傳感器智能化的三大核心技術(shù)與創(chuàng)新趨勢(shì)

人類步入21世紀(jì)，全面進(jìn)入信息時(shí)代，從一定意義上講，也就進(jìn)入了傳感器時(shí)代。在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，傳感器處于連接被測(cè)對(duì)象和測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，可直接或間接接觸被測(cè)對(duì)象，是信息輸入的“窗口”，是萬(wàn)物互聯(lián)的眼睛，是數(shù)據(jù)信息獲取的唯一功能器件，直接影響和決定系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。特別是當(dāng)前備受國(guó)際關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，乃至智慧城市中的各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于傳感器技術(shù)的依賴尤為突出。

標(biāo)準(zhǔn)紛爭(zhēng)的傳感器

目前，全球產(chǎn)品化的傳感器種類約有2.6萬(wàn)余種。由于缺乏制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)則與規(guī)范，尚未制定出權(quán)威的傳感器標(biāo)準(zhǔn)類型。其敏感機(jī)理、敏感材料、使用功能、應(yīng)用領(lǐng)域等互相交錯(cuò)及深度融合，難以厘清，各國(guó)及各行業(yè)圍繞標(biāo)準(zhǔn)劃分的爭(zhēng)論從未停止，各抒己見、爭(zhēng)論不休，從而導(dǎo)致產(chǎn)品名稱混亂、種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)各異等復(fù)雜狀況。目前，行業(yè)只能劃分為簡(jiǎn)單的物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器等大的類別。

由于敏感機(jī)理、敏感材料不同，加之工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、使用場(chǎng)景，以及被檢測(cè)介質(zhì)與個(gè)性化參數(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來，傳感器一直處于多品種、小批量生產(chǎn)狀態(tài)。受工藝技術(shù)的分散性、復(fù)雜性影響和設(shè)備裝置價(jià)格昂貴等因素制約，業(yè)界稱其生產(chǎn)過程為制造“工業(yè)工藝品”。各國(guó)工程技術(shù)人員圍繞著工藝技術(shù)協(xié)同、融合，在產(chǎn)品規(guī)范化、性能歸一化、功能集成化、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，以及工藝設(shè)備和工裝夾具的產(chǎn)業(yè)化方面開展了長(zhǎng)期的技術(shù)開發(fā)與創(chuàng)新，形成了一大批不同特色的技術(shù)成果。

MEMS工藝是創(chuàng)新源泉

在美國(guó)硅谷傳感器領(lǐng)域，以MEMS工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同行業(yè)和功能的需求，展開不同封裝結(jié)構(gòu)的各種傳感器產(chǎn)品創(chuàng)新，已經(jīng)持續(xù)了近25年，形成各種類型傳感器產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，得到了各行業(yè)的廣泛認(rèn)同。正如硅谷MEMS工藝技術(shù)創(chuàng)始人丹尼斯所說：“20多年來，硅谷傳感器產(chǎn)品一直都圍繞著以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)應(yīng)用需求，開展不同結(jié)構(gòu)形式封裝的產(chǎn)品創(chuàng)新”。因此，MEMS工藝技術(shù)是各種類型傳感器的共性基礎(chǔ)工藝技術(shù)，被業(yè)界稱之為傳感器創(chuàng)新源泉。

目前，MEMS成熟工藝有4英寸、6英寸、8英寸、12英寸。伴隨著半導(dǎo)體平面工藝更新?lián)Q代和不斷升級(jí)，工藝設(shè)備與裝置水平成熟度增強(qiáng)，價(jià)格不斷降低，MEMS工藝也正在向更大尺寸方向發(fā)展，工藝成熟度也隨之不斷增強(qiáng)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物傳感器中，在聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏等傳感器中的應(yīng)用業(yè)已成熟。不僅提高了產(chǎn)業(yè)化能力，降低了產(chǎn)品成本，也大大提高了產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、一致性，使得產(chǎn)品的分散性、離散性得到了極大改善，可進(jìn)行規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化的封裝與生產(chǎn)，在批量化與規(guī)?；a(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。

2011年，美國(guó)業(yè)界認(rèn)為MEMS工藝已經(jīng)成熟，可以廣泛推廣應(yīng)用，確立并形成了傳感器產(chǎn)業(yè)圍繞MEMS工藝技術(shù)和應(yīng)用兩大方向的創(chuàng)新與突破：一是敏感機(jī)理創(chuàng)新與工藝突破。提高了MEMS工藝技術(shù)在材料與工藝結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)理論與應(yīng)用水平，比如在晶體與非晶體、各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用；在硅-硅鍵合工藝、硅薄膜工藝、金屬薄膜工藝等多個(gè)領(lǐng)域的工藝技術(shù)創(chuàng)新，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的微型化、低成本、復(fù)合型、集成度等產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)水平。二是智能化水平提高和應(yīng)用創(chuàng)新。在多功能集成化、模塊化構(gòu)架、嵌入式能力、網(wǎng)絡(luò)化接口等方面形成了創(chuàng)新與突破。

這二者的突破，極大地改善了產(chǎn)用難以對(duì)接的矛盾，搭建了生產(chǎn)制造與市場(chǎng)應(yīng)用的橋梁與技術(shù)通道，突破了行業(yè)在生產(chǎn)和應(yīng)用長(zhǎng)期形成的技術(shù)壁壘和發(fā)展瓶頸。同時(shí)也提高了各行業(yè)的產(chǎn)品自主選擇和應(yīng)用設(shè)計(jì)能力，大大刺激了應(yīng)用需求，拓展了市場(chǎng)空間。

智能化的三大核心

美國(guó)明確地提出傳感器智能化的三大核心技術(shù)與創(chuàng)新趨勢(shì)：

1.MEMS工藝技術(shù)。在微型化、低功耗、低成本、多材料復(fù)合、多參數(shù)融合，在大片集成工藝技術(shù)與裝備、微米與亞微米級(jí)高精度控制技術(shù)、柔性生產(chǎn)工藝技術(shù)等方面不斷迭代升級(jí)與創(chuàng)新。

2.無線網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)（傳感網(wǎng)）技術(shù)推廣應(yīng)用，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)、移動(dòng)智能終端、5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器產(chǎn)品與技術(shù)創(chuàng)新。把移動(dòng)（手機(jī)、車、船、飛機(jī)等）或固定物體（機(jī)床、樓宇、商場(chǎng)、家庭、山林等）作為安裝和應(yīng)用傳感器的平臺(tái)和智能化節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)嵌入式、多功能復(fù)合與集成、模塊化構(gòu)架、網(wǎng)絡(luò)化接口等協(xié)同式創(chuàng)新，以滿足對(duì)一切物體智能化、“無人化”管理與控制的需求。

圖1：傳感器智能化的三大核心技術(shù)

3.微能量獲取技術(shù)。傳感器智能化節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)外使用過程中，特別是野外使用環(huán)境下，供電問題始終是在各個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的一大障礙。圍繞著自然界風(fēng)能、光能、電磁能等微能量收集與獲取，稱為“微能量捕捉技術(shù)”，為傳感器提供能量將成為今后技術(shù)創(chuàng)新又一方向。

從美國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，呈現(xiàn)幾個(gè)特點(diǎn)：一是在共性基礎(chǔ)技術(shù)上下功夫，注重新技術(shù)、新工藝應(yīng)用，不斷提升品質(zhì)。二是強(qiáng)調(diào)傳感器網(wǎng)絡(luò)化、智能化節(jié)點(diǎn)技術(shù)、能量捕捉技術(shù)及協(xié)同創(chuàng)新。三是核心技術(shù)都有政府管控、扶持、資助與推動(dòng)的影子。四是重點(diǎn)推廣應(yīng)用領(lǐng)域的引領(lǐng)與帶動(dòng)作明顯，如軍事工業(yè)、裝備制造、物流、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控（森林防控）、移動(dòng)醫(yī)療、智能家居等。

產(chǎn)業(yè)化特征

徹底改變技術(shù)和市場(chǎng)的孤島化、碎片化問題是傳感器產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之處。這需要借助共性基礎(chǔ)技術(shù)和工藝，建立生產(chǎn)可柔性化、工藝規(guī)范化、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)體系，尋找產(chǎn)品的配套市場(chǎng)。根據(jù)MEMS工藝技術(shù)和產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用特點(diǎn)，溫敏、聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、頻率等7大類型產(chǎn)品符合產(chǎn)業(yè)化技術(shù)特點(diǎn)和市場(chǎng)規(guī)模化需求，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

當(dāng)下，以硅麥克風(fēng)為代表的聲敏傳感器已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外形成了十大主流特色品牌產(chǎn)品和商家（其中有瑞聲、歌爾兩家國(guó)內(nèi)企業(yè)），實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)；

在溫、濕度傳感器方面，美國(guó)、德國(guó)、瑞士、日本、中國(guó)等都有規(guī)模化生產(chǎn)能力，在未來發(fā)展中溫濕度將復(fù)合在其他物理量傳感器之中，比如力敏、磁敏傳感器中，可同時(shí)檢測(cè)溫濕度參數(shù)；

頻率與RF射頻、毫米波等共性工藝技術(shù)接近，而參數(shù)、功能、應(yīng)用差異較大的產(chǎn)品，可在同一廠家實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。特別是在手機(jī)、智能交通、生物感知等應(yīng)用領(lǐng)域具有爆發(fā)式增長(zhǎng)，具有較大的誘惑力。射頻器件95%仍由歐美廠商主導(dǎo)，甚至沒有一家亞洲廠商進(jìn)入。為了打破行業(yè)壟斷現(xiàn)象，這將成為未來技術(shù)創(chuàng)新與競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

小產(chǎn)業(yè)卻是大戰(zhàn)略

與國(guó)外相比，我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢的原因主要是認(rèn)識(shí)上的差距所致。對(duì)傳感器帶有偏見和片面的認(rèn)識(shí)，缺乏國(guó)家戰(zhàn)略認(rèn)識(shí)高度。由于傳感器分屬不同行業(yè)和部門，存在多頭管理現(xiàn)象，在發(fā)展上難以取得共識(shí)，政策支持缺乏力度導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)分散，產(chǎn)品不能形成系列。

在國(guó)內(nèi)近5000家儀器儀表企業(yè)中，有1600多家不同程度地生產(chǎn)制造敏感元件及傳感器，其中，95%以上屬于小微企業(yè)。一方面缺乏足夠的人力、物力、工藝技術(shù)條件等資源配置，產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱；另一方面市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻過高，缺乏相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新能力，產(chǎn)品整體技術(shù)水平和參數(shù)性能指標(biāo)，特別是可靠性、穩(wěn)定性指標(biāo)與國(guó)外同類產(chǎn)品相比要低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，無法滿足市場(chǎng)對(duì)企業(yè)資質(zhì)和配套能力的要求。中國(guó)目前缺乏龍頭企業(yè)引領(lǐng)和行業(yè)帶動(dòng)，缺乏國(guó)際化品牌、市場(chǎng)影響力、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和基礎(chǔ)研究能力，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)專業(yè)化企業(yè)數(shù)不足3%；核心芯片大都依賴進(jìn)口，中高檔產(chǎn)品幾乎100％進(jìn)口；整體工藝技術(shù)水平落后國(guó)外先進(jìn)國(guó)家10年～15年。

目前國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)值過億元的僅占企業(yè)總數(shù)的13%，全國(guó)不足200家。針對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和行業(yè)特點(diǎn)及存在問題，結(jié)合傳感器技術(shù)工藝特征，業(yè)內(nèi)期待在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的地區(qū)，聚集國(guó)內(nèi)外數(shù)十家及更多的傳感器專業(yè)性公司和科研院所，組成具有產(chǎn)品技術(shù)工藝特色和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模優(yōu)勢(shì)，以及國(guó)際市場(chǎng)影響力的產(chǎn)業(yè)集群或基地，形成年銷售額1000億元人民幣（150億美元）以上、年增長(zhǎng)率高于20%的國(guó)際化傳感器特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)。形成以敏感元器件為核心，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化等集成應(yīng)用為創(chuàng)新主體，物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市為應(yīng)用目標(biāo)的產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)架（產(chǎn)業(yè)生態(tài)），同時(shí)具備政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、服六維一體生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化集群式發(fā)展，形成我國(guó)傳感器“雙生態(tài)”產(chǎn)業(yè)鏈，具有產(chǎn)業(yè)特色明顯和區(qū)位優(yōu)勢(shì)突出的國(guó)際傳感器產(chǎn)業(yè)園——傳感谷。