技术预见2035：仪器仪表领域关键技术

       仪器仪表是智能制造、科学研究、环境监测、医疗健康、国防建设等领域必不可少的基础技术和装备核心，是实现国家创新驱动战略的重要支撑。面向数字化、网络化、智能化的新型仪器仪表的发展是实现测量信息智能感知、决策控制的重要手段，是智能制造装备的重要组成。仪器仪表的发展水平已经成为衡量一个国家创新水平、制造能力的重要标志。
 
       经技术预见结果统计分析和领域专家研讨分析，《中国工程科技2035发展战略·仪器仪表领域报告》提出仪器仪表领域综合重要性最高的前10项关键技术方向，见表1。

       传感器融合感知技术

       多传感器融合监测、分析、控制和交互将是未来智慧工厂和先进制造领域的尖端技术。开发针对振动、温度、压力、噪声、应变、图像等多参量的监测技术，结合物联网平台建立数据的采集、分析、自诊断、执行平台，重点开展以下几方面研究：①多传感器的融合检测技术；②数据融合分析技术；③平台自适应自诊断技术；④执行与反馈技术。该技术可广泛应用于土木工程及建筑、大型机械设备制造、航空航天、交通、能源与电力、石油化工等领域，在工业4.0 和先进制造方面将发挥极大作用。

        MEMS单片集成工艺与IC工艺高度融合

       随着MEMS技术和微电子IC技术的不断发展，MEMS制造技术与IC工艺越来越兼容，可以实现微传感器、执行器和集成电路单片集成，即把MEMS结构和CMOS电路做在同一块衬底芯片上。MEMS单片集成制造是指在CMOS等IC生产过程中插入一些MEMS工艺来实现单片集成MEMS，可以有效解决机械结构（三维结构）和电路结构（二维结构）的单片集成电路问题。随着技术的不断进步，MEMS单片集成工艺与IC工艺将实现高度融合，许多MEMS单片集成工艺将可以无缝隙地嵌入IC制造工艺流程中，使得未来的集成电路除了具有电路处理功能外，还具有信息获取和执行等功能。

       可穿戴、植入式人体参数连续监测系统

       人们对健康的要求越来越高，需要对自身的人体参数进行连续监测：通过监测运动中的人体参数，可以优化出最佳的锻炼方式；通过监测人体的各种营养参数，可以优化出合适的饮食结构；通过监测人体的疾病参数，可以优化出合理的治疗方案等。为了满足这一需求，人们通过发展生物相容的柔性MEMS制造技术，将人体参数监测传感器、处理分析系统和通信系统等集成在柔性生物衬底上，开发出廉价的可穿戴、植入式人体参数连续监测系统，可以进行各种人体参数的连续监测，并能对数据进行分析，对应用者给出合理的建议，提高人类的健康水平。到2035年，可穿戴、植入式人体参数监测系统将如创可贴一般廉价、普及。

       基于微流控芯片的痕量检测技术

       集成流路技术的不断发展，极大地促进了微量生物分子精准定量检测技术的发展。正如大规模集成电路带来电子学革命，大规模集成流路芯片可能带来生命科学革命。对低至1 个到几百个分子每百微升的痕量生物分子精准定量检测是重大科学难题，开展基于集成流路芯片的痕量生物分子精确定位技术及智能检测仪器研究，研制具有单分子检测下限和灵敏度的生物分子精准定量智能检测仪器，突破传统生物分子定量方法的检测极限，同时具有准确性高、特异性强等优点，为生命科学、医学的深入研究提供更为精准的方法和仪器，是精准医疗的基础。

       基于移动互联的手持式微型检测仪器

       小型分析仪器可实现手持式检测，为快速在线检测检验提供了硬件基础。随着移动互联的发展，将其同手机相连，作为手机上的分析传感器，并通过互联网进行远程数据分析和大数据管理，从而将手机变成便携、移动、分布式的迷你分析仪器，通过大数据和云计算实现快速而精确的数据分析，其意义不单纯是实现了快速在线检测，而且必将形成一种新的安全监控和检验模式，在人类生产、生活的广泛领域内开辟了无穷的想象空间。这一方向需要对分析仪器的小型化、数据标准、互联传输标准、数据库平台等方面进行提前布局，通过标准强化和指导快速检测技术领域的发展，以保障制造、加工企业质量安全，并形成我国自有的技术壁垒，具有重要战略意义。

       极端环境条件下的质谱分析技术

       质谱仪器作为分子定性定量的唯一确证检测，尤其检测速度快、精确度好，使其已经在广泛的检测领域中获得越来越重要的地位。但其对操作环境要求高，使其在极端环境和尺度中无法发挥应有的作用。当前可预见未来人类将持续加强海、天、地下环境和资源的探索，各种高端分析仪器在极端环境条件下进行应用是必然需求，质谱仪器将发挥巨大作用。发展在强电场、强磁场、强辐射、高温、高压力、高速度、强振动、强噪声等极端条件下的质谱测量技术将是高端科学仪器发展的方向，是我国在海、天、地下领域深度开发和占据有利地位必要的技术支撑之一。

       多源自供电微功耗连续传感器

       这类传感器是可用于远程遥感采集，具备多种自供电方式，能够不依靠外电源，长期稳定地对温度、湿度、压力等物理参数实施连续监控的小型化的传感器。设备采用热电效应、光电效应以及获取化学能的方式，为石油野外勘探、铁道监测、环境监控等需要长期在外进行工作的探测器提供一定功率的能源，信息可以源源不断地通过无线方式进行回传，避免传统模式下供电维护或者线路维护的困扰。对于需要极端小型化和不需要连续工作的设备，也可以采取断续工作、断续供电等模式以增加灵活性。

       太赫兹检测仪器

       太赫兹波是位于红外线与微波之间的电磁辐射波，其能量比X射线低三个数量级，因此不会使生物组织产生任何破坏，是一种真正意义上的无损检测技术。太赫兹光谱、成像仪器在食品安全监测、药品分析、临床检测、油气分析、医疗分析、化妆品、违禁品、食品添加剂、大气与空间环境监测等领域有广阔的应用前景。

       高通量全集成基因检测技术

       基因检测技术发展迅速，近年来在疾病风险评估、疾病诊断、个体化医疗、身份鉴定、食品安全等领域的应用呈现飞跃式发展，其更快、更准、更灵敏的检测性能带来的社会效益巨大。我国把基因检测技术用于临床检验方面的规模和水平处于世界前列。目前，基因检测更大规模推广使用的瓶颈在于样品交叉污染风险和样品前处理复杂，国家应重点支持基于一次性全集成芯片的全集成基因检测系统，实现样品进、结果出的全自动流程。

       高分辨率雷达卫星传感器

       高分辨率雷达卫星遥感在国土、水利、农业、林业、海洋、地质与矿产、灾害与测绘、环境、军事等领域具有广阔的应用前景，特别是在灾害应急监测、地表覆盖实时监测、海洋监测、地壳位移与地表沉降监测等领域效果突出。雷达卫星遥感具有全天候、全天时、多模式、多极化等技术优势，是对传统光学遥感的补充和延伸，在卫星遥感对地观测技术体系中占据越来越重要的地位。目前，我国尚无民用雷达卫星数据，有必要开展这一领域的研究，研制分辨率达到亚米（分米）级别的雷达卫星遥感传感器。