Ein kleiner als eine Münze großer Chip, der alles wahrnimmt.

Ein Chip, kleiner als eine Münze, scannt die Welt mit einer Genauigkeit von 0,1 Millimeter und bildet das "digitale Sinnesystem" der intelligenten Ära.

Die Millimeterwellenradarchips von Gatrland erreichten 2024 eine Liefermenge von 6 Millionen Stück. Im Jahr 2025 wird eine sprunghafte Steigerung auf 16 Millionen Stück erwartet, und die kumulative Liefermenge wird 19 Millionen Stück überschreiten. Dieser chinesische Unternehmen hat seinen Marktanteil auf dem chinesischen Markt von 20 % auf 33 % gesteigert, und seine Chips sind in die Fahrerassistenzsysteme von mehreren Dutzend führenden Automobilherstellern weltweit integriert.

Zur gleichen Zeit hat der 0,3 Millimeter dicke flexible Taktilsensor von Hanwei Technology auf der Shenzhen Sensor Expo Staunen ausgelöst. Diese "elektronische Haut" kann die Druckverteilung in einer Millisekunde präzise erfassen.Ohne dass man es merkt, rückt die Sensortechnologie aus dem Hintergrund in den Vordergrund und wird zum Kernpfeiler in Bereichen wie Künstlicher Intelligenz, Elektromobilität und industriellem Internet.

 01 Der Wettlauf von Millimeter bis Nanometer

Dieser Monat hat eine Patentanmeldung von Wuxi Xin Gan Zhi einen neuen Durchbruch in der Präzision von Sensoren aufgedeckt. Durch die Anordnung einer Siliziuminselmembranstruktur und einer durchbrochenen Pufferschicht in der Rückseitenhöhlung des Drucksensors wurden gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Druckbeständigkeit erreicht, ohne dass die Kosten wesentlich erhöht wurden. Dieser technologische Durchbruch, der "beides haben will", ist ein Spiegelbild der gegenwärtigen Innovationen in der Sensortechnik.

Im Bereich der Messgenauigkeit setzen Laserdistanzsensoren neue Grenzen. Der satellitengetragene Laserdistanzmesser, entwickelt von Jiuziyang, wird bereits im GaoFen-7-Satelliten eingesetzt und hat die Genauigkeit auf die Millimeterstufe verbessert. Der Kern des frequenzgesteuerten Lasers verwendet die Technologie der Photonischen Kristallfaserverstärkung, um die Wellenlängenstabilität auf ± 0,0001 nm zu bringen. Die IL-3000-Serie von Keyence aus Japan hat sogar eine Messgenauigkeit von 0,01 μm erreicht, was einem Hunderttausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Diese Genauigkeit wird bereits in der Fertigungslinie von Toshiba-Speicherchips eingesetzt, um die nanoskalige Verformung des Lithographiearbeitsplatzes in Echtzeit zu überwachen. Hinter diesen bahnbrechenden Fortschritten steckt die tiefe Kopplung des optischen Interferenzprinzips und des digitalen Signalverarbeitungsalgorithmus – durch die Phasen-demodulationstechnik wird die Auflösung des optischen Wegunterschieds auf λ/1000 verbessert, und in Kombination mit dem AI-Rauschreduktionsalgorithmus wird die Störung durch Umgebungsvibrationen eliminiert.

Im Bereich der Fahrzeugumfelderfassung hat es ebenfalls einen Sprung in der Genauigkeit gegeben. Der Millimeterwellenradar von Gatrland hat durch die Kombination der eigenen RoP (Radar-Packaging-Technologie) und der 3D-Wellenleiterantenne den Sprung von "detektieren können" zu "präzise messen können" geschafft. Die Varianz der Winkelberechnung ist im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen um 30 % optimiert, und die Punktwolkenstabilität bleibt auch in einer Entfernung von 70 Metern erhalten.

Das ist nicht alles. Sensoren integrieren Funktionen, während sie ihre Genauigkeit verbessern. Der neueste Dubhe-Tianshuxing-Serie-UWB-Chip von Gatrland kann durch das 2T4R-Radarmodell mehrere Funktionen wie das digitale Schlüssel, die Innenraumüberwachung und die Fußkick-Tailgate-Sensorik gleichzeitig übernehmen. Ein einziger Chip ersetzt das herkömmliche Mehr-Sensorsystem. Dieser integrierte Durchbruch beruht auf der tiefen kooperativen Entwicklung des RF-Vorderendes und der digitalen Basisbande: Die Zeitmultiplextechnologie wird verwendet, um das Radarecho und das UWB-Positionsierungssignal zu trennen, und in Kombination mit dem dynamischen Strahlformungsalgorithmus wird eine räumliche Erfassungsgenauigkeit von ± 5 cm erreicht. Nach der Anwendung dieses Chips im Fahrerassistenzsystem des BMW iX-Modells wurde die Reaktionsverzögerung der Gestensteuerung auf 80 ms verkürzt, was im Vergleich zum Vorgängermodell eine Vierfache Steigerung darstellt.

Hinter der Genauigkeitsrevolution steht die kooperative Innovation von Materialien und Prozessen. Die Penetrationsrate der MEMS-Technologie ist von 35 % im Jahr 2018 auf 58 % im Jahr 2024 gestiegen, was die Entwicklung von Sensoren in Richtung Miniaturisierung und Integration vorantreibt. Chip-basierte Sensoren ersetzen die herkömmlichen sperrigen Messgeräte und bringen die Laborgenauigkeit in den Alltag.

 02 Der doppelte Ausbruch im Bereich der Elektromobilität und der Industrie

Am 22. Juni hat Suao Sensing auf der Interaktionsplattform bekannt gegeben, dass sein selbstentwickelter Bremsdrucksensor offiziell in die Phase der Kundenbestellung eingetreten ist und in das AEBS (Advanced Emergency Braking System) eingesetzt werden wird.Hinter dieser Nachricht verbirgt sich das sprunghafte Wachstum der Nachfrage nach Sensoren in der Elektromobilität.

Sensoren sind zu den "Kernsinnen" von intelligenten Autos geworden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotorenfahrzeugen beträgt die Anzahl der Sensoren pro Elektromobil 300 - 500 Stück, und der Markt wächst mit einer jährlichen Rate von 28 %. Diese Nachfrage hat direkt die Blüte des Laserdar-Sensors marktes angestoßen – im Jahr 2025 wird die Vormontagemenge von Laserdar-Sensoren in China 5 Millionen Stück überschreiten.

Der AT128-Laserdar-Sensor von Hesai Technology erreicht eine Punktwolkenausgabe von 1,53 Millionen Punkten pro Sekunde und ist bereits in Fahrzeugen wie dem Li L9 verbaut. RoboSense hat durch die Chip-Technologie die Kosten des Laserdar-Sensors um 60 % gesenkt und Bestellungen von Automobilherstellern wie BYD und XPeng erhalten. Der Laserdar-Sensor Markt wächst mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate von 17,6 %, was weit über dem Durchschnitt der Sensortechnikbranche liegt.

Mit der Erhöhung der Bremsgeschwindigkeit in den AEB-Vorschriften in China, den USA und Europa auf über 120 km/h müssen Radare eine größere Erfassungsreichweite und die Fähigkeit zur Erkennung von schwachen Zielen haben. Das doppelte SoC-Kaskadenkonzept von Gatrland erweitert die Höhenmessfähigkeit von der Hundertmeterstufe auf die volle Reichweite von 350 Metern und erhöht die Erfassungsreichweite für schwache Ziele wie Plastikkegel auf über 100 Meter.

Auch im industriellen Bereich hat es eine Sensorrevolution gegeben.Die Daten von Juyi Information Consulting zeigen, dass die Netzwerkverbindungsrate der chinesischen Fertigungsausrüstung im Jahr 2024 55 % erreichte, was im Vergleich zu 38 % im Jahr 2020 eine deutliche Steigerung darstellt. Die Netzwerkverbindung von Fertigungsausrüstung ist die Grundlage für das industrielle Internet, und Sensoren sind der Schlüssel zur Netzwerkverbindung von Ausrüstung. Durch die Installation verschiedener Sensoren wie Temperatursensoren, Drucksensoren und Vibrationssensoren auf der Ausrüstung können die Betriebszustandsdaten der Ausrüstung in Echtzeit erfasst werden, um die Fernüberwachung, die Fehlersuche und die vorausschauende Wartung der Ausrüstung zu ermöglichen. Dies erhöht nicht nur die Betriebseffizienz und Zuverlässigkeit der Ausrüstung, sondern senkt auch die Wartungskosten der Unternehmen. Daher hat die Erhöhung der Netzwerkverbindungsrate von Fertigungsausrüstung direkt die Nachfrage nach industriellen Sensoren stimuliert.

In den letzten Jahren ist die Anzahl der installierten industriellen Roboter weltweit stetig gestiegen und hat seit mehreren Jahren 500.000 Stück überschritten. Von 2018 bis 2023 betrug die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate 5 %. Laut der Prognose der International Federation of Robotics (IFR) wird die Anzahl der installierten Prozessroboter bis 2027 die Marke von 600.000 Stück überschreiten. Die breite Anwendung von industriellen Robotern hat die Nachfrage nach Wegmesssensoren stimuliert. Wegmesssensoren können die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Robotern präzise messen und bieten wichtige Informationen für die genaue Steuerung von Robotern. Mit der Entwicklung von industriellen Robotern in Richtung höherer Präzision, höherer Geschwindigkeit und Intelligenz werden höhere Anforderungen an die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Wegmesssensoren gestellt. Die Nachfrage nach Wegmesssensoren wächst jährlich um 22 % und wird zu einem wichtigen Wachstumspunkt auf dem Markt für industrielle Sensoren.

 03 Die Entstehung neuer Spezies

Auch die Sensortechnologie selbst bricht ständig neue Innovationen. Während herkömmliche Sensoren die Anforderungen an die Massenanwendung durch die Verbesserung ihrer Leistung und die Optimierung ihrer Kosten erfüllen, haben sich "neue Spezies" der Sensortechnologie auf der Grundlage neuer Materialien und neuer Prinzipien bereits heimlich entwickelt.

Das Team von Du Cuifeng/Wang Yuan der Universität der Wissenschaft und Technologie Peking in Zusammenarbeit mit dem Team von Akademiker Wang Zhonglin/Zhu Laipan des Instituts für Nanoenergie und Nanosysteme Peking hat einetriboelektrische autarke Sensierplattform (TESS) entwickelt. In einer Tiefe von 626 Metern unter der Erde in einer Goldmine in Shandong läuft diese Plattform bereits seit mehreren Monaten. Dieser technologische Durchbruch auf der Grundlage des triboelektrischen Nanogenerators (TENG) löst das Problem der Stromversorgung bei der Grubenüberwachung.

Die Fähigkeit zur Erfassung der Windgeschwindigkeit wird durch eine kontaktlose TENG-basierte Horizontalwindturbine erreicht. Gleichzeitig besteht die TESS aus einer Gruppe einzigartiger TENGs, die in einem neuen Betriebsmodus funktionieren und die Vorteile des Kontakttrenn- und des unabhängigen Modus ausgleichen. Mit einem optimierten autarken Stromversorgungsmanagement-System erreicht die TESS eine Ladeleistungsdichte von 16,36 mW pro Quadratmeter; diese Energie wird alle 166 Sekunden an einen Sensorknoten (zur Messung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, Druck sowie der Konzentration von Kohlendioxid, Stickstoffdioxid und Ammoniak), eine Datenverarbeitungseinheit und einen LoRa-Sender übertragen. Diese Arbeit hat einen wichtigen Durchbruch bei der Entwicklung einer robusten, kostengünstigen, batterie- und kabellosen triboelektrischen Nanogenerator-basierten Umweltsensierplattform erzielt.

Zur gleichen Zeit gibt es auch gute Nachrichten aus dem Bereich der Gassensortechnologie. Das "elektronische Nasen"-System von Hanwei Technology kann durch die Integration eines Arrays von hochempfindlichen Gassensoren und eines KI-Algorithmus verschiedene Gerüche in fünf Sekunden schnell erkennen und wird bereits in Bereichen wie Lebensmittelsicherheit und Umweltüberwachung eingesetzt.

Dieses System arbeitet in einem Modus mit mehreren Sensoren, die jeweils für bestimmte Gase eine hohe Empfindlichkeit haben. In Kombination mit einem KI-Algorithmus, der die multidimensionalen Daten in Echtzeit analysiert, bricht es die Grenzen der herkömmlichen Einzelgasmessung. Beispielsweise kann das "elektronische Nasen" in der Lebensmittelsicherheitsszene durch die Erkennung der Gasbestandteile, die von Lebensmitteln abgegeben werden, deren Frische oder Verderbnis feststellen; in der Umweltüberwachung kann es schnell die Quelle von schädlichen Gasen oder Gerüchen in der Luft lokalisieren und Daten für die Verschmutzungswarnung liefern.

Diese biomimetische Sensiertechnologie imitiert die komplexe Erkennungsfähigkeit des biologischen Geruchssinns und kann verschiedenen Gasgemischen angepasst werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren hat es eine höhere Detektionseffizienz und Praktikabilität und treibt die Gassensortechnologie in Richtung Intelligenz und Mehrfunktionalität voran.

 04 Wohin geht die Sensortechnologie?

Laut einem Bericht von Yole hat die globale MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)-Branche im Jahr 2024 einen wichtigen Wendepunkt erreicht. Dank des Rückgangs des "Lagerwirkungs" im zweiten Quartal beliefen sich die Jahresumsätze auf 15,4 Milliarden US-Dollar (5 % Zuwachs gegenüber dem Vorjahr), und die Liefermenge überstieg 31 Milliarden Stück. Marktanalysen zeigen, dass mit der Erholung der Endnachfrage in Bereichen wie Konsumelektronik und Automobil-Elektronik sowie der Impulse neuer Technologien wie KI und Internet der Dinge die Wachstumsrate der Branche im Jahr 2025 möglicherweise weiter steigen wird. Es wird geschätzt, dass die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 2024 bis 2030 3,7 % betragen wird, dass der Marktumfang im Jahr 2030 auf 19,2 Milliarden US-Dollar steigen wird und die Verkaufszahlen auf 35 Milliarden Geräte ansteigen werden.

Während die MEMS-Branche durch traditionelle Anwendungsbereiche ein solides Wachstum erzielt, wird in den Laboren ein Durchbruch in der Quanten-Sensortechnologie vorbereitet.

Quantensensoren nutzen Quanteneffekte und bieten im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren eine deutlich höhere Empfindlichkeit, was neue Anwendungen in Bereichen wie Elektromobilität, nicht-GPS-Navigation, medizinischer Bildgebung und Kommunikation ermöglicht. Branchenexperten sprechen von einer "zweiten Quantenrevolution".

Experten glauben, dass die Quantenmechanik nicht nur großes Potenzial in der Computerrechnung hat, sondern auch die Sensortechnik grundlegend verändern könnte.

Die Empfindlichkeit von Quantenzuständen ermöglicht die Detektion von winzigen Änderungen und somit Messungen mit einer bisher unerreichbaren Genauigkeit. Quantensensoren bieten im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren eine höhere Empfindlichkeit und können verschiedene physikalische Eigenschaften wie Strom, elektrisches Feld, Magnetfeld, Licht, lineare Beschleunigung, Winkelbeschleunigung und Zeit mit hoher Empfindlichkeit messen.

Ein Beispiel hierfür sind Tunnel-Magnetowiderstands-(TMR)-Sensoren, die in Millionen von Chips gefertigt werden können. Sie werden derzeit im Automobilbereich verkauft und dienen der Fernstromerfassung. Die biomagnetische Bildgebung mit optisch gepumpten Magnetometern (OPM) befindet sich zwar noch in der frühen Entwicklungsphase, zeigt aber bereits vielversprechende Ergebnisse. Start-ups wie Cerca Magnetics haben bereits frühe Produkte und Prototypen an Forschungszentren verkauft.

Darüber hinaus gibt es auch Tischatomuhren, die seit Jahren in der Forschung und für internationale Zeitskalen verwendet werden. Im medizinischen Bereich können Quantensensoren die natürlichen Magnetfelder des Herzens einfach messen und viel mehr Daten liefern als die derzeitigen Elektrokardiogramm-(EKG)-Geräte. Während EKG-Geräte über direkt auf der Haut angebrachte Elektroden messen, können Quantensensoren in Kle