智能感知時代 智能傳感器扮演越來越重要的角色

在萬物互聯(lián)時代，我國建成了全球最大的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，形成了最為活躍的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場。但與此同時，我國在物聯(lián)網(wǎng)傳感器方面有待突破?！澳壳拔覀冏钊狈Φ氖歉兄芰Α！?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)和信息化部原副部長、北京大學(xué)教授楊學(xué)山在2018中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會上曾表示，中國的物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷了七年多發(fā)展，無論是在技術(shù)還是應(yīng)用領(lǐng)域，都取得了巨大的進步，但總體來看還存在不足。

在物聯(lián)網(wǎng)各項基礎(chǔ)技術(shù)中，感知技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的根底和核心，同時也是制約我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大瓶頸。

物聯(lián)網(wǎng)需要智能傳感器

“IC與MEMS的集成與融合，是傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路，特別是高檔傳感器、智能傳感器?！敝袊?a target="_blank">儀器儀表行業(yè)協(xié)會傳感器分會名譽理事長、沈陽儀表科學(xué)院原院長徐開先在接受《通信產(chǎn)業(yè)報》采訪中表示。

在全球信息技術(shù)跨界融合加速，萬物互聯(lián)的時代，智能傳感器作為與外界環(huán)境交互的重要手段和感知信息的主要來源，被視為決定未來信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心與基礎(chǔ)之一。

傳感器技術(shù)歷經(jīng)了多年的發(fā)展，大體可分為三代：第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號;第二代是20世紀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;第三代傳感器是智能型傳感器。

智能傳感器具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲功能的多元件集成電路，是集傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅(qū)動程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級產(chǎn)品。

智能感知時代，智能傳感器扮演越來越重要的角色，2016年全球智能傳感器市場規(guī)模達到258億美元，而中國智能傳感器產(chǎn)值約14億美元。

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能應(yīng)用的興起，推動傳感技術(shù)由單點突破向系統(tǒng)化、體系化的協(xié)同創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，大平臺、大生態(tài)主導(dǎo)核心技術(shù)走向態(tài)勢明顯，并成為發(fā)達國家和跨國企業(yè)布局的戰(zhàn)略高地。

2017年，工信部發(fā)布了《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南(2017-2019年)》，提出了要在智能終端、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等工業(yè)領(lǐng)域有所發(fā)展。據(jù)有關(guān)專家預(yù)計2019年中國的智能傳感器產(chǎn)值將達到35億美元，國產(chǎn)智能傳感器所占比重將達到25%以上，比之前比重提高一倍。

目前智能傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域主要有消費電子、汽車電子、工業(yè)電子和醫(yī)療電子四大領(lǐng)域。

在政策和市場驅(qū)動下，我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)生態(tài)趨于完備。設(shè)計、制造、封測等重點環(huán)節(jié)均有骨干企業(yè)布局。國內(nèi)智能傳感器技術(shù)研發(fā)已經(jīng)初步開展，同時一些科研機構(gòu)已建立起智能傳感器中試服務(wù)平臺，助推我國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。與此同時，核心技術(shù)缺失、產(chǎn)品有效供給不足、技術(shù)創(chuàng)新能力不強、科研生產(chǎn)與應(yīng)用不協(xié)同等問題仍然有待突破。

短板：高精度傳感器

但由于起步較晚，我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)目前仍面臨產(chǎn)品有效供給不足、技術(shù)創(chuàng)新能力不強、科研生產(chǎn)與應(yīng)用不協(xié)同等問題，由此帶來的產(chǎn)業(yè)安全、信息安全挑戰(zhàn)不容忽視。

長期以來，在傳感器的關(guān)鍵行業(yè)，關(guān)鍵技術(shù)，高附加值應(yīng)用上，國際品牌還處于壟斷地位。“由于傳感器門類眾多，技術(shù)門檻不一，我國在常規(guī)的傳感器方面有所布局，但高精度的傳感器是短板?！焙幽蠋煼洞髮W(xué)從事物聯(lián)網(wǎng)研究的教授袁培燕向《通信產(chǎn)業(yè)報》(網(wǎng))記者表示。

高檔傳感器產(chǎn)品幾乎100%從國外進口，90%芯片從國外進口許多產(chǎn)品是“有品無芯”。工業(yè)自動化用高檔變送器用傳感器，如EJA儀表中核心部件傳感器，年銷售35萬臺左右，全部由國外或國外在國內(nèi)的獨資企業(yè)生產(chǎn)。

汽車傳感器幾乎被國外壟斷，某些特種用途和特殊量程的傳感器，如航天、航空、航海專用傳感器，國內(nèi)基本不能生產(chǎn)。高端智能裝備領(lǐng)域光纖傳感器技術(shù)及產(chǎn)品與國外相比尚有較大差距。

在氣體傳感器領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)的氣體傳感器技術(shù)整體研發(fā)水平大幅落后于發(fā)達國家，國內(nèi)對氣體傳感器的研究主要體現(xiàn)在低端的半導(dǎo)體傳感器和催化燃燒傳感器方面。在高端的紅外及電化學(xué)傳感器的研究較少，沒有成熟的應(yīng)用技術(shù)，高端紅外及電化學(xué)高端氣體傳感器及檢測儀器儀表依賴進口。即使在低端的半導(dǎo)體和催化燃燒氣體傳感器方面，在產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和工藝方面相對于國外先進技術(shù)仍有較大差距。

溫度傳感器方面，對NTC熱敏電阻器，國內(nèi)企業(yè)實力嚴重不足，90%的市場份額被外資占領(lǐng)。極高溫、耐輻射、耐高壓的溫度傳感器尚不能批產(chǎn)。環(huán)境監(jiān)測傳感器領(lǐng)域空白多，產(chǎn)品少，細顆粒物沒有能力監(jiān)測。

脖子卡在哪?

談及我國傳感器落后的原因，多位專家均表示：技術(shù)、工藝以及材料等多種因素使然。創(chuàng)新能力弱;關(guān)鍵技術(shù)尚未突破;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，品種少、系列不全;企業(yè)能力弱。

“傳感器涉及到研發(fā)、設(shè)計以及生產(chǎn)等環(huán)節(jié)。”博立信科技總裁吳云橋向《通信產(chǎn)業(yè)報》表示，“我國在材料、制程以及工藝等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域缺乏積累，所以這是一個長期的過程。”

首先，關(guān)鍵技術(shù)尚未突破是主要制約因素。徐開先表示，目前我國傳感器共性關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。在設(shè)計技術(shù)方面，傳感器的設(shè)計技術(shù)涉及多種學(xué)科、多種理論、多種材料、多種工藝及現(xiàn)場使用條件;設(shè)計軟件價格昂貴、設(shè)計過程復(fù)雜、考慮因子眾多;設(shè)計人才匱乏，設(shè)計人員不僅需了解通用設(shè)計程序和方法，還需熟悉器件制備工藝，了解器件現(xiàn)場使用條件?？梢哉f國內(nèi)尚無一套有自主知識產(chǎn)權(quán)的，真正好用的傳感器設(shè)計軟件。

在可靠性技術(shù)方面，國產(chǎn)傳感器可靠性不高是影響國產(chǎn)傳感器大量應(yīng)用的主要原因之一，據(jù)了解電力部門采用國外傳感器產(chǎn)品三年不需檢修，采用國內(nèi)產(chǎn)品每季度檢修一次，石化部門，重要生產(chǎn)線幾乎全部采用國外傳感器，而不敢使用國內(nèi)產(chǎn)品。通常國產(chǎn)傳感器可靠性指標比國外同類產(chǎn)品低1～2個數(shù)量級。

在封裝技術(shù)方面，傳感器的封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料，影響傳感器的遲滯、時間常數(shù)、靈敏限，使用壽命等性能。從制造成本看，傳感器的封裝成本通常為總成本的30%～70%。國內(nèi)對傳感器的封裝技術(shù)尚未形成系列、標準，也無統(tǒng)一接口，因而傳感器的外型千差萬別，很不利于用戶選用和產(chǎn)品互換。

其次，產(chǎn)業(yè)化能力不足也是制約因素。目前國內(nèi)高精度、高可靠傳感器研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化能力嚴重滯后于需求，技術(shù)水平相比國外還有較大差距，產(chǎn)品一致性、可靠性水平比國外低1～2個數(shù)量級，產(chǎn)品的品種和系列大約是國外的30%～40%，產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化程度不足15%。導(dǎo)致高精度、高可靠傳感器嚴重依賴進口，從而被這些發(fā)達國家壟斷，例如GE公司、Honeywell公司、英飛凌公司、西門子公司、ABB公司、歐姆龍公司、基恩士公司等等。

國內(nèi)傳感器產(chǎn)品不配套、不成系列。徐開先表示，系列中比較易生產(chǎn)的某些規(guī)格尚能生產(chǎn)，且重復(fù)生產(chǎn)，惡性競爭，系列兩端的產(chǎn)品往往不能生產(chǎn)，多需國外進口，如工業(yè)自動化儀表中廣為應(yīng)用的、高精度、高穩(wěn)定的低微差壓傳感器(量程≤1KPa)，高差壓、高靜壓傳感器(量程≥3MPa、靜壓≥60MPa)。

第三，資源分散，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小。目前國內(nèi)傳感器產(chǎn)品處于發(fā)展階段，傳感器品種也不多，企業(yè)分散，制造水平低，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小。目前我國傳感器企業(yè)有1600余家，大都為小、微企業(yè)，盈利能力不強，缺乏引領(lǐng)技術(shù)的龍頭企業(yè)。

產(chǎn)業(yè)分散體現(xiàn)在資金分散、技術(shù)分散、企業(yè)布局分散，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分散、市場分散等方面;管理方面存在政府部門管理歸口不統(tǒng)一、難于協(xié)調(diào)、多頭管理現(xiàn)象;政策支持方面也存在政策支持的集中度不高，缺乏專項計劃集中扶持，即使支持也過于分散，缺乏力度，缺乏持續(xù)性。

第四，傳感器高端人才匱乏是影響傳感器發(fā)展的最大瓶頸。徐開先表示，由于傳感器行業(yè)經(jīng)濟基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，加之傳感器產(chǎn)業(yè)涉及學(xué)科多，要求知識面廣，新技術(shù)層出不窮，長期以來很難吸引國際頂級人才投身到傳感器行業(yè)工作;加之國內(nèi)由于學(xué)科設(shè)置不合理，缺少復(fù)合型人才培養(yǎng)機制，往往搞設(shè)計的不懂工藝、搞工藝的不明應(yīng)用、會應(yīng)用的不曉設(shè)計。造成很多企業(yè)缺乏既懂管埋、又懂技術(shù)、還會經(jīng)營的復(fù)合型人才，以及工藝人才和技能人才。

從技術(shù)與應(yīng)用突圍

“我們的突破口在于應(yīng)用?！眳窃茦虮硎?，中國巨大的應(yīng)用市場給傳感器發(fā)展帶來發(fā)展動力。他表示，家庭智能終端的普及和機器人應(yīng)用家庭化，帶來細分產(chǎn)業(yè)傳感器應(yīng)用的新突破。

但應(yīng)用的突破也需要技術(shù)與工藝的支撐。

“國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)，大部分都在搞傳感器應(yīng)用，特別是在物聯(lián)網(wǎng)，智能裝備方面的應(yīng)用，而不愿涉及傳感器芯片的開發(fā)和研究，”徐開先表示，“因芯片研發(fā)投資極大，成本高，工藝裝備昂貴，資金回收周期長，且技術(shù)難度風險大，必須靠國家投資和資助，靠企業(yè)是難以為繼的?！?/p>

徐開先強調(diào)，如果不在傳感器芯片上投入和下功夫，那可能重蹈“IC芯片”之轍。如果傳感器芯片性能優(yōu)良，產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性高，其應(yīng)用不愁沒有市場?！凹訌奍C與MEMS技術(shù)的集成與融合”徐開先建議，“IC與MEMS的集成與融合，是傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路?！?/p>

“傳感器芯片是比較復(fù)雜的一個產(chǎn)業(yè)，涉及到研發(fā)、設(shè)計以及生產(chǎn)等環(huán)節(jié)?！敝袊苿颖本┘呻娐穭?chuàng)新中心總經(jīng)理肖青向《通信產(chǎn)業(yè)報》(網(wǎng))記者表示，“我國在材料、制程以及工藝等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域缺乏積累，所以這是一個長期的過程?！?/p>

以MEMS為例，它用微加工技術(shù)將各種產(chǎn)品整合到基于硅的微電子芯片上，MEMS工藝與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機械拋光工藝等，但有些復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)難以用IC工藝實現(xiàn)，必須采用微加工技術(shù)制造。包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。除此之外，MEMS制造還廣泛地使用多種特殊加工方法，包括鍵合、LIGA、電鍍、軟光刻、微模鑄、微立體光刻與微電火花加工等。

同通用芯片一樣，傳感芯片的生產(chǎn)制作過程尤為復(fù)雜。而且，在芯片生產(chǎn)加工中需要的材料中國產(chǎn)材料的使用率不足15%，高端制程和先進封裝領(lǐng)域，半導(dǎo)體材料的國產(chǎn)化率更低，且部分產(chǎn)品面臨嚴重的專利技術(shù)封鎖。但如果我國不能掌握MEMS傳感器的制造技術(shù)并主導(dǎo)其生產(chǎn)，無疑將阻礙傳感器產(chǎn)業(yè)前進的步伐。

業(yè)內(nèi)人士建議可重點放在非硅基的新材料、新機理、新工藝傳感器的研究。重點發(fā)展應(yīng)用市場廣、具備一定產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、易于快速產(chǎn)業(yè)化的智能傳感器及其核心元器件，運動感測組合傳感器中的加速度計、陀螺儀，環(huán)境感測組合傳感器中的壓力傳感器等。