沈陽(yáng)儀表院原院長(cháng)：警惕！傳感器可能重蹈“IC芯片”之轍！

本文主要來(lái)自對沈陽(yáng)儀表院原院長(cháng)、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)徐開(kāi)先的采訪(fǎng)，徐開(kāi)先先生對我國儀器及傳感器事業(yè)有莫大貢獻。

徐開(kāi)先認為我國傳感器產(chǎn)業(yè)至今成績(jì)很大，問(wèn)題不少，前景光明；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；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……

相比IC芯片產(chǎn)業(yè)，中國傳感器產(chǎn)業(yè)的脆弱程度更甚！

 智能傳感器是未來(lái)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)核心與基礎

“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?！?、“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?！?/span> 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，2020年全球智能傳感器市場(chǎng)規模約為358億美元。

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。

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。

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?！?“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?！?/span>

▲不同封裝氣體傳感器（圖源：網(wǎng)絡(luò )）

首先，關(guān)鍵技術(shù)尚未突破是主要制約因素。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。

▲不同封裝溫度傳感器（圖源：網(wǎng)絡(luò )）

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。 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?！?/span>

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?！?/span>

“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?！薄拔覈诓牧?、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?！?/span>

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。

 中國傳感器行業(yè)的總體現狀如何？

徐開(kāi)先：簡(jiǎn)單地概括我國傳感器行業(yè)，其總體現狀是：成績(jì)很大，問(wèn)題不少，前景光明。

中國傳感器應用四大領(lǐng)域分別為工業(yè)及汽車(chē)電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品。

其中，工業(yè)和汽車(chē)電子產(chǎn)品占市場(chǎng)份額的42.5％；壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現出成熟市場(chǎng)的特征，流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、 19%和14%。

我國傳感器產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢良好，但外資企業(yè)優(yōu)勢明顯。目前我國大陸共有455家從事敏感元件及傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)家，而整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游所涉及的企業(yè)更是多達1400多家，傳感器年產(chǎn)量突破24億只，呈現出良好的發(fā)展態(tài)勢。（為2009年數據）

目前能批量生產(chǎn)的產(chǎn)品涉及光敏、電壓敏、熱敏、力敏、氣敏、磁敏 和濕敏7大類(lèi)，約3000多個(gè)品種。

主要傳感器企業(yè)中，外資企業(yè)比重達到67%，國有企業(yè)和民族企業(yè)所占比重僅為33%。其中，在外資企業(yè)中，以日本、美 國、韓國和德國企業(yè)為多，比例分別為27%、20%、15%和13%。

 我國傳感器生產(chǎn)企業(yè)的地理分布情況？

徐開(kāi)先：我國傳感器的生產(chǎn)企業(yè)主要集中在長(cháng)三角地區，并逐漸形成以北京、上海、南京、深圳、沈陽(yáng)和西安等中心城市為主的區域空間布局。我國主要傳感器企業(yè)有接近一半的比例分布在長(cháng)三角地區，其他依次為珠三角、京津地區、中部地區及東北地區等。

長(cháng)三角區域：以上海、無(wú)錫、南京為中心，逐漸形成包括熱敏、磁敏、圖像、稱(chēng)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。由中科院和高等院校 為核心，從事新型傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)。如中科院上海微系統所，在無(wú)線(xiàn)傳感絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及應用研究基礎上，提出了無(wú)線(xiàn)傳感絡(luò )三層體系結構。上海、南京等地的壓力傳感器，無(wú)錫美新半導體公司生產(chǎn)的MEMS加速度傳感器等都有優(yōu)良性能指標和市場(chǎng)前景。

珠三角區域：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(chēng)重為主的傳感器產(chǎn)業(yè)體系。深圳清華研究院利用石英諧振原理的稱(chēng)重傳感器，己產(chǎn)業(yè)化規模生產(chǎn)，產(chǎn)品主要出口國外。該院生產(chǎn)的紅外非接觸測溫儀在非典時(shí)期發(fā)揮過(guò)重要作用。

東北地區：以沈陽(yáng)、長(cháng)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。如沈陽(yáng)儀表院傳感器國家工程研究中心生產(chǎn)的MEMS硅壓阻、硅電容傳感器、SOI高溫傳感器等，哈爾濱49所生產(chǎn)的氣體傳感器等。

京津區域：主要以高校為主，從事新型傳感器的研發(fā)，在某些領(lǐng)域填補國內空白。北京已建立微米/納米國家重點(diǎn)實(shí)驗室。清華、北大、北航等高校均有相關(guān)的傳感專(zhuān) 業(yè)和實(shí)驗室進(jìn)行新器件的探用后擦試干凈討，北京中科院電子學(xué)研究所在傳感器芯片系統研究有很大進(jìn)步。704所在航天傳感器方面做出重要貢獻。京津地區的傳感器企業(yè)的產(chǎn)品結構主要集中在高技術(shù)、綠色環(huán)保傳感器及元器件，代表企業(yè)有萊姆電子及圖爾克科技，此外，比業(yè)電子在微波傳感器領(lǐng)域填補了國內該產(chǎn)業(yè)空白。

中部地區：以鄭州、武漢、太原為主，產(chǎn)學(xué)研緊密結合的模式，在PTC/NTC熱敏電阻、感應式數字液位傳感器和氣體傳感器等產(chǎn)業(yè)方面發(fā)展態(tài)勢良好。如鄭州煒盛 電子科技有限公司生產(chǎn)的氣體傳感器己實(shí)現產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，在儀器儀表、工業(yè)領(lǐng)域、煤礦安全、石化、冶金、汽車(chē)電子等方面有廣泛應用。其它包括華工科技產(chǎn)業(yè) 股份有限公司高理電子分公司、太原理工天成科技股份有限公司、河南漢威電子股份有限公司等。

此外，傳感器產(chǎn)業(yè)伴隨著(zhù)物聯(lián)的興起，在其他區域如陜西、四川和山東等地發(fā)展很快。西安優(yōu)勢微電子公司生產(chǎn)的唐芯一號，推出了國內首顆物聯(lián)清算工作場(chǎng)地核心芯片。電量隔離傳感器、智能電量變送器、車(chē)用氧傳感器、火災探 測器、聲光報警、水流指示器等產(chǎn)品領(lǐng)域方面迅速發(fā)展，代表企業(yè)有綿陽(yáng)市維博電子有限公司、康達（成都）電子有限公司和西安盛賽爾電子有限公司等。

 如何看待我國傳感器產(chǎn)業(yè)中存在的問(wèn)題？

徐開(kāi)先：整體上看，我國傳感器產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展仍存在著(zhù)突出的問(wèn)題。

一是核心技術(shù)和基礎能力缺乏，創(chuàng )新能力弱。傳感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊應用的高端方面差距巨大，中高檔傳感器產(chǎn)品幾乎100％從國外進(jìn)口，90％芯片依賴(lài)國外，國內缺乏對新原理、新器件和新材料傳感器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力。

二是共性關(guān)鍵技術(shù)尚未真正突破。設計技術(shù)、可靠性技術(shù)、封裝技術(shù)、裝備技術(shù)等方面都存在較大差距。國內尚無(wú)一套有自主知識產(chǎn)權的傳感器設計軟件，國產(chǎn)傳感器可靠性比國外同類(lèi)產(chǎn)品低1～2個(gè)數量級，傳感器封裝尚未形成系列、標準和統一接口。

傳感器接入開(kāi)關(guān)電源工藝裝備研發(fā)與生產(chǎn)被國外壟斷。傳感器工藝制備中的某些關(guān)鍵技術(shù)，如深刻蝕技術(shù)（LIGA技術(shù)）、高溫歐姆接觸技術(shù)、使用溫度大于300℃、高可靠的MEMS封裝技術(shù)、快速測試技術(shù)、高仿真模擬技術(shù)等，尚未取得突破性進(jìn)展和批量生產(chǎn)的驗證。

三是產(chǎn)業(yè)結構不合理，品種、規格、系列不全，技術(shù)指標不高。國內傳感器產(chǎn)品往往形不成系列，產(chǎn)品在測量精度、溫度特性、響應時(shí)間、穩定性、可靠性等指標與國外也有相當大的差距。

四是企業(yè)能力弱，從目前市場(chǎng)份額和市場(chǎng)競爭力指數來(lái)看，外資企業(yè)仍占據較大的優(yōu)勢。我國傳感器企業(yè)95%以上屬小型企業(yè)，規模小、人才短缺、研發(fā)能力弱、規模效益差，綜合實(shí)力較強的骨干企業(yè)較少，與國外企業(yè)無(wú)法抗衡。