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信息輸入的窗口:傳感器的時代

發布日期 2019-06-14
目前,全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種。由於缺乏制定國際標準的準則與規範,尚未制定出權威的傳感器標準類型。

人類步入21世紀,全面進入信息時代,從一定意義上講,也就進入了傳感器時代。在現代控制系統中,傳感器處於連接被測對象和測試系統的接口位置,可直接或間接接觸被測對象,是信息輸入的“窗口”,是萬物互聯的眼睛,是數據信息獲取的 功能器件,直接影響和決定系統的性能優劣。特別是當前備受國際關注的物聯網、大數據、云計算技術,乃至智慧城市中的各種技術實現,對於傳感器技術的依賴尤為突出。
標準紛爭的傳感器
目前,全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種。由於缺乏制定國際標準的準則與規範,尚未制定出權威的傳感器標準類型。其敏感機理、敏感材料、使用功能、應用領域等互相交錯及深度融合,難以釐清,各國及各行業圍繞標準劃分的爭論從未停止,各抒己見、爭論不休,從而導致產品名稱混亂、種類繁多、結構複雜、參數各異等複雜狀況。目前,行業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。

由於敏感機理、敏感材料不同,加之工業現場環境、使用場景,以及被檢測介質與個性化參數、結構複雜等特點,長期以來,傳感器一直處於多品種、小批量生產狀態。受工藝技術的分散性、複雜性影響和設備裝置價格昂貴等因素制約,業界稱其生產過程為製造“工業工藝品”。各國工程技術人員圍繞着工藝技術協同、融合,在產品規範化、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化方面開展了長期的技術開發與創新,形成了一大批不同特色的技術成果。
MEMS工藝是創新源泉

在美國硅谷傳感器領域,以MEMS工藝技術為基礎,根據不同行業和功能的需求,展開不同封裝結構的各種傳感器產品創新,已經持續了近25年,形成各種類型傳感器產品,應用領域不斷擴展,得到了各行業的廣氾認同。正如硅谷MEMS工藝技術創始人丹尼斯所說:“20多年來,硅谷傳感器產品一直都圍繞着以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業領域的市場應用需求,開展不同結構形式封裝的產品創新”。因此,MEMS工藝技術是各種類型傳感器的共性基礎工藝技術,被業界稱之為傳感器創新源泉。

目前,MEMS成熟工藝有4英吋、6英吋、8英吋、12英吋。伴隨着半導體平面工藝更新換代和不斷升級,工藝設備與裝置水平成熟度增強,價格不斷降低,MEMS工藝也正在向更大尺寸方向發展,工藝成熟度也隨之不斷增強。產品廣氾應用於物理、化學和生物傳感器中,在聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏等傳感器中的應用業已成熟。不僅提高了產業化能力,降低了產品成本,也大大提高了產品的可靠性、穩定性、一致性,使得產品的分散性、離散性得到了極大改善,可進行規範化與標準化的封裝與生產,在批量化與規模化生產中發揮了重要作用。
2011年,美國業界認為MEMS工藝已經成熟,可以廣氾推廣應用,確立並形成了傳感器產業圍繞MEMS工藝技術和應用兩大方向的創新與突破:一是敏感機理創新與工藝突破。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、集成度等產業化基礎水平。二是智能化水平提高和應用創新。在多功能集成化、模塊化構架、嵌入式能力、網絡化接口等方面形成了創新與突破。

這二者的突破,極大地改善了產用難以對接的矛盾,搭建了生產製造與市場應用的橋梁與技術通道,突破了行業在生產和應用長期形成的技術壁壘和發展瓶頸。同時也提高了各行業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。

智能化的三大核心
美國明確地提出傳感器智能化的三大核心技術與創新趨勢:
1.MEMS工藝技術。在微型化、低功耗、低成本、多材料復合、多參數融合,在大片集成工藝技術與裝備、微米與亞微米級高精度控制技術、柔性生產工藝技術等方面不斷迭代升級與創新。
2.無線網絡化技術。適應各種物聯網(傳感網)技術推廣應用,在工業互聯網、人工智能技術、移動智能終端、5G技術標準下的無線網絡化傳感器產品與技術創新。把移動(手機、車、船、飛機等)或固定物體(機床、樓宇、商場、家庭、山林等)作為安裝和應用傳感器的平台和智能化節點,實現嵌入式、多功能復合與集成、模塊化構架、網絡化接口等協同式創新,以滿足對一切物體智能化、“無人化”管理與控制的需求。
3.微能量獲取技術。傳感器智能化節點在室內外使用過程中,特別是野外使用環境下,供電問題始終是在各個領域推廣應用的一大障礙。圍繞着自然界風能、光能、電磁能等微能量收集與獲取,稱為“微能量捕捉技術”,為傳感器提供能量將成為今後技術創新又一方向。
從美國傳感器產業發展來看,呈現幾個特點:一是在共性基礎技術上下功夫,注重新技術、新工藝應用,不斷提升品質。二是強調傳感器網絡化、智能化節點技術、能量捕捉技術及協同創新。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、裝備製造、物流、生態環境監控(森林防控)、移動醫療、智能家居等。

產業化特征
徹底改變技術和市場的孤島化、碎片化問題是傳感器產業化的關鍵之處。這需要借助共性基礎技術和工藝,建立生產可柔性化、工藝規範化、產品標準化的生產體系,尋找產品的配套市場。根據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化技術特點和市場規模化需求,可實現產業化規模生產。

當下,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、歌爾兩家國內企業),實現了產業化規模生產;
在溫、濕度傳感器方面,美國、德國、瑞士、日本、中國等都有規模化生產能力,在未來發展中溫濕度將復合在其他物理量傳感器之中,比如力敏、磁敏傳感器中,可同時檢測溫濕度參數;

頻率與RF射頻、毫米波等共性工藝技術接近,而參數、功能、應用差異較大的產品,可在同一廠家實現產業化。特別是在手機、智能交通、生物感知等應用領域具有爆發式增長,具有較大的誘惑力。射頻器件95%仍由歐美廠商主導,甚至沒有一家亞洲廠商進入。為了打破行業壟斷現象,這將成為未來技術創新與競爭的焦點。
小產業卻是大戰略

與國外相比,我國傳感器產業發展緩慢的原因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,缺乏國家戰略認識高度。由於傳感器分屬不同行業和部門,存在多頭管理現象,在發展上難以取得共識,政策支持缺乏力度導致產業分散,產品不能形成系列。
在國內近5000家儀器儀表企業中,有1600多家不同程度地生產製造敏感元件及傳感器,其中,95%以上屬於小微企業。一方面缺乏足夠的人力、物力、工藝技術條件等資源配置,產業化基礎薄弱;另一方面市場准入門檻過高,缺乏相應的應用開發和技術創新能力,產品整體技術水平和參數性能指標,特別是可靠性、穩定性指標與國外同類產品相比要低1~2個數量級,無法滿足市場對企業資質和配套能力的要求。

中國目前缺乏龍頭企業引領和行業帶動,缺乏國際化品牌、市場影響力、競爭優勢和基礎研究能力,導致行業內專業化企業數不足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後國外 國家10年~15年。

目前國內傳感器產值過億元的僅占企業總數的13%,全國不足200家。針對國內產業現狀和行業特點及存在問題,結合傳感器技術工藝特征,業內期待在經濟發達和具有技術優勢的地區,聚集國內外數十家及更多的傳感器專業性公司和科研院所,組成具有產品技術工藝特色和產業化規模優勢,以及國際市場影響力的產業集群或基地,形成年銷售額1000億元人民幣(150億美元)以上、年增長率高于20%的國際化傳感器特色產業園區。形成以敏感元器件為核心,智能化、網絡化、模塊化等集成應用為創新主體,物聯網、智慧城市為應用目標的產業鏈構架(產業生態),同時具備政、產、學、研、用、服六維一體生態環境,實現產業化集群式發展,形成我國傳感器“雙生態”產業鏈,具有產業特色明顯和區位優勢突出的國際傳感器產業園——傳感谷。



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