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落后先进国家10~15年,该重新审视我国传感器产业发展了!

发布时间:2019-03-18
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传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱和物联网基础,其应用涉及国民经济及国防科研的各个领域,是国民经济基础性、战略性产业之一,直接影响到国防安全、经济安全和社会安全。在现代控制系统中,传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置,可直接或间接接触被测对象,是信息输入的“窗口”,是数据信息获取的唯一功能器件,直接影响和决定着系统的功能和性能优劣,许多控制系统因数据采集障碍而无法实现功能。通俗地讲,如果把计算机比喻为人的“大脑”,通信比喻成为“神经系统”,那么传感器就是 “五官”和“皮肤”,承担着“感知”环境一切参数和任何数据信息。特别是当前倍受国际关注的物联网、大数据、云计算技术,乃至智慧城市中的各种技术实现,对于传感器技术的依赖尤为突出。


国内外发展历程与现状


20世纪70年代初,西方发达国家大力发展计算机与通讯技术,忽视了传感器技术发展,造成了“大脑”发达,而“五官”迟钝的窘境,传感器产业相对惨淡。80年代初,美、日、德、法、英等国家相继确立加速传感器技术发展的方针,视为涉及科技进步、经济发展和国家安全的关键技术,纷纷列入长远发展规划和重点计划之中。倾注人力和物力投资,以年10%-30%的增长率高速发展,在工艺技术与产品上有了明显的突破,形成了技术领先优势,占据了国际主要市场。并采取严格的保密规定对技术封锁和控制,禁止技术出口,尤其是针对中国。


日本1979年在《对今后十年值得注意的技术》中列为首位;美国国防部1985年公布的二十项军事关键技术中,被列为第十四项;《星球大战》计划、欧洲《尤里卡》计划、前苏联《军事航天》计划,英、法、德等国家高技术领域发展规划中均将传感器列为重点发展技术,并将其科研成果和制造工艺与装备列入国家核心技术。美国认为,计算机技术是核心,敏感技术、光电子技术是关键和重点,新材料、微电子技术是支撑和基础。通信与计算机结合,以及多元化、新技术的融合代表着美国信息技术发展方向。1991年4月美国政府公布的《国家关键技术》报告中,确定了6个领域22项关键技术。其中包括传感器和信号处理,以及与信息技术相关的材料技术、加工工艺等。2003年美国商业周刊“未来技术发展报告”中,传感器列为21世纪最具影响和改变世界10大新技术之一。福布斯认为,当前,甚至今后几十年内,影响和改变着世界经济格局和人们生活方式的10大科技产品,传感器列为10大科技产品之首。美国国家科学发展基金会认为,“80年代个人电脑把运算简化到人们手指尖上;90年代互联网技术把人们对信息的需求通过网络变得全球化;本世纪的重大变革就是:通过网络,把物质世界联接起来,并赋予它一个电子神经系统,使它具有能够感知信息的生命,而能够担当这一重任的核心就是传感器”。每年度财政预算约有69亿美元,用于传感器基础技术与应用研究,称其为“Sensor Revolution”(即:传感器革命)。


目前国际上缺乏制定国际标准的准则与规范,尚未制定出权威性的传感器标准类型。其敏感机理、敏感材料、使用功能、应用领域等互相交错及深度融合,难以厘清,各国及行业围绕着标准划分的争论从未停滞,各抒己见、争论不休,从而导致产品名称混乱、种类繁多、结构复杂、参数各异等复杂状况,只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。


例如,物理传感器有:声、力、光、磁、温、湿、电、射线等等;化学传感器有:各种气敏、酸碱PH值、离子化、极化、化学吸附、电化学反应等现象等等;生物传感器有:酶电极和介体生物电等等。然而物理、化学、生物传感器中的材料、机理、参数、模型上往往互相渗透、融合,技术、工艺相互交叉现象较为普遍,像力敏、位置、液面、能耗、速度、热敏、加速度、射线辐射、振动、湿敏、磁敏、气敏、真空度、生物等传感器在功能上,压电效应、磁致伸缩、热电、光电、磁电效应、电化学反应、热敏、场效应、压电、光学、声波道等等,在产品用途和形成过程中的因果关系互相咬合,既不能划分到物理类,也不能划分为化学类,难以严格划分。


常用传感器分类和命名方式,主要有以下几种类型:

(1)按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

(2)按传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。

(3)按照供电方式可分为有源或无源传感器。

(4)按其输出信号可分为模拟量输出、数字数字量输出和开关量传感器。

(5)按传感器使用的材料可分为:半导体材料;晶体材料;陶瓷材料;有机复合材料;金属材料;高分子材料;超导材料;光纤材料;纳米材料等传感器。

(6)按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。

(7)按照其制造工艺,可分为机械加工工艺;复合与集成工艺;薄膜、厚膜工艺;陶瓷烧结工艺;MEMS工艺;电化学工艺等传感器。

全球产品化的传感器种类约有2.6万余种,我国已经拥有约1.4万多种,大多为常规类型和品种;7000多种可产品化,而在医疗、科研、微生物、化学分析等特殊品种上仍有短缺和空白,存在着较大的技术创新空间。


共性基础工艺与三大技术创新趋势


众所周知,由于敏感机理、敏感材料不同,加之工业现场环境、使用场景,以及被检测介质与个性化参数、结构等复杂性要求等特点,长期以来传感器一直处于多品种小批量生产状态,结合工艺技术的分散性、复杂性影响和设备装置价格昂贵等因素制约,业界称其生产过程为制造“工业工艺品”。各国工程技术人员围绕着工艺技术协同、融合,在产品规范化、性能归一化、功能集成化、结构标准化,以及工艺设备和工装夹具的产业化方面展开了长期的技术开发与创新,形成了一大批不同特色和特点的技术成果。


在美国硅谷传感器领域,围绕着以MEMS工艺技术为基础,根据不同行业和功能的需求,展开的不同封装结构的各种传感器产品创新,已经持续了近25年,形成的千奇百怪、五花八门的各种类型传感器产品,应用领域不断扩展,得到了各行业的广泛认同与接受。正如硅谷MEMS工艺技术创始人丹尼斯先生所说:“20多年来,硅谷传感器产品一直都是围绕着以硅基材料为主体的MEMS芯片和不同行业领域的市场应用需求,开展不同结构形式的封装的产品竞争与创新”。因此,MEMS工艺技术是各种类型传感器的共性基础工艺技术,被业界称之为传感器创新源泉。目前,MEMS成熟工艺有4英寸、6英寸、8英寸、12英寸,伴随着半导体平面工艺更新换代和不断升级,工艺设备与装置水平成熟度增强和价格不断降低,MEMS工艺也正在向更大尺寸创新发展,工艺成熟度也随之不断增强。产品涉及并广泛应用于物理、化学和生物传感器中,在声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏等传感器中的应用业已成熟。不仅提高了产业化能力,降低了产品成本,也大大的提高了产品的可靠性、稳定性、一致性,使得产品的分散性、离散性得到了极大改善,可进行规范化与标准化的封装与生产,在批量化与规模化生产中发挥了重要作用。2011年,美国行业认为MEMS工艺已经成熟,可以广泛推广应用,确立并形成了传感器产业围绕MEMS工艺技术和应用两大方向创新与突破:


一是 敏感机理创新与工艺突破。提高了MEMS工艺技术在材料与工艺结构等基础理论与应用水平,比如在晶体与非晶体、各种半导体材料应用;在硅-硅键合工艺、硅薄膜工艺、金属薄膜工艺等多个领域的工艺技术创新,大大提高了产品生产的微型化、低成本、复合型、集成度等产业化基础水平。


二是 智能化水平提高和应用创新。在多功能集成化、模块化构架、嵌入式能力、网络化接口等形成了创新与突破。极大地改善了产用难以对接的矛盾,搭建了生产制造与市场应用桥梁与技术通道,突破了行业在生产和应用长期形成的技术壁垒和发展瓶颈。同时也提高了各行业的产品自主选择和应用设计能力,大大刺激了应用需求,拓展了市场空间。


同时,美国还明确了传感器智能化的三大核心技术与创新趋势:


1、MEMS工艺技术:在微型化、低功耗、低成本、多材料复合、多参数融合;大片集成工艺技术与装备、微米与亚微米级高精度控制技术、柔性生产工艺技术不断迭代升级与创新。

2、无线网络化技术:为适应各种物联网(传感网)技术推广应用,在工业互联网、人工智能技术、移动智能终端、5G技术标准下的无线网络化传感器产品与技术创新。把移动(手机、车、船、飞机等)或固定物体(机床、楼宇、商场、家庭、山林等)作为安装和应用传感器的平台和智能化节点,实现嵌入式、多功能复合与集成、模块化构架、网络化接口等协同式创新,以满足对一切物体智能化、“无人化”管理与控制的需求。

3、微能量获取技术:传感器智能化节点在室内外使用过程中,特别是野外使用环境下,供电问题始终是各个领域推广应用的一大障碍。围绕着自然界风能、光能、电磁能等微能量收集与获取,称为“微能量捕捉技术”,为传感器供成为今后技术创新又一方向。


从美国传感器产业发展来看,呈现几个特点:一是在共性基础技术上下功夫,并注重新技术、新工艺创新应用,不断提升品质。二是强调传感器网络化、智能化节点技术、能量捕捉技术及协同创新。三是核心技术都有政府管控、扶持、资助与推动的影子。四是重点推广应用领域的引领与带动作明显。如军事工业、装备制造、物流、生态环境监控(森林防控)、移动医疗、智能家居等。


产业化生态体系与环境建设

借助共性基础技术和工艺,建立生产可柔性化、工艺规范化、产品标准化的生产体系,寻找产品的配套市场,彻底改变技术和市场的孤岛化、碎片化问题是传感器产业化的关键之处。根据MEMS工艺技术和产品市场应用特点,温敏、声敏、力敏、光敏、气敏、磁敏、频率等7大类型产品符合产业化技术特点和市场规模化需求,可实现产业化规模生产。


另外,以硅麦克风为代表的声敏传感器已经在国内外形成了十大主流特色品牌产品和商家(其中有瑞声、歌尔国内两家企业),实现了产业化规模生产;温、湿度传感器美国、德国、瑞士、日本、中国等国家都有规模化生产能力,在未来发展中温湿度将复合在其他物理量传感器之中,比如,力敏、磁敏可同时检测温湿度参数;频率含RF射频、毫米波等共性工艺技术接近、而参数、功能、应用差异较大的产品,可在同一厂家实现产业化。特别是在手机、智能交通、生物感知等应用领域具有爆发式增长,具有较大的诱惑力。射频器件95%仍是欧美厂商主导,甚至没有一家亚洲厂商进入。为了打破行业垄断现象,这将成为未来技术创新与竞争的焦点。


与国外相比,我国传感器产业发展缓慢主要是认识上的差距所致!对传感器带有偏见和片面的认识,缺乏国家战略认识高度。由于传感器分属不同行业和部门,存在多头管理,在发展上难于取得共识,管理乱象,政策支持缺乏力度导致产业分散,产品不能成为系列化;1200多家企业中95%以上属于小微企业,一方面缺乏足够的人力、物力、工艺技术条件等资源配置,产业化基础薄弱;另一方面市场准入门槛过高,缺乏相应的应用开发和技术创新能力,产品整体技术水平和参数性能指标,特别是可靠性、稳定性指标与国外同类产品相比要低1~2个数量级,无法满足市场对企业资质和配套能力的要求。第三是缺乏龙头企业引领和行业带动,缺乏国际化品牌、市场影响力、竞争优势和基础研究能力,导致行业内专业化企业数不足3%;核心芯片大都依赖进口,中高档产品几乎100%进口。整体工艺技术水平落后国外先进国家10~15年。


针对国内外产业现状对比和行业特点及存在问题,结合传感器技术工艺特征,业内期待在经济、技术优势和发达地区,聚集国内外数十家以上的传感器专业性公司和科研院所,组成具有产品技术工艺特色和产业化规模优势,以及国际市场影响力的产业集群或基地,形成年销售额1000亿元人民币(150亿美元)以上,并以年增长大于20%速度增长的国际化传感器特色产业园区。形成以敏感元器件为核心,智能化、网络化、模块化等集成应用为创新主体,物联网、智慧城市为应用目标的产业链构架(产业生态),同时具备政、产、学、研、用、服六维一体生态环境,实现产业化集群式发展,形成我国传感器“双生态”产业链,具有产业特色明显和区位优势突出的国际传感器产业园——即“传感谷”。


作者郭源生,系九三学社中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟副理事长