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助力疫情防控 传感器产业化刻不容缓

2020-02-21

  传感技术与计算机、通信技术同称为信息技术三大支柱,被称为“电子五官”,是万物互联的基础,关乎和影响着大数据、5G、人工智能、虚拟现实等技术创新应用与产业发展。在此次新冠肺炎疫情下,传感器在疫情管控中的作用至关重要。

助力疫情防控 传感器产业化刻不容缓

  人类永远不会摆脱疾病,但通过科技创新与技术进步完全可以实现有效的预防和治疗。近期,突如其来的新冠肺炎疫情席卷而来,牵动着全国人民的心。一场为阻断疫情肆意扩散,防止进一步漫延的战役全面打响。在这次全民紧急行动战役中,除了疫情防护用品和设施外,以5G、人工智能、虚拟现实等为代表的一大批前沿性新技术开始应用。

  新技术催生下的智能化呼吸机、监护仪、制氧机、负压救护车等医疗产品都展现在疫情防控第一线,在危重病人抢救以及抑制病毒扩散中发挥了重大作用。由此可见,高科技产品在助力疫情防控中的功效,以及应对各种紧急突发事件中的角色都不容忽视。
  作为疫情各种数据采集的基础技术与核心部件,传感器的关键作用更是无可比拟。其中声敏、力敏、磁敏、气敏、光敏、温湿度、RFID射频、介质生物(试纸、酶电极)等八大敏感元器件及传感器无一例外地应用于各种防控措施和场景之中,有其不可替代性。传感器在本次疫情管控中发挥着极为重要作用。
  疫情中的红外传感器技术
  从目前各种症状来看,虽然“发热”不是判断感染肺炎的唯一指标,但在没有完全精准有效的方法前,体温检测就成为判断是否感染的关键指标。面对公共场所庞大的流动人口,要在移动状态下快速、准确、及时检测并筛查出非正常体温至关重要。这对于非接触式的红外测温仪来说,已不是困难的问题,不论是立式红外测温仪,还是手持耳温枪、额温枪等红外检测设备,都能准确达到精度要求。在此类设备中,主要发挥功效的就是能达到医用计量标准和参数指标要求的高精度、高可靠和高稳定性、一致性的红外温度传感器。
  红外测温仪是由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。人体的红外辐射的热像信号,经过光学接收器传输给调制器,在消除大面积的背景干扰信号后,将红外辐射的热像信号转变成电信号,再经过放大器和信号处理,并按照仪器内设的算法和目标发射率校正后,最终转变为被测目标的温度值。简单来说,红外传感器在接收到物体发出的能量后,通过其光学系统将红外能量转换成电信号,通过模型算法及参数校准,将其转换为医用级的高精度温度值。相对于其他类型的测温方式,红外测温方式的优势在于快速、直观、非接触检测。
  目前,呼吸机是眼下患者最需要的医疗设备,改善呼吸是重要治疗手段。由于病毒感染后,呼吸困难是危重病人的典型症状,而呼吸机能使肺泡在呼气末保持一定压力,增加功能残气量,防止肺泡萎陷,从而改变通气和换气功能,实现对病人进行辅助呼吸治疗的目的。持续正压通气(CPAP)的呼吸机装置,可强迫空气进入肺部,在整个呼吸周期内人为施加一定程度的气道内正压。如果病人出现呼吸暂停,CPAP呼吸机可根据预设的频率进行必要的机械通气。这就需要呼吸机中设计安装多个传感器,用于实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、压力和温湿度等参数指标,以保持患者获得持续、舒适的呼吸功能。因此,呼吸设备都会安装有气体质量流量、压力、湿度、温度和磁等传感器。而这些种类的传感器同样在其他临床应用中发挥着独特的作用。
  传感器技术在疫情中的应用
  重症患者其动脉血液中的氧含量高低是医生用于检测和评价生命体特征的重要指标。
  目前,常用的医用氧传感器是电化学式,俗称氧电池。氧气进入传感器后,内部所含的铅(Pb)逐渐被氧化成PbO2,其寿命只能1年左右。作为创新型替代产品,一种顺磁原理的氧气传感器逐步开始使用。其工艺较复杂,价格较高,但寿命长,是非消耗品,可长期使用不用更换。此外,若通过夹带式可穿戴设备进行血氧饱和度监测,可避免采血抽样,实验室手工分析等繁杂过程,是实现动态变化的实时信息获取与监测的有效方法,即可以保障病情判断的准确性、及时性以及血氧动态变化的连续性。伴随氧传感器同时使用的还有医用二氧化碳传感器,疫情防控中的应用场合更为普遍。包括呼吸机、救护氧舱、麻醉剂、婴儿培养箱、ICU病房以及住院隔离区环境监测等等。
  除此之外,疑似患者甄别试纸、试剂数据、医疗可穿戴产品、大小型制氧机、医用机器人、护理机器人等等。以及各种实验、化验检测;医疗器械与监控设备,智能化医院环境与装备设施,甚至是生产医疗相关产品的自动化、智能化、数据信息化过程无疑大量使用了各种不同结构类型的传感器,传感器在医疗中的应用更是数不胜数,举不胜举。
  总之,作为数据采集的功能器件和信息化基础产品,传感器可量化精准地获取人体血糖、血脂、血氧、血压、心动、脑电、皮电、体温等所有反映健康体征的生理参数指标。
  在本次疫情中,传感设备在医疗行业应用可谓是无处不在。人们期待着通过疫情防控呈现出的不同场景和突出问题,给相关企业提供相关技术信息和创新思路,使得业内企业以此为契机,通过跨界的融合与协同,不断创新出更多的生物医学传感器,以满足国家对应急突发事件预警检测和防控监测的及时性需求。
  传感器产业化迫在眉睫
  在当前的疫情防控中虽然暴露了诸多科技创新应用问题,但是也为以感知技术为代表的产业化和技术创新创造了良好的发展契机,明确技术创新的具体目标和方向,形成了新的发展机会。然而,在当前国际竞争背景下,受长期市场垄断和技术封锁的制约,要想从发达国家获取核心技术和关键工艺是不可能的。而国内众多的传感器企业均为中小型企业甚至是小微型企业,具有较强的创新意识和创新动力,但完全依靠慢慢积累各种资源实现高技术、高投入的自主创新,显然是创新能力不足!长此已久,自然难以形成国际竞争能力,逐步会失去信心。这也是我国当下传感器产业发展的“尴尬”与“无奈”。
  针对当前我国传感器产业技术、工艺、人才、市场等行业发展现状,结合疫情防控战役需求和暴露出的问题,以及产业长期发展需要,应当制定统筹规划和战略性扶持相关政策,逐步形成我国传感器产业的自主可控和市场繁荣。
  首先需要提升传感器行业的战略地位,把传感器定为“国家产业发展重点目标”,列为“国家战略”项目,在“十四五”规划中列为重点支持,优先发展的内容。
  具体希望国家设立专项资金予以支持,全面提升行业影响力和国际竞争力。重点提升敏感机理、敏感材料、新型工艺的创新性研究与开发能力,加快推进用于物理量、化学量、生物量中的半导体、陶瓷、高分子有机、光导纤维等各种新型敏感材料、复合功能材料的创新研发和产业化;重点提高基于MEMS、薄膜、介质隔离、微熔式、硅-硅键合与熔封、塑料封装、特殊结构封装等各种新型工艺技术的应用水平和能力。
  另外,全面提升产业化能力。重点支持半导体、陶瓷、金属、高分子、超导、光纤、纳米等材料及各种复合材料为基础的工艺技术开发,鼓励企业加大对力、磁、气、光、热、湿、离子敏、射线敏、生物敏、毫米波、激光雷达等生产工艺级装备投入,促进产业化整体水平的提高。
  提升产品智能化水平。重点支持具有数字补偿、网络化、智能化、多功能复合技术传感器产品。推进产品向集成式、复合式、微型化、高可靠、高稳定性、低功耗、低成本等多功能、一体化、标准化方向发展;重点支持并推进面向物联网、移动互联网、工业互联网、新一代通信网络,以及智慧城市、机器人等发展需求,以及个性化指标和特点突出的智能化传感器产品的产业化,打通产、用壁垒和瓶颈。
  完善技术标准体系。制定行业规范与标准,加快提升传感器产品的第三方检测等公共服务能力,鼓励企业设立符合公共服务能力和标准要求的专业产品检测中心。鼓励传感器及应用行业领域组建产业联盟,制定联盟标准,积极促进跨行业、跨专业、跨企业横向联合。
  注重高端人才培养。鼓励专业机构和科研院所对传感器产业链专业化高端人才培养;注重跨界融合与复合型人才培养;重点培养有创新能力的企业家人才。鼓励并支持通过市场化的重组、收购兼并,形成龙头企业和行业领军企业,提升全行业竞争力。

来源:维库仪器仪表


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