突圍傳感器：破局中國物聯(lián)網(wǎng)“之殤”

　　據麥姆斯咨詢(xún)介紹，在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)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)應用市場(chǎng)。但與此同時(shí)，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??！惫I(yè)和信息化部原副部長(cháng)、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(huì )上曾表示，中國的物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷了七年多發(fā)展，無(wú)論是在技術(shù)還是應用領(lǐng)域，都取得了巨大的進(jìn)步，但總體來(lái)看還存在不足。

　　在物聯(lián)網(wǎng)各項基礎技術(shù)中，感知技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的根底和核心，同時(shí)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?！? 中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì )傳感器分會(huì )名譽(yù)理事長(cháng)、沈陽(yáng)儀表科學(xué)院原院長(cháng)徐開(kāi)先在接受《通信產(chǎn)業(yè)報》(網(wǎng))采訪(fǎng)中表示。

　　在全球信息技術(shù)跨界融合加速，萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)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(lái)源，被視為決定未來(lái)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心與基礎之一。

　　傳感器技術(shù)歷經(jīng)了多年的發(fā)展，大體可分為三代：第一代是結構型傳感器，利用結構參量變化來(lái)感受和轉化信號; 第二代是20世紀70年代發(fā)展起來(lái)的固體型傳感器，這種傳感器由半導體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構成; 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、驅動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統級產(chǎn)品。

　　智能感知時(shí)代，智能傳感器扮演越來(lái)越重要的角色，2016年全球智能傳感器市場(chǎng)規模達到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、大數據、人工智能應用的興起，推動(dòng)傳感技術(shù)由單點(diǎn)突破向系統化、體系化的協(xié)同創(chuàng )新轉變，大平臺、大生態(tài)主導核心技術(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(dòng)指南(2017-2019年)》，提出了要在智能終端、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)電子等工業(yè)領(lǐng)域有所發(fā)展。據有關(guān)專(zhuān)家預計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用領(lǐng)域主要有消費電子、汽車(chē)電子、工業(yè)電子和醫療電子四大領(lǐng)域。

　　在政策和市場(chǎng)驅動(dòng)下，我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)生態(tài)趨于完備。設計、制造、封測等重點(diǎn)環(huán)節均有骨干企業(yè)布局。國內智能傳感器技術(shù)研發(fā)已經(jīng)初步開(kāi)展，同時(shí)一些科研機構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(shí)，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)與應用不協(xié)同等問(wèn)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)與應用不協(xié)同等問(wèn)題，由此帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)安全、信息安全挑戰不容忽視。

　　長(cháng)期以來(lái)，在傳感器的關(guān)鍵行業(yè)，關(guān)鍵技術(shù)，高附加值應用上，國際品牌還處于壟斷地位?！坝捎趥鞲衅鏖T(mén)類(lèi)眾多，技術(shù)門(mén)檻不一，我國在常規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(jìn)口，90%芯片從國外進(jìn)口許多產(chǎn)品是“有品無(wú)芯”。工業(yè)自動(dòng)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(xiāo)售35萬(wàn)臺左右，全部由國外或國外在國內的獨資企業(yè)生產(chǎn)。

　　汽車(chē)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(zhuān)用傳感器，國內基本不能生產(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，國內對氣體傳感器的研究主要體現在低端的半導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(méi)有成熟的應用技術(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(lài)進(jìn)口。即使在低端的半導體和催化燃燒氣體傳感器方面，在產(chǎn)品的精度、穩定性和工藝方面相對于國外先進(jìn)技術(shù)仍有較大差距。

　　溫度傳感器方面，對NTC熱敏電阻器，國內企業(yè)實(shí)力嚴重不足，90%的市場(chǎng)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)境監測傳感器領(lǐng)域空白多，產(chǎn)品少，細顆粒物沒(méi)有能力監測。

　　脖子卡在哪?

　　談及我國傳感器落后的原因，多位專(zhuān)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)結構不合理，品種少、系列不全;企業(yè)能力弱。

　　“傳感器涉及到研發(fā)、設計以及生產(chǎn)等環(huán)節?！辈┝⑿趴萍伎偛脜窃茦蛳颉锻ㄐ女a(chǎn)業(yè)報》(網(wǎng))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(gè)長(cháng)期的過(guò)程?！?/p>

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

　　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)傳感器大量應用的主要原因之一，據了解電力部門(mén)采用國外傳感器產(chǎn)品三年不需檢修，采用國內產(chǎn)品每季度檢修一次，石化部門(mén)，重要生產(chǎn)線(xiàn)幾乎全部采用國外傳感器，而不敢使用國內產(chǎn)品。通常國產(chǎn)傳感器可靠性指標比國外同類(lèi)產(chǎn)品低1～2個(gè)數量級。

　　在封裝技術(shù)方面，傳感器的封裝結構和封裝材料，影響傳感器的遲滯、時(shí)間常數、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%。國內對傳感器的封裝技術(shù)尚未形成系列、標準，也無(wú)統一接口，因而傳感器的外型千差萬(wàn)別，很不利于用戶(hù)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(gè)數量級，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%。導致高精度、高可靠傳感器嚴重依賴(lài)進(jìn)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(mén)子公司、ABB公司、歐姆龍公司、基恩士公司等等。

　　國內傳感器產(chǎn)品不配套、不成系列。徐開(kāi)先表示， 系列中比較易生產(chǎn)的某些規格尚能生產(chǎn)，且重復生產(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(jìn)口，如工業(yè)自動(dòng)化儀表中廣為應用的、高精度、高穩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)規模小。目前國內傳感器產(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)分散體現在資金分散、技術(shù)分散、企業(yè)布局分散，產(chǎn)業(yè)結構分散、市場(chǎng)分散等方面;管理方面存在政府部門(mén)管理歸口不統一、難于協(xié)調、多頭管理現象;政策支持方面也存在政策支持的集中度不高，缺乏專(zhuān)項計劃集中扶持，即使支持也過(guò)于分散，缺乏力度，缺乏持續性。

　　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(kāi)先表示，由于傳感器行業(yè)經(jīng)濟基礎、技術(shù)基礎、產(chǎn)業(yè)基礎較為薄弱，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(cháng)期以來(lái)很難吸引國際頂級人才投身到傳感器行業(yè)工作;加之國內由于學(xué)科設置不合理，缺少復合型人才培養機制，往往搞設計的不懂工藝、搞工藝的不明應用、會(huì )應用的不曉設計。造成很多企業(yè)缺乏既懂管埋、又懂技術(shù)、還會(huì )經(jīng)營(yíng)的復合型人才，以及工藝人才和技能人才。

　　從技術(shù)與應用突圍

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

　　但應用的突破也需要技術(shù)與工藝的支撐。

　　“國內傳感器產(chǎn)業(yè)，大部分都在搞傳感器應用，特別是在物聯(lián)網(wǎng)，智能裝備方面的應用，而不愿涉及傳感器芯片的開(kāi)發(fā)和研究，”徐開(kāi)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(cháng)，且技術(shù)難度風(fēng)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(kāi)先強調，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、穩定性高，其應用不愁沒(méi)有市場(chǎng)?！凹訌奍C與MEMS技術(shù)的集成與融合”徐開(kāi)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雜的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，涉及到研發(fā)、設計以及生產(chǎn)等環(huán)節?！敝袊苿?dòng)北京集成電路創(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(gè)長(cháng)期的過(guò)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，但有些復雜的微結構難以用IC工藝實(shí)現，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(guò)程尤為復雜。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(jìn)封裝領(lǐng)域，半導體材料的國產(chǎn)化率更低，且部分產(chǎn)品面臨嚴重的專(zhuān)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)并主導其生產(chǎn)，無(wú)疑將阻礙傳感器產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的步伐。

　　業(yè)內人士建議可重點(diǎn)放在非硅基的新材料、新機理、新工藝傳感器的研究。重點(diǎn)發(fā)展應用市場(chǎng)廣、具備一定產(chǎn)業(yè)基礎、易于快速產(chǎn)業(yè)化的智能傳感器及其核心元器件，運動(dòng)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。