中國傳感器的創(chuàng)新發(fā)展

文/李萍、羅云、杜寧寧

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，是衡量國家信息化程度的重要標(biāo)志。傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

我國傳感器產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了一個艱難探索和創(chuàng)新發(fā)展的過程

我國傳感器產(chǎn)業(yè)走出一條從無到有，引進(jìn)技術(shù)和自主研發(fā)相結(jié)合，從結(jié)構(gòu)型傳感器、固體型傳感器到智能型傳感器的發(fā)展道路，大致可分為四個階段。

第一階段：20世紀(jì)50年代到70年代，傳感器技術(shù)探索和起步階段

我國傳感器技術(shù)的發(fā)展起始于50年代初期，當(dāng)時主要是以仿制蘇聯(lián)的機械式或機電式傳感器為主,不少成果停留在實驗研究階段。50年代末出現(xiàn)第一只半導(dǎo)體熱敏電阻；60年代研制出應(yīng)變計、霍爾器件和離電極；70年代研制出擴散硅力敏元件、砷化稼霍爾元件、碳化硅熱敏電阻等新型傳感器。1972年建成了中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位，誕生中國第一個固態(tài)壓阻加速度傳感器。

第二階段：80年代到90年代，傳感器產(chǎn)業(yè)格局初步形成

從1986年開始，傳感器被列入國家攻關(guān)計劃，投入了以機械敏、力敏、氣敏、溫敏、生物敏為主的5大敏研究，研制出集成傳感器、光纖傳感器、高分子傳感器和多種功能材料。1987年高等院校成立了傳感器研究會，國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器名詞術(shù)語》頒布。

第三階段：2000年到2015年，國產(chǎn)傳感器替代進(jìn)口達(dá)到國際先進(jìn)水平

我國已經(jīng)形成了較為完整的傳感器產(chǎn)業(yè)鏈。MEMS壓力傳感器、微壓傳感器、呼吸機壓傳感器、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投入生產(chǎn)。自主研發(fā)的霍爾傳感器應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，標(biāo)志著我國傳感器已經(jīng)替代進(jìn)口，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

第四階段：2015年以來，政策引領(lǐng)傳感器產(chǎn)業(yè)迎來黃金發(fā)展期

2015年5月國務(wù)院頒布《中國制造2025》，2017年11月工信部頒布《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017－2019年）》，都對傳感器產(chǎn)業(yè)特別是高端智能傳感器的發(fā)展提出明確要求。相信不久的將來，我國傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。

精心布局和培育科研創(chuàng)新體系，催生科研和產(chǎn)業(yè)化成果涌現(xiàn)

為趕超國際先進(jìn)水平，提高我國傳感器的技術(shù)水平，從“七五”開始，國家組織實施了一系列科技計劃，建立傳感技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新體系，取得眾多擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的科技成果。

1.頂層設(shè)計建立研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新體系

為了加快我國傳感器技術(shù)的發(fā)展，頂層設(shè)計建立了國家重點實驗室、國家工程研究中心和專業(yè)研發(fā)基地。依托中科院電子學(xué)研究所和中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，分別建立了傳感技術(shù)北方和南方國家重點實驗室，確立了光傳感器基地、厚膜傳感器基地、氣敏傳感器基地、生物傳感器基地 4個試驗基地。依托沈陽儀器儀表工藝研究所建立了傳感器國家工程研究中心。

此外，四川省航空傳感器工程技術(shù)研究中心、西安傳感器工程技術(shù)研究中心、北京信息工程學(xué)院傳感技術(shù)研究中心、江蘇省MEMS加速度傳感器工程技術(shù)研究中心、山西省測控技術(shù)與新型傳感器工程技術(shù)研究中心、廣東省無源射頻識別及傳感器集成電路應(yīng)用工程技術(shù)研究中心、微納慣性傳感與集成技術(shù)教育部工程研究中心、江蘇省霍爾傳感器工程技術(shù)研究中心、東南大學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中心等相繼成立。

2.科技攻關(guān)奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)

我國傳感器產(chǎn)品經(jīng)歷了三代：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；第二代是固體型傳感器，由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)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；第三代是智能型傳感器，是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有人工智能。

科技攻關(guān)為我國傳感器發(fā)展打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。1986—2000年，科技攻關(guān)完成科技成果267項，獲得專利42項。開發(fā)了51個品種86個規(guī)格的新產(chǎn)品，90%的成果進(jìn)入市場，實現(xiàn)了批量或小批量生產(chǎn)。傳感器的共性關(guān)鍵技術(shù)包括 CAD 技術(shù)、關(guān)鍵制造工藝、微機械加工技術(shù)、可靠性技術(shù)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，產(chǎn)品的成品率提高10%以上，可靠性水平提高1—2個等級，總體水平達(dá)到國外90年代中期的先進(jìn)水平。其中新型本征半導(dǎo)電高分子壓力溫度雙參數(shù)傳感器達(dá)到國際領(lǐng)先水平，獲得國家發(fā)明二等獎。

在此基礎(chǔ)上，涌現(xiàn)出“機器人用低成本全向視覺傳感器及示范應(yīng)用”“高鐵用微納傳感器與軸承裝備研制與應(yīng)用”“光纖高溫高壓井筒測試技術(shù)”“先進(jìn)光纖傳感器系統(tǒng)研制及應(yīng)用”“汽車電子穩(wěn)定程序（ESP）微傳感器及系統(tǒng)”一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重要科技成果。

“十二五”國家科技支撐計劃“高鐵用微納傳感器與軸承裝備研制與應(yīng)用”項目突破了高鐵機車用微納傳感器電磁防護(hù)和耐高壓等關(guān)鍵技術(shù)，研制出高鐵機車用壓力傳感器和振動傳感器，建成傳感器生產(chǎn)線，解決了傳感器在溫度變化、震動沖擊、電壓沖擊、電磁干擾等高鐵極端環(huán)境應(yīng)用的可靠性技術(shù)問題，促進(jìn)了我國高速電氣化鐵路產(chǎn)業(yè)所需傳感器技術(shù)的發(fā)展；項目研發(fā)還突破了該類機床關(guān)鍵功能部件、制造工藝、數(shù)控技術(shù)、磨削工藝和相關(guān)核心技術(shù)，研制定型的鐵路軸承內(nèi)外套圈精密磨削成套裝備，為軸承行業(yè)重載鐵路軸承的穩(wěn)定生產(chǎn)和高鐵軸承的研制提供了有力支撐，裝備的技術(shù)水平不僅推動我國高鐵和重載貨運列車關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化，而且可推動我國高端數(shù)控裝備技術(shù)水平的提升。

國家863計劃“先進(jìn)光纖傳感器系統(tǒng)研制及應(yīng)用”課題攻克了特種光纖、寬譜光源、單頻光纖激光器、光纖陀螺環(huán)、高速高精度解調(diào)儀等基礎(chǔ)器件和關(guān)鍵技術(shù)，突破了大電流、位置（包括導(dǎo)航、姿態(tài)和大型復(fù)雜機械裝備運行狀態(tài)）、應(yīng)力、溫度等多物理量測量用的基礎(chǔ)器件和多項系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了保偏-光子晶體-摻稀土光纖等特種光纖技術(shù)集成，填補了我國相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用光纖傳感器件的空白，研發(fā)出系列光纖傳感器，可廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多領(lǐng)域，對于我國工業(yè)、國防及其他眾多高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

集聚產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局,打造傳感器制造新高地

經(jīng)過多年的持續(xù)發(fā)展，我國傳感器產(chǎn)業(yè)已形成長三角、珠三角、東北、京津等產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。長三角區(qū)域，以上海、無錫、南京為中心，逐漸形成包括熱敏、磁敏、圖像、稱重、光電、溫度、氣敏等較為完備的傳感器生產(chǎn)體系及產(chǎn)業(yè)配套。珠三角區(qū)域，以深圳中心城市為主，由附近中小城市的外資企業(yè)組成以熱敏、磁敏、超聲波、稱重為主的傳感器產(chǎn)業(yè)體系。東北地區(qū)，以沈陽、長春、哈爾濱為主，主要生產(chǎn)MEMS力敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器。京津區(qū)域，主要以高校為主，從事新型傳感器的研發(fā)，在某些領(lǐng)域填補國內(nèi)空白。

我國傳感器已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，已有2000多家企事業(yè)單位從事傳感器的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)到應(yīng)用，其中從事微機電系統(tǒng)MEMS研制、生產(chǎn)的企業(yè)有50多家，共有10大類42小類6000多種傳感器產(chǎn)品。隨著業(yè)內(nèi)公司的兼并重組，產(chǎn)業(yè)格局將進(jìn)一步走向聚集，涌現(xiàn)出歌爾股份、青鳥元芯、華潤半導(dǎo)體、廣微積電、敏芯微電子、納微電子、中星測控、芯敏微系統(tǒng)、中旭電子、漢威科技等一批領(lǐng)軍和骨干企業(yè)。

北京青鳥元芯微系統(tǒng)科技有限責(zé)任公司由北大青鳥集團(tuán)和北大宇環(huán)公司共同投資組建，以北大微電子學(xué)研究院“微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室”為技術(shù)依托，專門從事微型傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)。公司是國內(nèi)第一家采用MEMS技術(shù)批量生產(chǎn)微型傳感器的企業(yè)，批量生產(chǎn)系列化微型濕度傳感器及模塊、MEMS壓力傳感器芯片、MEMS壓力傳感器、加速度傳感器及相關(guān)傳感器模塊和解決方案。各種微型傳感器芯片均采用具有國際先進(jìn)水平的MEMS設(shè)備生產(chǎn)，生產(chǎn)能力達(dá)到月產(chǎn)傳感器100萬只以上；產(chǎn)品的測試環(huán)境也居國內(nèi)先進(jìn)水平。

上海芯敏微系統(tǒng)技術(shù)有限公司是一家從事基于MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)的傳感器芯片的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售公司，在MEMS壓力傳感器及MEMS紅外熱電堆的研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)能力方面達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。公司建立了擴散硅的DIE-壓力傳感器芯片-壓力傳感器模塊的完整產(chǎn)品線，能為客戶提供壓力傳感器die（裸片）、so-8和dip-6的塑封芯片、高精度寬溫壓力傳感器模組，在電子血壓計、胎壓計、汽車進(jìn)氣壓力傳感器等細(xì)分市場處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的紅外熱堆集成了200對熱電偶，達(dá)到國際先進(jìn)水平，提高了對紅外線的靈敏度，并在熱堆基礎(chǔ)上開發(fā)了紅外CO2傳感器模組，大量應(yīng)用于教學(xué)裝備、新風(fēng)系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)大棚、智能樓宇等領(lǐng)域。

南京中旭電子科技有限公司是專營霍爾元器件及霍爾傳感器的主要骨干企業(yè)，已成為裝備部、工信部、航天工業(yè)總公司、船舶工業(yè)總公司唯一定點的軍用霍爾元器件、霍爾傳感器的科研生產(chǎn)單位。公司為國家重點軍工項目配套的軍用霍爾傳感器已達(dá)數(shù)百種，其中有為神舟飛船、風(fēng)云號衛(wèi)星、東方紅通信衛(wèi)星、嫦娥衛(wèi)星、探月工程、飛機、船艦等配套生產(chǎn)的霍爾電流、電壓傳感器、位置傳感器和霍爾集成電路。民用產(chǎn)品方面，已廣泛應(yīng)用于儀器、儀表、家電、紡織、印刷、機車、電動車、汽車、郵電通、電力等行業(yè)和領(lǐng)域，產(chǎn)品品質(zhì)在同行業(yè)領(lǐng)域中遙遙領(lǐng)先，獲得了有關(guān)部門和單位的表彰和嘉獎。

傳感器滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，并保持快速持續(xù)增長

傳感器滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，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。我國傳感器根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為工業(yè)、汽車電子、通信電子、消費電子四大類。其中，工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品用傳感器占比約為42%，而發(fā)展最快的是汽車電子和通信電子應(yīng)用市場。根據(jù)用途則可分為力敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、加速度傳感器、生物傳感器等。MEMS智能傳感器已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個層面，并保持快速、持續(xù)增長。據(jù)賽迪顧問2014—2021年中國傳感器市場情況報告預(yù)測，2021年中國傳感器市場規(guī)模將達(dá)到2951.8億元。

1.霍爾傳感器在汽車工業(yè)上的應(yīng)用

霍爾傳感技術(shù)包括動力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動系統(tǒng)，主要有開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。在汽車發(fā)動機點火系統(tǒng)中，用霍爾開關(guān)電路構(gòu)成霍爾翼片傳感器，放在分流電氣中，取代機械斷電器，作點火脈沖觸發(fā)器。在汽車分電器中，將翼片連接在凸輪軸上，傳感器固定于分電器底板上。當(dāng)翼片磁移入氣隙時給出一高電平，移出氣隙時給出一低電平，形成規(guī)矩波，利用下降沿或上升沿觸發(fā)點火電路，進(jìn)行點火。在防抱死制動系統(tǒng)（ABS，ABS是汽車中廣泛使用的行車安全裝置）中，采用霍爾傳感器制作的速度傳感器，在整個車速范圍內(nèi)信號幅值恒定，即使速度為零，信號幅值仍保持不變。這些輸出信號可做牽引控制、速度表、里程表、導(dǎo)航系統(tǒng)及發(fā)動機和變速器的管理。在機車測速中，霍爾傳感器通過測量磁場強度，得到穩(wěn)定的脈沖方波信號，實現(xiàn)機車轉(zhuǎn)速的測量。具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點。

2.傳感器在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)傳感器包括生命信息傳感器和環(huán)境傳感器。生命信息傳感器主要是通過對植物生長過程中氮元素、植物信息指標(biāo)和農(nóng)藥化肥等含量的分析，判斷植物的生長情況，展示植物的生長信息和生理信息，并對植物的生長體征進(jìn)行數(shù)字化處理。環(huán)境傳感器則是對植物生長所需要的水、土壤、空氣等進(jìn)行監(jiān)控，及時了解外部環(huán)境的變化，重點對作物土壤環(huán)境進(jìn)行檢測，并對環(huán)境因素進(jìn)行綜合檢測和評估，以便為農(nóng)作物的健康成長創(chuàng)造更好的條件，促進(jìn)農(nóng)作物管理質(zhì)量的提升。農(nóng)業(yè)中所用的傳感器種類主要有溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、pH值傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、生物傳感器等，應(yīng)用于育種、農(nóng)產(chǎn)品分類、農(nóng)產(chǎn)品儲藏、農(nóng)機化、禽畜飼養(yǎng)、氣象及環(huán)境監(jiān)測、遙感等領(lǐng)域。

3.傳感器在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及診療上的應(yīng)用

醫(yī)用傳感器按制作材料不同可分為壓電單晶轉(zhuǎn)換器、壓電薄膜換能器、復(fù)合材料換能器等。應(yīng)用醫(yī)用傳感器可以對人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈波及心音、心腦電波等進(jìn)行高難度的診斷。由于X射線的波長比電磁波、光波的波長更短，能量更大，對人體的穿透性很強，因此X射線傳感器正在醫(yī)學(xué)檢測上發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)CT、CR、DR等醫(yī)療設(shè)備中，并在人體骨骼、顱腦等部位檢查中發(fā)揮了重大作用。醫(yī)用傳感器在呼吸機、血液分析器、多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀器、核磁共振儀、心腦電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)治療裝置等方面也擔(dān)負(fù)重要角色。

4.傳感器在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的感應(yīng)機構(gòu)就是傳感器，盡管常見的傳感器已有幾十年的歷史而且在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但近年物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展又為傳感器創(chuàng)造出更多前所未有的新的應(yīng)用領(lǐng)域，使它們完全突破了既有的用法和應(yīng)用范圍，通過功能強大的云軟件平臺為設(shè)備、操作者和環(huán)境等形成智能化解決方案。目前廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器有：溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、聲音傳感器、液位傳感器、存在與接近傳感器、運動傳感器、陀螺儀傳感器、化學(xué)傳感器、圖像傳感器、心律傳感器、MEMS 傳感器等。

5.傳感器在生活上的應(yīng)用

現(xiàn)代生活中普遍應(yīng)用著傳感器。傳感器在電子爐灶、自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、熱風(fēng)取暖器、風(fēng)干器、報警器、電熨斗、電風(fēng)扇、游戲機、電子驅(qū)蚊器、洗衣機、洗碗機、手機、電冰箱、彩色及平板電視機、錄像機、錄音機、收音機、影碟機及家庭影院等方面得到了廣泛的應(yīng)用。高精度傳感器使家用電器更加方便、安全、可靠，并減少能源消耗。

我國在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長足的進(jìn)步，取得了一批可喜的為世界矚目的科研和產(chǎn)業(yè)化成果。但從總體上講，它還不能完全適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，我國不少傳感器信號處理和識別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口，大片市場被國外產(chǎn)品所占領(lǐng)。目前，我國傳感技術(shù)正處于由傳統(tǒng)傳感器向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段，傳感器更新?lián)Q代快、需求量大且增長速度快。為此，國內(nèi)傳感器的研究開發(fā)應(yīng)重視基礎(chǔ)性研究，針對中試規(guī)模的新產(chǎn)品，在攻克制造工藝技術(shù)的前提下，進(jìn)行工藝穩(wěn)定性研究及市場應(yīng)用研究，開展產(chǎn)業(yè)化技術(shù)及配套技術(shù)研究。還應(yīng)加強具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型傳感器的開發(fā)，加速現(xiàn)有科研成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，迅速提高國有傳感器的市場占有率。