傳感器在接收到物體發出的能量后,通過其光學系統將紅外能量轉換成電信號,通過模型算法及參數校準,將其轉換為醫用級的高精度溫度值。相對于其他類型的測溫方式,紅外測溫方式的優勢在于快速、直觀、非接觸檢測。

目前,呼吸機是眼下患者最需要的醫療設備,改善呼吸是重要治療手段。由于病毒感染后,呼吸困難是危重病人的典型癥狀,而呼吸機能使肺泡在呼氣末保持一定壓力,增加功能殘氣量,防止肺泡萎陷,從而改變通氣和換氣功能,實現對病人進行輔助呼吸治療的目的。持續正壓通氣(CPAP)的呼吸機裝置,可強迫空氣進入肺部,在整個呼吸周期內人為施加一定程度的氣道內正壓。如果病人出現呼吸暫停,CPAP呼吸機可根據預設的頻率進行必要的機械通氣。這就需要呼吸機中設計安裝多個傳感器,用于實時、持續、穩定、精確地監測和控制氣流、壓力和溫濕度等參數指標,以保持患者獲得持續、舒適的呼吸功能。因此,呼吸設備都會安裝有氣體質量流量、壓力、濕度、溫度和磁等傳感器。而這些種類的傳感器同樣在其他臨床應用中發揮著獨特的作用。

傳感器技術在疫情中的應用

重癥患者其動脈血液中的氧含量高低是醫生用于檢測和評價生命體特征的重要指標。

目前,最常用的醫用氧傳感器是電化學式,俗稱氧電池。氧氣進入傳感器后,內部所含的鉛(Pb)逐漸被氧化成PbO2,其壽命只能1年左右。作為創新型替代產品,一種順磁原理的氧氣傳感器逐步開始使用。其工藝較復雜,價格較高,但壽命長,是非消耗品,可長期使用不用更換。此外,若通過夾帶式可穿戴設備進行血氧飽和度監測,可避免采血抽樣,實驗室手工分析等繁雜過程,是實現動態變化的實時信息獲取與監測的有效方法,即可以保障病情判斷的準確性、及時性以及血氧動態變化的連續性。伴隨氧傳感器同時使用的還有醫用二氧化碳傳感器,疫情防控中的應用場合更為普遍。包括呼吸機、救護氧艙、麻醉劑、嬰兒培養箱、ICU病房以及住院隔離區環境監測等等。

除此之外,疑似患者甄別試紙、試劑數據、醫療可穿戴產品、大小型制氧機、醫用機器人、護理機器人等等。以及各種實驗、化驗檢測;醫療器械與監控設備,智能化醫院環境與裝備設施,甚至是生產醫療相關產品的自動化、智能化、數據信息化過程無疑大量使用了各種不同結構類型的傳感器,傳感器在醫療中的應用更是數不勝數,舉不勝舉。

總之,作為數據采集的唯一功能器件和信息化基礎產品,傳感器可量化精準地獲取人體血糖、血脂、血氧、血壓、心動、腦電、皮電、體溫等所有反映健康體征的生理參數指標。

在本次疫情中,傳感設備在醫療行業應用可謂是無處不在。人們期待著通過疫情防控呈現出的不同場景和突出問題,給相關企業提供相關技術信息和創新思路,使得業內企業以此為契機,通過跨界的融合與協同,不斷創新出更多的生物醫學傳感器,以滿足國家對應急突發事件預警檢測和防控監測的及時性需求。

傳感器產業化迫在眉睫

在當前的疫情防控中雖然暴露了諸多科技創新應用問題,但是也為以感知技術為代表的產業化和技術創新創造了良好的發展契機,明確技術創新的具體目標和方向,形成了新的發展機會。然而,在當前國際競爭背景下,受長期市場壟斷和技術封鎖的制約,要想從發達國家獲取核心技術和關鍵工藝是不可能的。而國內眾多的傳感器企業均為中小型企業甚至是小微型企業,具有較強的創新意識和創新動力,但完全依靠慢慢積累各種資源實現高技術、高投入的自主創新,顯然是創新能力不足!長此已久,自然難以形成國際競爭能力,逐步會失去信心。這也是我國當下傳感器產業發展的“尷尬”與“無奈”。

針對當前我國傳感器產業技術、工藝、人才、市場等行業發展現狀,結合疫情防控戰役需求和暴露出的問題,以及產業長期發展需要,應當制定統籌規劃和戰略性扶持相關政策,逐步形成我國傳感器產業的自主可控和市場繁榮。

首先需要提升傳感器行業的戰略地位,把傳感器定為“國家產業發展重點目標”,列為“國家戰略”項目,在“十四五”規劃中列為重點支持,優先發展的內容。

具體希望國家設立專項資金予以支持,全面提升行業影響力和國際競爭力。重點提升敏感機理、敏感材料、新型工藝的創新性研究與開發能力,加快推進用于物理量、化學量、生物量中的半導體、陶瓷、高分子有機、光導纖維等各種新型敏感材料、復合功能材料的創新研發和產業化;重點提高基于MEMS、薄膜、介質隔離、微熔式、硅-硅鍵合與熔封、塑料封裝、特殊結構封裝等各種新型工藝技術的應用水平和能力。

另外,全面提升產業化能力。重點支持半導體、陶瓷、金屬、高分子、超導、光纖、納米等材料及各種復合材料為基礎的工藝技術開發,鼓勵企業加大對力、磁、氣、光、熱、濕、離子敏、射線敏、生物敏、毫米波、激光雷達等生產工藝級裝備投入,促進產業化整體水平的提高。

提升產品智能化水平。重點支持具有數字補償、網絡化、智能化、多功能復合技術傳感器產品。推進產品向集成式、復合式、微型化、高可靠、高穩定性、低功耗、低成本等多功能、一體化、標準化方向發展;重點支持并推進面向物聯網、移動互聯網、工業互聯網、新一代通信網絡,以及智慧城市、機器人等發展需求,以及個性化指標和特點突出的智能化傳感器產品的產業化,打通產、用壁壘和瓶頸。

完善技術標準體系。制定行業規范與標準,加快提升傳感器產品的第三方檢測等公共服務能力,鼓勵企業設立符合公共服務能力和標準要求的專業產品檢測中心。鼓勵傳感器及應用行業領域組建產業聯盟,制定聯盟標準,積極促進跨行業、跨專業、跨企業橫向聯合。

注重高端人才培養。鼓勵專業機構和科研院所對傳感器產業鏈專業化高端人才培養;注重跨界融合與復合型人才培養;重點培養有創新能力的企業家人才。鼓勵并支持通過市場化的重組、收購兼并,形成龍頭企業和行業領軍企業,提升全行業競爭力。

(文章轉載自人民政協報。作者郭源生,系九三中央科技委副主任,中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長)

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