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替代MEMS?未來(lái)20年,最具顛覆性的4大傳感器技術(shù),中國已提前布局!
專(zhuān)欄:行業(yè)資訊
發(fā)布日期:2024-03-14
閱讀量:926
作者:其他
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在過(guò)去的20年,傳感器廠(chǎng)商不斷研究創(chuàng )新的測量原理和敏感材料,這些成果能讓我們用到高集成、低成本的傳感器,其中,最成功也是最具顛覆性的,無(wú)疑是MEMS技術(shù)在傳感器制造中的應用。
在過(guò)去的20年,傳感器廠(chǎng)商不斷研究創(chuàng )新的測量原理和敏感材料,這些成果能讓我們用到高集成、低成本的傳感器,其中,最成功也是最具顛覆性的,無(wú)疑是MEMS技術(shù)在傳感器制造中的應用。

MEMS技術(shù)在傳感器的大規模應用,讓傳感器的小型化、低功耗、智能化成為可能,從而推動(dòng)了傳感器在物聯(lián)網(wǎng)、消費電子、汽車(chē)電子等領(lǐng)域的廣泛應用,促進(jìn)了數字經(jīng)濟的發(fā)展和智能時(shí)代的到來(lái)。可以說(shuō),在過(guò)去20年,MEMS顛覆和擴展了傳感器。

那么,MEMS是否已經(jīng)飽和?誰(shuí)會(huì )成為下一個(gè)MEMS繼續擴展傳感器的應用界限?未來(lái)20年哪些革命性的新傳感器技術(shù)有望來(lái)到我們身邊?


MEMS,過(guò)去20年最成功的傳感器技術(shù),飽和為時(shí)過(guò)早,未來(lái)將向NEMS邁進(jìn)!


在過(guò)去20年中,人們對 MEMS 傳感器(微機電系統)的討論很多,這些傳感器在消費和汽車(chē)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用,正是因為MEMS傳感器的出現,推動(dòng)了智能電子浪潮的發(fā)展。


作為一種傳感器技術(shù),MEMS 無(wú)疑是成功的,然而MEMS還有更多的潛力可以挖掘,包括優(yōu)化制造工藝、開(kāi)發(fā)集成度更高的傳感器、解決校準問(wèn)題、更高的穩定性和進(jìn)一步降低功耗等。


一個(gè)突出的例子是,在2023年5月,全球MEMS傳感器領(lǐng)導者意法半導體,剛剛推出了市場(chǎng)上第一款具有 10 年使用壽命的高精度高穩定性MEMS 防水/防液絕對壓力傳感器,適用于燃氣、水計量設備、天氣監測等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。而在此前,這一工業(yè)領(lǐng)域仍大部分屬于傳統的壓力傳感器。


可見(jiàn),目前市場(chǎng)仍需要更多創(chuàng )新的MEMS傳感器滿(mǎn)足更多的需求。也許,到2030 年可以討論它未來(lái)是否會(huì )被淘汰。但就目前而言,MEMS 技術(shù)仍然是許多公司投入大量研發(fā)成本的核心技術(shù)之一,尤其是在主要市場(chǎng)——消費電子、汽車(chē)電子、醫療電子、工業(yè)電子等。


MEMS遠未飽和并且雄心勃勃,期待未來(lái)更多創(chuàng )新的MEMS傳感器出現。

與此同時(shí),科學(xué)研究已將其目標和挑戰指向下一個(gè)小型化水平:NEMS(納米機電系統)傳感器。


NEMS技術(shù)與MEMS技術(shù)類(lèi)似,但維度從微米進(jìn)入到了納米。雖然目前要克服的挑戰相當大,但在不久的將來(lái),這項技術(shù)將有可能提高傳感器的性能,減少測量和能源消耗,同時(shí)提高靈敏度和更廣泛的應用范圍。


今天用 NEMS (納米機電系統) 開(kāi)發(fā)的不是簡(jiǎn)單的敏感元件,而是集成設備(正如 MEMS 已經(jīng)發(fā)生的那樣),能夠承載對物理量敏感的元件和有源電路,以創(chuàng )建中等復雜度的小型化對象。


NEMS 技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程基于兩種基本材料:石墨烯或碳納米管 CNT(碳納米管)。選擇這兩種類(lèi)型的材料是因為它們具有穩定性和導電性等特性。此外,這兩種材料的機械性能完全符合 NEMS 傳感器內部結構的需要。


2019年,瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學(xué)院的研究人員利用高導電性納米材料石墨烯,研制出了迄今最小的NEMS 加速度傳感器,比傳統的最先進(jìn)的MEMS 硅加速度計至少小兩個(gè)數量級。這一設備有望促進(jìn)人體傳感器和導航技術(shù)的發(fā)展,用于研制心血管疾病監測系統、超靈敏的可穿戴設備和便攜式運動(dòng)捕捉系統等。


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▲上圖為瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學(xué)院的NEMS加速度傳感器與硬幣的對比。下圖為常規MEMS傳感器與硬幣的對比。


通過(guò)上圖對比,想必你對NMES傳感器的小,有了更直觀(guān)的了解。


與傳統傳感器相比,納米材料的特點(diǎn)是具有更高的表面積或體積比,通過(guò) NEMS 技術(shù)制造的諧振結構,可以高靈敏度地捕獲最多樣化的電量,從而改進(jìn)了光學(xué)、機械、電氣、結構和磁性能信號。


大量應用將從這些技術(shù)中受益,例如:

◆檢測氣體中的化學(xué)成分。這有助于提高化學(xué)過(guò)程中使用的產(chǎn)品質(zhì)量,這些產(chǎn)品必須符合質(zhì)量標準或進(jìn)行污染監測。

◆改進(jìn)了基本物理參數的檢測。例如溫度、流量和壓力。

◆植物生物學(xué)監測。通常用于監測農業(yè)和其他領(lǐng)域的環(huán)境。


一個(gè)對人類(lèi)至關(guān)重要的影響是,NEMS傳感器可能極大提高人的平均壽命。因為NEMS納米傳感器可以集成到細胞中,提供細胞內測量,局部檢測活細胞的狀態(tài)以及與腫瘤或腫瘤相關(guān)的其他細胞,從而為癌癥等疾病的治愈帶來(lái)希望。

此前,Facebook改名Meta宣布全力進(jìn)軍“元宇宙”,立馬宣布基于柔性傳感器研制“電子皮膚”,以在元宇宙中重現人的觸覺(jué)感受,柔性傳感器熱度被引爆。


近日,隨著(zhù)ChatGPT的爆火,各種AI概念層出不窮,其中脫穎而出的,就是具身智能。


具身智能翻譯于英文embodied AI,字面意思就是具有身體的人工智能,此處強調的就是智能體(agent)需要與真實(shí)世界進(jìn)行交互,并通過(guò)多模態(tài)的交互(不僅僅是讓AI學(xué)習提取視覺(jué)上的高維特征被“輸入”的認知世界),而是通過(guò)“眼耳鼻舌身”五根來(lái)主動(dòng)地獲取物理世界的真實(shí)反饋,通過(guò)反饋進(jìn)一步讓智能體學(xué)習并使其更“智能”、乃至“進(jìn)化”。


通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō),就是具有身體的人工智能——機器人。機器人的思維由AI模型提供,那么五官的感知呢?就來(lái)自于圖像傳感器、聲音傳感器等各種傳感器。而其中最重要的互動(dòng)——擁抱、握手、觸覺(jué)等反饋,就需要用到柔性傳感器。


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柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器,具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊,而且結構形式靈活多樣,可根據測量條件的要求任意布置,能夠非常方便地對復雜被測量進(jìn)行檢測。


因為柔性傳感器的特性,讓它有非常好的應用前景,包括在醫療電子、環(huán)境監測和可穿戴等領(lǐng)域。

柔性傳感器種類(lèi)較多,分類(lèi)方式也多樣化 。按照用途分類(lèi),柔性傳感器包括柔性壓力傳感器 、柔性氣體傳感器 、柔性濕度傳感器 、柔性溫度傳感器 、柔性應變傳感器 、柔性磁阻抗傳感器和柔性熱流量傳感器等。


按照感知機理分類(lèi),柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器 、柔性電容式傳感器 、柔性壓磁式傳感器和柔性電感式傳感器等 。


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“電子皮膚”使用的主要就是柔性壓力傳感器,而這也是柔性傳感器研究最多、應用最廣的領(lǐng)域。


其實(shí)柔性傳感器并非新鮮事物,早在2004年,日本東京大學(xué)電子工程師染矢高雄(Takao Someya)和其團隊,開(kāi)發(fā)出一種8厘米×8厘米的柔性機器人皮膚貼片,由一層層高性能的壓敏聚酰亞胺塑料、一種叫做并五苯的有機半導體以及金和銅電極制成。這款皮膚給予機器人前所未有的東西:一種能夠回應壓力的觸感。


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▲染矢高雄(Takao Someya)團隊柔性傳感器局部放大圖


這是柔性傳感器最早的成功應用案例之一,因此引起媒體的廣泛關(guān)注,甚至有媒體表示機器人的未來(lái)不遠了。


種種跡象似乎表明,柔性傳感器是一條正在興起的賽道,多家中國企業(yè)以及資本已經(jīng)進(jìn)入柔性傳感器領(lǐng)域,譬如能斯達、鈦深科技、柔宇科技等柔性傳感器企業(yè)均已有相關(guān)量產(chǎn)產(chǎn)品出貨。


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▲能斯達某款柔性壓力溫度一體化傳感器


柔性傳感器已接近大規模商用的邊緣,未來(lái)20年,如有基于“元宇宙”、AR/VR等概念下的殺手級應用誕生,柔性傳感器將很快迎來(lái)爆發(fā),憑借消費電子龐大的體量和市場(chǎng),柔性傳感器的發(fā)展將不可限量。


未來(lái)20年顛覆性傳感器技術(shù)——石墨烯傳感器,有了這種傳感器,腦機接口將實(shí)現!


石墨烯想必很多朋友都聽(tīng)說(shuō)過(guò),而在未來(lái)20年,石墨烯傳感器或許會(huì )為世界帶來(lái)顛覆性創(chuàng )新。


上文中,我們提到的MEMS傳感器的進(jìn)化版NEMS傳感器,其基本材料之一就是石墨烯。據現在最新的科學(xué)研究顯示,未來(lái)實(shí)現腦機接口的傳感器,要寄希望于石墨烯傳感器。


石墨烯又名“單層石墨片”,是指一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子,碳原子排列成二維結構,與石墨的單原子層類(lèi)似。石墨烯被譽(yù)為“黑金”、“新材料之王”,是目前世界上最薄、最堅硬、導電性最好的納米材料。


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▲石墨烯單層原子結構


石墨烯的納米結構在傳感器領(lǐng)域有極大的前景。這是由于每個(gè)原子與感應環(huán)境相接觸,且石墨烯的電學(xué)屬性可以通過(guò)這種接觸而改變。石墨烯有著(zhù)獨特的物理屬性,從而使得在很多傳感領(lǐng)域有應用,如光傳感器,電磁傳感器,應力與質(zhì)量傳感器以及化學(xué)與電化學(xué)傳感器。


最近來(lái)自悉尼科技大學(xué)(UTS)的研究人員則通過(guò)開(kāi)發(fā)出一種含有石墨烯的干式生物傳感器,解決了腦機接口中的一些重大難題。


目前世界上實(shí)現腦機接口(BMI)的方式主要有三種,包括侵入式、非侵入式與介入式,大部分研究團隊都選擇了對人體危害性最小的非侵入式。

非入侵式BMI,大部分設備在技術(shù)方面都是由三個(gè)模塊組成:一個(gè)外部感覺(jué)刺激模塊、一個(gè)傳感接口和一個(gè)神經(jīng)信號處理單元。


非侵入式BMI,雖然安全度高,但信號采集的準確度卻并不算好。一方面因為本身就隔了一層頭皮,信號傳輸受干擾。另一方在于其依賴(lài)的生物傳感器都存在一些固有缺陷。比如大部分團隊使用的濕式傳感器,它要依靠在頭皮和頭發(fā)上使用導電凝膠才能傳輸電信號,容易滑脫或移動(dòng),降低信號采集的準確度。最近來(lái)自悉尼科技大學(xué)(UTS)的研究人員則通過(guò)開(kāi)發(fā)出一種含有石墨烯的干式生物傳感器解決了以上這些問(wèn)題。


研究人員發(fā)現,如果將石墨烯與硅結合在一起就可以制造出更為堅固的干式傳感器。比如他們開(kāi)發(fā)的新型干式傳感器上面的石墨烯層厚度只有不到一納米。


該研究的通訊作者Francesca Iacopi表示道:“通過(guò)使用先進(jìn)的石墨烯材料,結合硅,我們能夠克服腐蝕、耐用性以及皮膚接觸阻力等問(wèn)題,開(kāi)發(fā)出可穿戴的干式傳感器。

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▲悉尼科技大學(xué)(UTS)研究團隊的腦機接口石墨烯傳感器原型


在實(shí)驗室外,澳大利亞陸軍士兵也對石墨烯傳感器BMI進(jìn)行了現實(shí)世界的測試——用它來(lái)控制一只四條腿的機器狗。該設備可以支持機器人的免提控制,準確率高達94%。


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目前,世界各國對石墨烯傳感器的主要研究領(lǐng)域集中在:石墨烯電化學(xué)傳感器、石墨烯氣體傳感器和石墨烯光電傳感器上。


石墨烯電化學(xué)傳感器


石墨烯電化學(xué)傳感器基于石墨烯的電極在電催化活性和宏觀(guān)尺度的導電性上比碳納米管更有優(yōu)勢。


石墨烯在電化學(xué)傳感器上的應用有以下優(yōu)點(diǎn):①體積小,表面積大;②靈敏度高;③響應時(shí)間快;④電子傳遞快;⑤易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性;⑥減少表面污染的影響。


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▲石墨烯電化學(xué)傳感器原理結構示意


石墨烯氣體傳感器


基于石墨烯獨特的二維特點(diǎn),巨大的表面積使之對周?chē)沫h(huán)境非常敏感。即使是一個(gè)氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。目前檢測可以分為直接和間接檢測,通過(guò)TEM可以直接觀(guān)測到單原子的吸附和釋放過(guò)程,并且觀(guān)察到了碳鏈和空位,實(shí)時(shí)研究了其動(dòng)力學(xué)過(guò)程。


這些技術(shù)提供了一種研究更復雜化學(xué)反應的真實(shí)動(dòng)力學(xué)的途徑,并能鑒別未知吸附物的原子結構。通過(guò)測量霍爾效應的辦法通過(guò)霍爾電阻的變化間接檢測單原子的吸附和釋放過(guò)程,極大提高了微量氣體快速檢測的靈敏性。


英國南安普頓大學(xué)和日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員新近開(kāi)發(fā)了一種以石墨烯為材料的傳感器。該傳感器能以較低的能耗檢測出室內的空氣污染。這些有害化學(xué)氣體的濃度水平一般在十億分之幾(ppb),現有的環(huán)境傳感技術(shù)很難檢測到,因為這些傳感器只能檢測到濃度為百萬(wàn)分之幾(ppm)的此類(lèi)氣體。


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▲石墨烯氣體傳感器感知氣體分子原理結構示意


石墨烯光電傳感器


利用石墨烯材料制成的用途廣泛的高光敏感度傳感器。這種新型傳感器的關(guān)鍵在于使用了“滯留光線(xiàn)”的石墨烯納米結構。石墨烯納米結構能夠比傳統的傳感器更長(cháng)時(shí)間地捕獲產(chǎn)生光線(xiàn)的電子微粒。這就會(huì )導致產(chǎn)生一種更強的電信號,就像數碼相機所拍攝的照片一樣,它能夠將這種電信號轉變成圖像。 


新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員成功研發(fā)出石墨烯圖像傳感器,該技術(shù)在同等條件下,捕捉光線(xiàn)強度,比傳統CMOS或CCD傳感器好上1000倍,將對攝影、攝像產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠影響。


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▲新加坡南洋理工大學(xué)研究人員展示石墨烯傳感器


目前來(lái)說(shuō),石墨烯傳感器仍主要處于研究階段,但在未來(lái)20年,有望逐步商業(yè)化,石墨烯傳感器也讓腦機接口等未來(lái)科技的發(fā)展邁出了最有希望的一步。

未來(lái)20年顛覆性傳感器技術(shù)——量子傳感器,最接近實(shí)用的量子技術(shù),中國已提前布局!


量子技術(shù)有三大應用領(lǐng)域:量子計算、量子通信、量子精密測量,量子精密測量的主體,就是量子傳感器,相對前面兩者較為低調。但是,量子傳感器是目前量子技術(shù)中最接近實(shí)用的技術(shù)。


據相關(guān)報告顯示,2022年量子傳感器已進(jìn)入商品化階段,多家傳感器巨頭已投入巨資研發(fā)量子傳感器,譬如世界上最大的MEMS傳感器企業(yè)博世,就已在2022年成立量子傳感器業(yè)務(wù)部門(mén),目的就是為了把量子傳感器商業(yè)化。


根據博世官網(wǎng)的描述,這一業(yè)務(wù)部門(mén)的首款量子傳感器是個(gè)“量子陀螺儀”。其作用與MEMS陀螺儀類(lèi)似,都是感知位置的變化,但是精度卻能提升高達100倍!

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量子傳感器是根據量子力學(xué)規律、利用量子疊加量子糾纏和量子壓縮等效應設計的、用于執行對系統被測量進(jìn)行變換的物理裝置。


在量子傳感中,電磁場(chǎng)、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子等體系發(fā)生相互作用并改變他們的量子狀態(tài),通過(guò)對這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行測量便可以實(shí)現對外界環(huán)境的高靈敏度測量。與傳統傳感器相比,量子傳感器具有非破壞性、實(shí)時(shí)性、高靈敏性、穩定性和多功能性的優(yōu)勢。


簡(jiǎn)而言之,應用量子技術(shù),可以極大提高目前傳感器的靈敏度、準確率、穩定性等指標,可實(shí)現比MEMS傳感器精確近1000倍的測量,讓傳感器“大躍進(jìn)”。


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多國將量子傳感器列為國家戰略


目前,全球主要國家已將量子傳感器列為國家科技發(fā)展戰略。


基于美國國家利益,美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì )(NSTC)量子信息科學(xué)小組委員會(huì )(SCQIS)在2022年3月份發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實(shí)踐》的報告,通過(guò)擴展量子信息科學(xué)(QIS)國家戰略概述中的政策主題,領(lǐng)導相關(guān)研發(fā)機構加快開(kāi)發(fā)新的量子傳感方法,并計劃在未來(lái)1-8年,根據報告的建議采取行動(dòng)加速實(shí)現量子傳感器取得的關(guān)鍵發(fā)展,確立美國量子傳感器技術(shù)領(lǐng)先地位。


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2021年,歐洲核子研究中心(CERN)發(fā)布《量子技術(shù)戰略和路線(xiàn)圖》,探討量子技術(shù)如何在量子計算、量子傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮作用。


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▲《量子技術(shù)戰略和路線(xiàn)圖》主要發(fā)展目標


中國持續跟蹤量子技術(shù)的前沿研究,在量子計算、量子通信方面已處于全球領(lǐng)先水平,量子傳感器技術(shù)同樣不落后。2022年,國務(wù)院發(fā)布《計量發(fā)展規劃(2021—2035年)》,提出“重點(diǎn)開(kāi)展量子精密測量和傳感器件制備集成技術(shù)、量子傳感測量技術(shù)研究”,多次提到量子傳感技術(shù)的研究重要性。


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▲《計量發(fā)展規劃(2021—2035年)》部分內容


部分量子傳感器商業(yè)化案例


量子傳感器憑借量子糾纏效應,可實(shí)現比MEMS傳感器精確近1000倍的測量,讓傳感器“大躍進(jìn)”。多家傳感器巨頭企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始部署量子傳感器研究。


據媒體報道,2022年3月份博世發(fā)布了首個(gè)“量子陀螺儀”,其作用與普通陀螺儀一樣,但卻利用量子原理制造,目前已可達普通陀螺儀100倍以上的精度。


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▲博世量子陀螺儀傳感器試驗


法國 Muquans 公司于2019年推出首款量子重力儀,目前大多數基于現場(chǎng)的重力測量都使用相對重力儀,它可以監測懸掛在彈簧上的物體位置的微小變化。這些設備的輸出會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而產(chǎn)生漂移,因此一定時(shí)間后必須通過(guò)絕對設備進(jìn)行校準。而量子重力儀無(wú)需校準,即可實(shí)現長(cháng)久、精確的測量。


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▲法國 Muquans 公司的量子重力儀


不少企業(yè)已開(kāi)始量子傳感器商業(yè)化應用的嘗試,根據美國科學(xué)委員會(huì )的計劃,最快8年內將有希望實(shí)現量子傳感器大規模產(chǎn)業(yè)化。而事實(shí)上這個(gè)進(jìn)展更快,在2022年,已有傳感器企業(yè)將量子傳感器商品化。


中國等多個(gè)國家,已將量子傳感器列入國家科學(xué)戰略,未來(lái)20年,量子傳感器將顛覆整個(gè)世界!


結語(yǔ)


過(guò)去20年,MEMS技術(shù)顛覆了傳感器產(chǎn)業(yè),讓傳感器極大地延伸了其應用范圍,從而推動(dòng)了傳感器在物聯(lián)網(wǎng)、消費電子、汽車(chē)電子等領(lǐng)域的廣泛應用,促進(jìn)了數字經(jīng)濟的發(fā)展和智能時(shí)代的到來(lái)。


在未來(lái)20年,MEMS傳感器仍將繼續創(chuàng )新,其潛力仍未被充分挖掘,并將向下一個(gè)量級——NEMS傳感器邁進(jìn)。


此外,石墨烯傳感器、柔性傳感器、量子傳感器等顛覆性傳感器技術(shù)有望在未來(lái)20年得到商用,成為癌癥治愈、腦機接口、具身智能、元宇宙等未來(lái)科技落地的關(guān)鍵,一如今天的MEMS傳感器推動(dòng)了智能化浪潮的發(fā)展。


在這些新興傳感器方面,中國都已提前布局,期待未來(lái)更智能的中國!


聲明:本文轉自傳感器專(zhuān)家網(wǎng)

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