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  • 任重道遠,探討我國傳感器技術發展之路

    2020年7月02日 17:45:43 來源: 儀商網
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      雖然近幾年中國傳感器市場發展很快,但國內傳感器技術與世界水平相比仍存在很大差距。這種差距,一方面表現為傳感器在感知信息方面的落后,另一方面,則表現為傳感器自身在智能化和網絡化方面的技術落后。由于沒有形成足夠的規?;瘧?,導致國內的傳感器不僅技術低,而且價格高,在市場上依舊難有競爭力。

      下面小編整理了一下各網站平臺公布的數據及資料,結合小編的一些體會及觀點,就國內傳感器技術這話題來聊一下。

    一、各國傳感器發展情況

      目前全球傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭公司主導。美國、日本、德國及中國合計占據全球傳感器市場份額的72%,其中中國占比約11%。與全世界生產的超過2萬種產品品種相比,中國國內僅能生產其中的約1/3,整體技術含量也較低,是目前急需改變的一個狀態。

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    全球傳感器市場份額

      1、美國

      美國早在80年代就聲稱世界已進入傳感器時代,美國早在80年代初就成立了國家技術小組(BGT),幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業部門的傳感器技術開發工作。美國國家長期安全和經濟繁榮至關重要的22項技術中有6項與傳感器信息處理技術直接相關。關于保護美國武器系統質量優勢至關重要的對項關鍵技術之中,8項就為無源傳感器。美國空軍2000年舉出15項有助于提高21世紀空軍能力關鍵技術,傳感器技術名列第二。

      美國發展模式走的先軍工后民用、先提高后普及的路子。有顯著特點:

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     ?。ǘ鞲衅骷夹g開發十分重視:例如美國霍尼威爾公司的固態傳感器發展中心每年用于設備投資就有5000萬美元,目前擁有包括計算機輔助設計、單晶生長、加工、圖形發生器,對步重復照像、自動涂膠和光刻、等離子刻蝕、濺射、擴散、外延、蒸鍍、離子注入化學氣相沉積、掃描電鏡、封裝和屏蔽動態測試等最先進的成套設備和生產線,而且是大約每三年左右就要更新其中大部分儀器設備,聲稱只有這樣,才能保證其技術領先水平。

     ?。ㄈ┲匾暪に囇芯浚簜鞲衅髟聿浑y,也不保密,而最保密的是工藝。有不少評價“傳感器”不是一般的工業產品,而是一種完美的工藝品之佳作。研發方面,美國約有1,300家生產和開發傳感器的廠家,100多個研究院所和院校。

      2、德國

      德國視軍用傳感器為優先發展技術,德國傳感器充分發揮了老牌工業強國的固有優勢,再經德國制造商依托自有品牌聲譽和技術研發、質量管理方面的優勢進行整合,其產品的市場競爭力必然獲得顯著提升。

      一方面更加注意原材料成本的節約;重人力資本的投入,以便使產品保持技術上的領先,進而保持較高的市場占有率!

      3、日本

      日本則把傳感器技術列為十大技術之首。日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術就能夠支配新時代”。日本對開發和利用傳感器技術相當重視并列為國家重點發展6大核心技術之一。

      日本科學技術廳制定的90年代重點科研項目中有70個重點課題,其中有18項是與傳感器技術密切相關。

      日本側重實用化和商品化,先普及后提高,由引進、消化、仿制到自行改進設計創新的路子。前者花錢多,后者花錢少,更快些。研發方面,日本約有800家生產和開發傳感器的廠家。

      4、中國

      我國早在20世紀60年代就開始涉足傳感器制造業。我國在1972年組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產單位;1974年,研制成功中國第一個實用壓阻式壓力傳感器;1978年,誕生中國第一個固態壓阻加速度傳感器;1982年,國內最早開始硅微機械系統(MEMS)加工技術和SOI(絕緣體上硅)技術的研究。進入20世紀90年代后,硅微機械加工技術的絕對壓力傳感器、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實現生產。

      改革開放30年來,我國傳感器技術及其產業取得了長足進步,主要表現在:建立了傳感技術國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室、國家傳感技術工程中心等研究開發基地;MEMS、MOEMS(微光機電系統)等研究項目列入了國家高新技術發展重點;在“九五”國家重點科技攻關項目中,傳感器技術研究取得了51個品種86個規格新產品的成績,初步建立了敏感元件與傳感器產業。

      目前,中國傳感器產業正處于由傳統型向新型傳感器發展的關鍵階段,它體現了新型傳感器向微型化、多功能化、數字化、智能化、系統化和網絡化發展的總趨勢。

      傳感器技術歷經了多年的發展,其技術的發展大體可分三代:

      第一代是結構型傳感器,它利用結構參量變化來感受和轉化信號。

      第二代是上70年代發展起來的固體型傳感器,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成。如:利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。

      第三代傳感器是正在發展的智能型傳感器,它是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物,使傳感器具有一定的人工智能。

    二、國內傳感器行業現狀

      國內傳感器一方面表現為傳感器在感知信息方面的落后,另一方面,則表現為傳感器自身在智能化和網絡化方面的技術落后。由于沒有形成足夠的規?;瘧?,導致國內的傳感器不僅技術低,而且價格高,在市場上很難有競爭力。

      中國大致從1980年以后開始重視傳感器技術的研究。經過多年的努力,在傳感器研究方面的發展水平還算是比較好的。但是,在產品化方面的技術進步還不是很理想,很多傳感器技術,其實國內的實驗室研究水平并不是很差,可惜未能充分利用,沒有轉化為進入市場的成熟產品。

      傳感器技術的研究需要比較長時間的投入,一款傳感器的研發,要6年-8年才能成熟,一般中國企業都承受不了這么長的周期。中國企業更難以承受失敗,而傳感器的研究失敗的風險很高。

      日本企業支持的研發中,很多形不成產品,但是企業能夠承受,10項中只要2項-3項能夠變成產品就行。相比之下,我們很多企業都是準備去拿別人現有的東西。這種思路是有問題的,包括我們總是希望引進國外現成的、有自己項目的人才。都不準備養魚,而是撈一條魚來。

      相比于比較大型的儀器設備,傳感器在產品化過程中需要的投資一般不是很大,所以比較適合小型企業投資。在這方面,中國應該是有優勢的。然而,如果從另外一個方面考慮,這也是一個短處。

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      傳感器行業的一個特點是,傳感器本身技術含量高,但單只傳感器的價格一般不高。此特點導致的一個結果是,盡管傳感器的技術附加值高,但單純依賴傳感器很難形成可觀的產值。

      一般來說,傳感器有點像中藥里的“藥引”,本身功能很重要,但真正形成規模還需要依賴整服藥劑才行。國外很多傳感器公司一旦在某種傳感器上有突破,很快會有相關的測量儀器開發出來。

      另外,在中國的專利保護機制下,傳感器中辛辛苦苦研發出來的關鍵技術,往往呈現一種“訣竅”性質,被抄襲后,很難說清楚,企業也打不起官司。國內雖然也有MEMS傳感器企業,但都是委托加工,搞不好就被加工企業自己拿去做了,目前的企業創新體系有很大的問題。

    三、中國傳感器發展與國外差距

      國內傳感器廠商占據中低端市場從發展態勢看,國內傳感器廠商有三種情況:

      1、民營或合資企業的產品占據了中低端市場,傳統技術和裝備手段可以滿足絕大多數產品的制造要求,市場發展狀態良好。除個別廠家在個別品種方面將國外生產的芯片拿到國內封裝出相關產品、占據市場較大份額外,其他高端產品均是國外廠商在壟斷。

      2、隨著物聯網等新興產業的興起,傳感器產業成為世界各國在高新技術發展中爭奪的一個重要領域。近年來我國傳感器產業快速增長,應用模式也日漸成熟。但由于產業檔次偏低、技術創新能力較差,國內傳感器產業呈現低端過剩、中高端被國外壟斷的市場格局。傳感器技術發展滯后已掣肘國內戰略性新興產業的順利推進。

      目前從材料、器件、系統到網絡我國已形成較為完整的傳感器產業鏈。在網絡接口、傳感器與網絡通信融合、物聯網體系架構等方面取得較大進展。但產業檔次偏低、企業規模小、技術創新能力差,很多企業只是引進國外元件進行加工,同質化嚴重。而生產裝備落后、工藝不穩定等造成產品指標分散、穩定性差。模仿產品在敏捷度方面也不盡如人意。在相對研發突出的領域,卻忽略了工業化基礎性開發,商品化開發嚴重滯后。

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      目前我國傳感器產品約6000種左右,而國外已達20000多個,遠遠滿足不了國內市場需求。中高端傳感器進口占比達80%,傳感器芯片進口更是達90%,國產化缺口巨大。其中數字化、智能化、微型化等高新技術產品嚴重短缺。國家重大裝備所需高端產品主要依賴進口。而涉及國家安全和重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表,國外對我國往往采取限制。外資企業產品占據國內高端市場絕大多數的市場份額,并將會在今后很長一段時間內持續把持高端市場,這種勢頭在短期內不會得到根本轉變。

      3、國有企業發展處于平穩增長狀態,總體上跟不上國外最新技術發展的步伐,除少數廠家外,總體差距有擴大的趨勢。這是因為傳感器技術發展快,工藝和制造設備更新快,許多新設備國內廠商無法制造等原因造成的。并且設備的單臺價格少則幾十萬美元,多則數百萬美元,絕大多數廠家靠自身積累很難購買新型設備,致使在許多新技術、新工藝方面無法跟上國外企業飛速發展的步伐。

    四、我國傳感器發展差距的主要原因

      1、核心制造技術嚴重滯后于國外,國內產品差強人意。

      國外傳感器的新技術、新產品、新工藝、新材料不斷涌現,傳感器數字化、智能化、微型化已成趨勢,大多數產品已變成現實,且在不斷完善、不斷升級,而我國的傳感器雖然所涉足的研究開發領城基本與國外相差無幾,但由于在某些核心制造工藝技術上還嚴重滯后于國外,所以在深度和廣度上差異較大,主要表現為:

     ?。?)產品品種不全、規格少,新品欠缺。

      我國目前傳感器產品品種數為3000個左右,而國外已達20000多個,產品品種滿足率僅在60%-70%左右,遠遠滿足不了國內傳感器市場需求。從行業產品結構看,老產品比例占60%以上,新產品不足吟,高新技術類產品更少,數字化、智能化、微型化產品嚴重欠缺從總體看,品種不配套、系列不全、低檔產品多、高檔產品少、缺乏市場竟爭力。

     ?。?)科技創新差,擁有自主知識產權的產品少。

      企業自主開發與技術創新能力差。由于多種因素影響,國內企業仍以手工方式生產技術含量低或國外已停產的產品。很多新公司就是國外產品的推銷商和代理商,在多數院校和研究院所中,對高技術的跟蹤和對高技術附加值產品的研發能力還是可以的,但其成果以樣品居多,距產業化較遠,自主開發和擁有自主知識產權的科研成果不多。

      2、工藝裝備落后,產品質量差。

      經過多年開發,雖然研制出一批工藝和產品,但由于批產工藝的穩定性、可靠性問題沒有得到根本解決,限制了其應用領域和產業的發展有些高性能產品,不是靠工藝保證,而是靠篩選分檔。從技術角度看,由于國內傳感器生產工藝與工藝設備相對落后,微機械加工技術和封裝技術不夠先進,手工操作比較多,檢測手段不規范等等,造成主要性能指標和國外差1-2個數量級,使用壽命差2-3級。因此,在化工、電站、冶金、石油、環保、機械等領城重大工程中,許多高性能傳感器仍依賴于進口。

      3、人才資源匱乏,產業發展不足。

      傳感器及其產業的特點之一是技術密集,由于技術密集,也自然要求人才密集。從目前國內的情況看,能夠適應當今傳感器技術發展需求的具有高水平的科研隊伍及中青年科技專家、技術管干、學術帶頭人相對缺乏,使行業技術更新換代步伐慢,產業發展后勁不足。

      4、統籌規劃不足,投資力度不夠。

      目前存在的問題是重復分散、統籌規劃不足,科研投資強度偏低,科研設備落后,科研和生產脫節,影響了科研成果的轉化,使我國傳感器產品綜合實力較低。其次是由于政府重視不夠,在信息技術發展的過程中,對傳感器技術重要性的認識滯后于計算機技術和通訊技術,發展需求的資源投入規模和強度太小,使傳感器技術的發展速度緩慢,牽制了信息技術的飛速發展。

    五、未來國產傳感器將走向何方?

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      從應用領域來看,工業、汽車電子、通信電子、消費電子四部分是傳感器最大的市場。國內工業和汽車電子產品領域的傳感器占比約42%左右,而發展最快的是汽車電子和通信電子應用市場。

      智能汽車和無人駕駛是驅動MEMS傳感器發展的重要動力。在智能汽車時代,將會使用大量的MEMS運動傳感器實現主動安全技術:語音將成為人與智能汽車的重要交互方式,MEMS麥克風將迎來發展新機遇。自動駕駛技術的興起,進一步推動了MEMS傳感器進入汽車。

      此外,MEMS傳感器也是智能工廠的“心臟”,從這個層面上講,它是工業機器人變得“神通廣大”的利器。它讓產品生產流程持續運行,并讓工作人員遠離生產線和設備,保證人身安全和健康。據預測,未來六年,MEMS在工業市場預計將以7.3%的復合年增長率快速增長。


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