國內外傳感器發(fā)展歷程與現(xiàn)狀及我國傳感器應如何發(fā)展

傳感器與通信、計算機被稱為現(xiàn)代信息技術的三大支柱和物聯(lián)網(wǎng)基礎，其應用涉及國民經(jīng)濟及國防科研的各個領域，是國民經(jīng)濟基礎性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。當前倍受國際關注的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術，乃至智慧城市中的各種技術實現(xiàn)，對于傳感器技術的需求也是巨大。

國內外發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

20世紀70年代初，西方發(fā)達國家大力發(fā)展計算機與通訊技術，忽視了傳感器技術發(fā)展，造成了“大腦”發(fā)達，而“五官”遲鈍的窘境，傳感器產(chǎn)業(yè)相對慘淡。80年代初，美、日、德、法、英等國家相繼確立加速傳感器技術發(fā)展的方針，視為涉及科技進步、經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的關鍵技術，紛紛列入長遠發(fā)展規(guī)劃和重點計劃之中。并采取嚴格的保密規(guī)定對技術封鎖和控制，禁止技術出口，尤其是針對中國。

日本1979年在《對今后十年值得注意的技術》中將傳感器列為首位；美國國防部1985年公布的二十項軍事關鍵技術中，被列為第十四項；《星球大戰(zhàn)》計劃、歐洲《尤里卡》計劃、前蘇聯(lián)《軍事航天》計劃，英、法、德等國家高技術領域發(fā)展規(guī)劃中均將傳感器列為重點發(fā)展技術，并將其科研成果和制造工藝與裝備列入國家核心技術。

美國認為，計算機技術是核心，敏感技術、光電子技術是關鍵和重點，新材料、微電子技術是支撐和基礎。通信與計算機結合，以及多元化、新技術的融合代表著美國信息技術發(fā)展方向。福布斯認為，當前，甚至今后幾十年內，影響和改變著世界經(jīng)濟格局和人們生活方式的10大科技產(chǎn)品，傳感器列為10大科技產(chǎn)品之首。美國國家科學發(fā)展基金會認為，本世紀的重大變革就是：通過網(wǎng)絡，把物質世界聯(lián)接起來，并賦予它一個電子神經(jīng)系統(tǒng)，使它具有能夠感知信息的生命，而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。每年度財政預算約有69億美元，用于傳感器基礎技術與應用研究，稱其為“Sensor Revolution”（即：傳感器革命）。

目前國際上缺乏制定國際標準的準則與規(guī)范，尚未制定出權威性的傳感器標準類型。只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。

例如，物理傳感器有：聲、力、光、磁、溫、濕、電、射線等等；化學傳感器有：各種氣敏、酸堿PH值、離子化、極化、化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象等等；生物傳感器有：酶電極和介體生物電等等。在產(chǎn)品用途和形成過程中的因果關系互相咬合，既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類，難以嚴格劃分。

常用傳感器分類和命名方式，主要有以下幾種類型：

（1）按轉換原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。

（2）按傳感器的檢測信息來分可分為聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。

（3）按照供電方式可分為有源或無源傳感器。

（4）按其輸出信號可分為模擬量輸出、數(shù)字數(shù)字量輸出和開關量傳感器。

（5）按傳感器使用的材料可分為：半導體材料；晶體材料；陶瓷材料；有機復合材料；金屬材料；高分子材料；超導材料；光纖材料；納米材料等傳感器。

（6）按能量轉換可分為能量轉換型傳感器和能量控制型傳感器。

（7）按照其制造工藝，可分為機械加工工藝；復合與集成工藝；薄膜、厚膜工藝；陶瓷燒結工藝；MEMS工藝；電化學工藝等傳感器。

全球產(chǎn)品化的傳感器種類約有2.6萬余種，我國已經(jīng)擁有約1.4萬多種，大多為常規(guī)類型和品種；7000多種可產(chǎn)品化，而在醫(yī)療、科研、微生物、化學分析等特殊品種上仍有短缺和空白，存在著較大的技術創(chuàng)新空間。

共性基礎工藝與三大技術創(chuàng)新趨勢

眾所周知，由于敏感機理、敏感材料不同，加之工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、使用場景，以及被檢測介質與個性化參數(shù)、結構等復雜性要求等特點，長期以來傳感器一直處于多品種小批量生產(chǎn)狀態(tài)，結合工藝技術的分散性、復雜性影響和設備裝置價格昂貴等因素制約，業(yè)界稱其生產(chǎn)過程為制造“工業(yè)工藝品”。各國工程技術人員圍繞著工藝技術協(xié)同、融合，在產(chǎn)品規(guī)范化、性能歸一化、功能集成化、結構標準化，以及工藝設備和工裝夾具的產(chǎn)業(yè)化方面展開了長期的技術開發(fā)與創(chuàng)新，形成了一大批不同特色和特點的技術成果。

在美國硅谷傳感器領域，圍繞著以MEMS工藝技術為基礎，根據(jù)不同行業(yè)和功能的需求，展開的不同封裝結構的各種傳感器產(chǎn)品創(chuàng)新，已經(jīng)持續(xù)了近25年，形成的千奇百怪、五花八門的各種類型傳感器產(chǎn)品，應用領域不斷擴展，得到了各行業(yè)的廣泛認同與接受。

正如硅谷MEMS工藝技術創(chuàng)始人丹尼斯先生所說：“20多年來，硅谷傳感器產(chǎn)品一直都是圍繞著以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業(yè)領域的市場應用需求，開展不同結構形式的封裝的產(chǎn)品競爭與創(chuàng)新”。因此，MEMS工藝技術是各種類型傳感器的共性基礎工藝技術，被業(yè)界稱之為傳感器創(chuàng)新源泉。2011年，美國行業(yè)認為MEMS工藝已經(jīng)成熟，可以廣泛推廣應用，確立并形成了傳感器產(chǎn)業(yè)圍繞MEMS工藝技術和應用兩大方向創(chuàng)新與突破：

一是敏感機理創(chuàng)新與工藝突破。提高了MEMS工藝技術在材料與工藝結構等基礎理論與應用水平，比如在晶體與非晶體、各種半導體材料應用；在硅-硅鍵合工藝、硅薄膜工藝、金屬薄膜工藝等多個領域的工藝技術創(chuàng)新，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的微型化、低成本、復合型、集成度等產(chǎn)業(yè)化基礎水平。

二是智能化水平提高和應用創(chuàng)新。在多功能集成化、模塊化構架、嵌入式能力、網(wǎng)絡化接口等形成了創(chuàng)新與突破。極大地改善了產(chǎn)用難以對接的矛盾，搭建了生產(chǎn)制造與市場應用橋梁與技術通道，突破了行業(yè)在生產(chǎn)和應用長期形成的技術壁壘和發(fā)展瓶頸。同時也提高了各行業(yè)的產(chǎn)品自主選擇和應用設計能力，大大刺激了應用需求，拓展了市場空間。

從美國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，呈現(xiàn)幾個特點：一是在共性基礎技術上下功夫，并注重新技術、新工藝創(chuàng)新應用，不斷提升品質。二是強調傳感器網(wǎng)絡化、智能化節(jié)點技術、能量捕捉技術及協(xié)同創(chuàng)新。三是核心技術都有政府管控、扶持、資助與推動的影子。四是重點推廣應用領域的引領與帶動作明顯。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）、移動醫(yī)療、智能家居等。

產(chǎn)業(yè)化生態(tài)體系與環(huán)境建設

借助共性基礎技術和工藝，建立生產(chǎn)可柔性化、工藝規(guī)范化、產(chǎn)品標準化的生產(chǎn)體系，尋找產(chǎn)品的配套市場，徹底改變技術和市場的孤島化、碎片化問題是傳感器產(chǎn)業(yè)化的關鍵之處。根據(jù)MEMS工藝技術和產(chǎn)品市場應用特點，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)化技術特點和市場規(guī)?；枨?，可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

另外，以硅麥克風為代表的聲敏傳感器已經(jīng)在國內外形成了十大主流特色品牌產(chǎn)品和商家（其中有瑞聲、歌爾國內兩家企業(yè)），實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)；溫、濕度傳感器美國、德國、瑞士、日本、中國等國家都有規(guī)模化生產(chǎn)能力，在未來發(fā)展中溫濕度將復合在其他物理量傳感器之中，比如，力敏、磁敏可同時檢測溫濕度參數(shù)；頻率含RF射頻、毫米波等共性工藝技術接近、而參數(shù)、功能、應用差異較大的產(chǎn)品，可在同一廠家實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。特別是在手機、智能交通、生物感知等應用領域具有爆發(fā)式增長，具有較大的誘惑力。射頻器件95%仍是歐美廠商主導，甚至沒有一家亞洲廠商進入。為了打破行業(yè)壟斷現(xiàn)象，這將成為未來技術創(chuàng)新與競爭的焦點。

與國外相比，我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢主要是認識上的差距所致！對傳感器帶有偏見和片面的認識，缺乏國家戰(zhàn)略認識高度。由于傳感器分屬不同行業(yè)和部門，存在多頭管理，在發(fā)展上難于取得共識，管理亂象，政策支持缺乏力度導致產(chǎn)業(yè)分散，產(chǎn)品不能成為系列化；1200多家企業(yè)中95%以上屬于小微企業(yè)，一方面缺乏足夠的人力、物力、工藝技術條件等資源配置，產(chǎn)業(yè)化基礎薄弱；另一方面市場準入門檻過高，缺乏相應的應用開發(fā)和技術創(chuàng)新能力，產(chǎn)品整體技術水平和參數(shù)性能指標，特別是可靠性、穩(wěn)定性指標與國外同類產(chǎn)品相比要低1～2個數(shù)量級，無法滿足市場對企業(yè)資質和配套能力的要求。第三是缺乏龍頭企業(yè)引領和行業(yè)帶動，缺乏國際化品牌、市場影響力、競爭優(yōu)勢和基礎研究能力，導致行業(yè)內專業(yè)化企業(yè)數(shù)不足3%；核心芯片大都依賴進口，中高檔產(chǎn)品幾乎100％進口。整體工藝技術水平落后國外先進國家10～15年。

針對國內外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對比和行業(yè)特點及存在問題，結合傳感器技術工藝特征，業(yè)內期待在經(jīng)濟、技術優(yōu)勢和發(fā)達地區(qū)，聚集國內外數(shù)十家以上的傳感器專業(yè)性公司和科研院所，組成具有產(chǎn)品技術工藝特色和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模優(yōu)勢，以及國際市場影響力的產(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，并以年增長大于20%速度增長的國際化傳感器特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)。形成以敏感元器件為核心，智能化、網(wǎng)絡化、模塊化等集成應用為創(chuàng)新主體，物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市為應用目標的產(chǎn)業(yè)鏈構架（產(chǎn)業(yè)生態(tài)），同時具備政、產(chǎn)、學、研、用、服六維一體生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化集群式發(fā)展，形成我國傳感器“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)勢突出的國際傳感器產(chǎn)業(yè)園——即“傳感谷”。