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，其應用涉及國民經濟及國防科研的各個領域，是國民經濟基礎性、戰(zhàn)略性產業(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濟格局和人們生活方式的10大科技產品，傳感器列為10大科技產品之首。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。

全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種，我國已經擁有約1.4萬多種，大多為常規(guī)類型和品種；7000多種可產品化，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品創(chuàng)新，已經持續(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工藝已經成熟，可以廣泛推廣應用，確立并形成了傳感器產業(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，大大提高了產品生產的微型化、低成本、復合型、集成度等產業(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。極大地改善了產用難以對接的矛盾，搭建了生產制造與市場應用橋梁與技術通道，突破了行業(yè)在生產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，建立生產可柔性化、工藝規(guī)范化、產品標準化的生產體系，尋找產品的配套市場，徹底改變技術和市場的孤島化、碎片化問題是傳感器產業(yè)化的關鍵之處。根據(jù)MEMS工藝技術和產品市場應用特點，溫敏、聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、頻率等7大類型產品符合產業(yè)化技術特點和市場規(guī)模化需求，可實現(xiàn)產業(yè)化規(guī)模生產。

另外，以硅麥克風為代表的聲敏傳感器已經在國內外形成了十大主流特色品牌產品和商家（其中有瑞聲、歌爾國內兩家企業(yè)），實現(xiàn)了產業(yè)化規(guī)模生產；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、應用差異較大的產品，可在同一廠家實現(xiàn)產業(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業(yè)分散，產品不能成為系列化；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，組成具有產品技術工藝特色和產業(yè)化規(guī)模優(yōu)勢，以及國際市場影響力的產業(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業(yè)鏈構架（產業(yè)生態(tài)），同時具備政、產、學、研、用、服六維一體生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)產業(yè)化集群式發(fā)展，形成我國傳感器“雙生態(tài)”產業(yè)鏈，具有產業(yè)特色明顯和區(qū)位優(yōu)勢突出的國際傳感器產業(yè)園——即“傳感谷”。