干貨 | 一文讀懂國內(nèi)外傳感器技術(shù)及差距

來源：機(jī)器人設(shè)計(jì)寶典，謝謝

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傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，被認(rèn)為是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，也是國內(nèi)外公認(rèn)的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在國內(nèi)有自動(dòng)化方面的專家指出，傳感器技術(shù)直接關(guān)系到我國自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢，認(rèn)為“傳感器技術(shù)強(qiáng)，則自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)強(qiáng)”。由此可見傳感器技術(shù)對自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)國家工業(yè)建設(shè)的重要性。

然而，在傳感器迎來春天的時(shí)候，中國公眾看到的似乎仍然是國外半導(dǎo)體巨頭的盛宴。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，雖然中國的傳感器市場發(fā)展很快，但本土傳感器技術(shù)與世界水平相比仍存在很大差距。

這種差距，一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面，則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。由于沒有形成足夠的規(guī)?；瘧?yīng)用，導(dǎo)致國內(nèi)的傳感器不僅技術(shù)低，而且價(jià)格高，在市場上很難有競爭力。

各國傳感器發(fā)展情況

目前全球傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭公司主導(dǎo)。美國、日本、德國及中國合計(jì)占據(jù)全球傳感器市場份額的72%，其中中國占比約11%。與全世界生產(chǎn)的超過2萬種產(chǎn)品品種相比，中國國內(nèi)僅能生產(chǎn)其中的約1/3，整體技術(shù)含量也較低，是目前急需改變的一個(gè)狀態(tài)。

美國

美國早在80年代就聲稱世界已進(jìn)入傳感器時(shí)代，美國早在80年代初就成立了國家技術(shù)小組（BGT），幫助政府組織和領(lǐng)導(dǎo)各大公司與國家企事業(yè)部門的傳感器技術(shù)開發(fā)工作。 美國國家長期安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要的22項(xiàng)技術(shù)中有6項(xiàng)與傳感器信息處理技術(shù)直接相關(guān)。關(guān)于保護(hù)美國武器系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)勢至關(guān)重要的對項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之中，8項(xiàng)就為無源傳感器。美國空軍2000年舉出15項(xiàng)有助于提高21世紀(jì)空軍能力關(guān)鍵技術(shù)，傳感器技術(shù)名列第二。

美國發(fā)展模式走的先軍工后民用、先提高后普及的路子。有顯著特點(diǎn)：

（一）非常重視傳感器功能材料研究；

（二）對傳感器技術(shù)開發(fā)十分重視： 例如美國霍尼威爾公司的固態(tài)傳感器發(fā)展中心每年用于設(shè)備投資就有5000萬美元,目前擁有包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、單晶生長、加工、圖形發(fā)生器,對步重復(fù)照像、自動(dòng)涂膠和光刻、等離子刻蝕、濺射、擴(kuò)散、外延、蒸鍍、離子注入化學(xué)氣相沉積、掃描電鏡、封裝和屏蔽動(dòng)態(tài)測試等最先進(jìn)的成套設(shè)備和生產(chǎn)線,而且是大約每三年左右就要更新其中大部分儀器設(shè)備,聲稱只有這樣,才能保證其技術(shù)領(lǐng)先水平。

（三）重視工藝研究：傳感器原理不難,也不保密,而最保密的是工藝。有不少評價(jià)“傳感器”不是一般的工業(yè)產(chǎn)品,而是一種完美的工藝品之佳作。研發(fā)方面，美國約有1,300家生產(chǎn)和開發(fā)傳感器的廠家，100多個(gè)研究院所和院校。

德國

德國視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術(shù)，德國傳感器充分發(fā)揮了老牌工業(yè)強(qiáng)國的固有優(yōu)勢，再經(jīng)德國制造商依托自有品牌聲譽(yù)和技術(shù)研發(fā)、質(zhì)量管理方面的優(yōu)勢進(jìn)行整合，其產(chǎn)品的市場競爭力必然獲得顯著提升。

一方面更加注意原材料成本的節(jié)約；重人力資本的投入，以便使產(chǎn)品保持技術(shù)上的領(lǐng)先，進(jìn)而保持較高的市場占有率！

日本

日本則把傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之首。日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時(shí)代”。日本對開發(fā)和利用傳感器技術(shù)相當(dāng)重視并列為國家重點(diǎn)發(fā)展6大核心技術(shù)之一。

日本科學(xué)技術(shù)廳制定的90年代重點(diǎn)科研項(xiàng)目中有70個(gè)重點(diǎn)課題，其中有18項(xiàng)是與傳感器技術(shù)密切相關(guān)。

日本側(cè)重實(shí)用化和商品化,先普及后提高,由引進(jìn)、消化、仿制到自行改進(jìn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的路子。前者花錢多,后者花錢少,更快些。研發(fā)方面，日本約有800家生產(chǎn)和開發(fā)傳感器的廠家。

中國

我國早在20世紀(jì)60年代就開始涉足傳感器制造業(yè)。我國在1972年組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位;1974年，研制成功中國第一個(gè)實(shí)用壓阻式壓力傳感器;1978年，誕生中國第一個(gè)固態(tài)壓阻加速度傳感器;1982年，國內(nèi)最早開始硅微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)和SOI(絕緣體上硅)技術(shù)的研究。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，硅微機(jī)械加工技術(shù)的絕對壓力傳感器、微壓傳感器、呼吸機(jī)壓傳感器、多晶硅壓力傳感器、低成本TO-8封裝壓力傳感器等相繼問世并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。改革開放30年來，我國傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長足進(jìn)步，主要表現(xiàn)在：建立了傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微米/納米國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家傳感技術(shù)工程中心等研究開發(fā)基地;MEMS、MOEMS(微光機(jī)電系統(tǒng))等研究項(xiàng)目列入了國家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn);在“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中，傳感器技術(shù)研究取得了51個(gè)品種86個(gè)規(guī)格新產(chǎn)品的成績，初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)。

目前，中國傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段，它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的總趨勢。

傳感器技術(shù)歷經(jīng)了多年的發(fā)展，其技術(shù)的發(fā)展大體可分三代：

第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。

第二代是上70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成。如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。

第三代傳感器是以后剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器，是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能。

國內(nèi)傳感器行業(yè)現(xiàn)狀

國內(nèi)傳感器一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面，則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。由于沒有形成足夠的規(guī)?；瘧?yīng)用，導(dǎo)致國內(nèi)的傳感器不僅技術(shù)低，而且價(jià)格高，在市場上很難有競爭力。

中國大致從1980年以后開始重視傳感器技術(shù)的研究。經(jīng)過多年的努力，在傳感器研究方面的發(fā)展水平還算是比較好的。但是，在產(chǎn)品化方面的技術(shù)進(jìn)步還不是很理想，很多傳感器技術(shù)，其實(shí)國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室研究水平并不是很差，可惜未能充分利用，沒有轉(zhuǎn)化為進(jìn)入市場的成熟產(chǎn)品。

傳感器技術(shù)的研究需要比較長時(shí)間的投入，一款傳感器的研發(fā)，要6年-8年才能成熟，一般中國企業(yè)都承受不了這么長的周期。中國企業(yè)更難以承受失敗，而傳感器的研究失敗的風(fēng)險(xiǎn)很高。

日本企業(yè)支持的研發(fā)中，很多形不成產(chǎn)品，但是企業(yè)能夠承受，10項(xiàng)中只要2項(xiàng)-3項(xiàng)能夠變成產(chǎn)品就行。相比之下，我們很多企業(yè)都是準(zhǔn)備去拿別人現(xiàn)有的東西。這種思路是有問題的，包括我們總是希望引進(jìn)國外現(xiàn)成的、有自己項(xiàng)目的人才。都不準(zhǔn)備養(yǎng)魚，而是撈一條魚來。

相比于比較大型的儀器設(shè)備，傳感器在產(chǎn)品化過程中需要的投資一般不是很大，所以比較適合小型企業(yè)投資。在這方面，中國應(yīng)該是有優(yōu)勢的。然而，如果從另外一個(gè)方面考慮，這也是一個(gè)短處。

傳感器行業(yè)的一個(gè)特點(diǎn)是，傳感器本身技術(shù)含量高，但單只傳感器的價(jià)格一般不高。此特點(diǎn)導(dǎo)致的一個(gè)結(jié)果是，盡管傳感器的技術(shù)附加值高，但單純依賴傳感器很難形成可觀的產(chǎn)值。

一般來說，傳感器有點(diǎn)像中藥里的“藥引”，本身功能很重要，但真正形成規(guī)模還需要依賴整服藥劑才行。國外很多傳感器公司一旦在某種傳感器上有突破，很快會有相關(guān)的測量儀器開發(fā)出來。

另外，在中國的專利保護(hù)機(jī)制下，傳感器中辛辛苦苦研發(fā)出來的關(guān)鍵技術(shù)，往往呈現(xiàn)一種“訣竅”性質(zhì)，被抄襲后，很難說清楚，企業(yè)也打不起官司。國內(nèi)雖然也有MEMS傳感器企業(yè)，但都是委托加工，搞不好就被加工企業(yè)自己拿去做了，目前的企業(yè)創(chuàng)新體系有很大的問題。

中國傳感器發(fā)展與國外差距

國內(nèi)傳感器廠商占據(jù)中低端市場從發(fā)展態(tài)勢看，國內(nèi)傳感器廠商有三種情況：

一、民營或合資企業(yè)的產(chǎn)品占據(jù)了中低端市場，傳統(tǒng)技術(shù)和裝備手段可以滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的制造要求，市場發(fā)展?fàn)顟B(tài)良好。除個(gè)別廠家在個(gè)別品種方面將國外生產(chǎn)的芯片拿到國內(nèi)封裝出相關(guān)產(chǎn)品、占據(jù)市場較大份額外，其他高端產(chǎn)品均是國外廠商在壟斷。

二、隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的興起，傳感器產(chǎn)業(yè)成為世界各國在高新技術(shù)發(fā)展中爭奪的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來我國傳感器產(chǎn)業(yè)快速增長，應(yīng)用模式也日漸成熟。但由于產(chǎn)業(yè)檔次偏低、技術(shù)創(chuàng)新能力較差，國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)低端過剩、中高端被國外壟斷的市場格局。傳感器技術(shù)發(fā)展滯后已掣肘國內(nèi)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的順利推進(jìn)。

目前從材料、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)我國已形成較為完整的傳感器產(chǎn)業(yè)鏈。在網(wǎng)絡(luò)接口、傳感器與網(wǎng)絡(luò)通信融合、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)等方面取得較大進(jìn)展。但產(chǎn)業(yè)檔次偏低、企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)創(chuàng)新能力差，很多企業(yè)只是引進(jìn)國外元件進(jìn)行加工，同質(zhì)化嚴(yán)重。而生產(chǎn)裝備落后、工藝不穩(wěn)定等造成產(chǎn)品指標(biāo)分散、穩(wěn)定性差。模仿產(chǎn)品在敏捷度方面也不盡如人意。在相對研發(fā)突出的領(lǐng)域，卻忽略了工業(yè)化基礎(chǔ)性開發(fā)，商品化開發(fā)嚴(yán)重滯后。

目前我國傳感器產(chǎn)品約6000種左右，而國外已達(dá)20000多個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)市場需求。中高端傳感器進(jìn)口占比達(dá)80%，傳感器芯片進(jìn)口更是達(dá)90%，國產(chǎn)化缺口巨大。其中數(shù)字化、智能化、微型化等高新技術(shù)產(chǎn)品嚴(yán)重短缺。國家重大裝備所需高端產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。而涉及國家安全和重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表，國外對我國往往采取限制。外資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)國內(nèi)高端市場絕大多數(shù)的市場份額，并將會在今后很長一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)把持高端市場，這種勢頭在短期內(nèi)不會得到根本轉(zhuǎn)變。

三、國有企業(yè)發(fā)展處于平穩(wěn)增長狀態(tài)，總體上跟不上國外最新技術(shù)發(fā)展的步伐，除少數(shù)廠家外，總體差距有擴(kuò)大的趨勢。這是因?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)發(fā)展快，工藝和制造設(shè)備更新快，許多新設(shè)備國內(nèi)廠商無法制造等原因造成的。并且設(shè)備的單臺價(jià)格少則幾十萬美元，多則數(shù)百萬美元，絕大多數(shù)廠家靠自身積累很難購買新型設(shè)備，致使在許多新技術(shù)、新工藝方面無法跟上國外企業(yè)飛速發(fā)展的步伐。

我國傳感器發(fā)展差距的主要原因

一、核心制造技術(shù)嚴(yán)重滯后于國外，國內(nèi)產(chǎn)品差強(qiáng)人意。

國外傳感器的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn)，傳感器數(shù)字化、智能化、微型化已成趨勢，大多數(shù)產(chǎn)品已變成現(xiàn)實(shí)，且在不斷完善、不斷升級，而我國的傳感器雖然所涉足的研究開發(fā)領(lǐng)城基本與國外相差無幾，但由于在某些核心制造工藝技術(shù)上還嚴(yán)重滯后于國外，所以在深度和廣度上差異較大，主要表現(xiàn)為：

1、產(chǎn)品品種不全、規(guī)格少，新品欠缺。

我國目前傳感器產(chǎn)品品種數(shù)為3000個(gè)左右，而國外已達(dá)20000多個(gè)，產(chǎn)品品種滿足率僅在60%-70%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)傳感器市場需求。從行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，老產(chǎn)品比例占60%以上，新產(chǎn)品不足吟，高新技術(shù)類產(chǎn)品更少，數(shù)字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴(yán)重欠缺從總體看，品種不配套、系列不全、低檔產(chǎn)品多、高檔產(chǎn)品少、缺乏市場竟?fàn)幜Α?/p>

2、科技創(chuàng)新差，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少。

企業(yè)自主開發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新能力差。由于多種因素影響，國內(nèi)企業(yè)仍以手工方式生產(chǎn)技術(shù)含量低或國外已停產(chǎn)的產(chǎn)品。很多新公司就是國外產(chǎn)品的推銷商和代理商，在多數(shù)院校和研究院所中，對高技術(shù)的跟蹤和對高技術(shù)附加值產(chǎn)品的研發(fā)能力還是可以的，但其成果以樣品居多，距產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)，自主開發(fā)和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的科研成果不多。

二、工藝裝備落后，產(chǎn)品質(zhì)量差。

經(jīng)過多年開發(fā)，雖然研制出一批工藝和產(chǎn)品，但由于批產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性、可靠性問題沒有得到根本解決，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有些高性能產(chǎn)品，不是靠工藝保證，而是靠篩選分檔。從技術(shù)角度看，由于國內(nèi)傳感器生產(chǎn)工藝與工藝設(shè)備相對落后，微機(jī)械加工技術(shù)和封裝技術(shù)不夠先進(jìn)，手工操作比較多，檢測手段不規(guī)范等等，造成主要性能指標(biāo)和國外差1-2個(gè)數(shù)量級，使用壽命差2-3級。因此，在化工、電站、冶金、石油、環(huán)保、機(jī)械等領(lǐng)城重大工程中，許多高性能傳感器仍依賴于進(jìn)口。

三、人才資源匱乏，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不足。

傳感器及其產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)之一是技術(shù)密集，由于技術(shù)密集，也自然要求人才密集。從目前國內(nèi)的情況看，能夠適應(yīng)當(dāng)今傳感器技術(shù)發(fā)展需求的具有高水平的科研隊(duì)伍及中青年科技專家、技術(shù)管干、學(xué)術(shù)帶頭人相對缺乏，使行業(yè)技術(shù)更新?lián)Q代步伐慢，產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足。

四、統(tǒng)籌規(guī)劃不足，投資力度不夠。

目前存在的問題是重復(fù)分散、統(tǒng)籌規(guī)劃不足，科研投資強(qiáng)度偏低，科研設(shè)備落后，科研和生產(chǎn)脫節(jié)，影響了科研成果的轉(zhuǎn)化，使我國傳感器產(chǎn)品綜合實(shí)力較低。其次是由于政府重視不夠,在信息技術(shù)發(fā)展的過程中,對傳感器技術(shù)重要性的認(rèn)識滯后于計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù),發(fā)展需求的資源投入規(guī)模和強(qiáng)度太小,使傳感器技術(shù)的發(fā)展速度緩慢,牽制了信息技術(shù)的飛速發(fā)展。

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審核編輯 黃宇