導 讀
物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代*大的特點(diǎn)是什么?是感知!物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是傳感器的時(shí)代,萬(wàn)事萬(wàn)物因為傳感器而“睜開(kāi)”了雙眼。傳感器是信息輸入的“窗口”,是萬(wàn)物智聯(lián)的基礎,未來(lái),它將在智慧城市、智能制造、優(yōu)異科技等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。
本文由知識自動(dòng)化(zhishipai)授權轉載
人類(lèi)步入21世紀,全 面進(jìn)入信息時(shí)代,從一定意義上講,也就進(jìn)入了傳感器時(shí)代。在現代控制系統中,傳感器處于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(wàn)物互聯(lián)的眼睛,是數據信息獲取的唯壹功能器件,直接影響和決定系統的性能優(yōu)劣。特別是當前備受?chē)H關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算技術(shù),乃至智慧城市中的各種技術(shù)實(shí)現,對于傳感器技術(shù)的依賴(lài)尤為突出。
目前,全球產(chǎn)品化的傳感器種類(lèi)約有2.6萬(wàn)余種。由于缺乏制定國際標準的準則與規范,尚未制定出權威的傳感器標準類(lèi)型。其敏感機理、敏感材料、使用功能、應用領(lǐng)域等互相交錯及深度融合,難以厘清,各國及各行業(yè)圍繞標準劃分的爭論從未停止,各抒己見(jiàn)、爭論不休,從而導致產(chǎn)品名稱(chēng)混亂、種類(lèi)繁多、結構復雜、參數各異等復雜狀況。目前,行業(yè)只能劃分為簡(jiǎn)單的物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器等大的類(lèi)別。
由于敏感機理、敏感材料不同,加之工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境、使用場(chǎng)景,以及被檢測介質(zhì)與個(gè)性化參數、結構復雜等特點(diǎn),長(cháng)期以來(lái),傳感器一直處于多品種、小批量生產(chǎn)狀態(tài)。受工藝技術(shù)的分散性、復雜性影響和設備裝置價(jià)格昂貴等因素制約,業(yè)界稱(chēng)其生產(chǎn)過(guò)程為制造“工業(yè)工藝品”。各國工程技術(shù)人員圍繞著(zhù)工藝技術(shù)協(xié)同、融合,在產(chǎn)品規范化、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(chǎn)業(yè)化方面開(kāi)展了長(cháng)期的技術(shù)開(kāi)發(fā)與創(chuàng ) 新,形成了一大批不同特色的技術(shù)成果。
在美國硅谷傳感器領(lǐng)域,以MEMS工藝技術(shù)為基礎,根據不同行業(yè)和功能的需求,展開(kāi)不同封裝結構的各種傳感器產(chǎn)品創(chuàng ) 新,已經(jīng)持續了近25年,形成各種類(lèi)型傳感器產(chǎn)品,應用領(lǐng)域不斷擴展,得到了各行業(yè)的廣泛認同。正如硅谷MEMS工藝技術(shù)創(chuàng )始人丹尼斯所說(shuō):“20多年來(lái),硅谷傳感器產(chǎn)品一直都圍繞著(zhù)以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)應用需求,開(kāi)展不同結構形式封裝的產(chǎn)品創(chuàng ) 新”。因此,MEMS工藝技術(shù)是各種類(lèi)型傳感器的共性基礎工藝技術(shù),被業(yè)界稱(chēng)之為傳感器創(chuàng ) 新源泉。
目前,MEMS成熟工藝有4英寸、6英寸、8英寸、12英寸。伴隨著(zhù)半導體平面工藝更新?lián)Q代和不斷升級,工藝設備與裝置水平成熟度增強,價(jià)格不斷降低,MEMS工藝也正在向更大尺寸方向發(fā)展,工藝成熟度也隨之不斷增強。產(chǎn)品廣泛應用于物理、化學(xué)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(yè)已成熟。不僅提高了產(chǎn)業(yè)化能力,降低了產(chǎn)品成本,也大大提高了產(chǎn)品的可靠性、穩定性、一致性,使得產(chǎn)品的分散性、離散性得到了極大改善,可進(jìn)行規范化與標準化的封裝與生產(chǎn),在批量化與規?;a(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。
2011年,美國業(yè)界認為MEMS工藝已經(jīng)成熟,可以廣泛推廣應用,確立并形成了傳感器產(chǎn)業(yè)圍繞MEMS工藝技術(shù)和應用兩大方向的創(chuàng ) 新與突破:一是敏感機理創(chuàng ) 新與工藝突破。提高了MEMS工藝技術(shù)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(gè)領(lǐng)域的工藝技術(shù)創(chuàng ) 新,大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的微型化、低成本、復合型、集成度等產(chǎn)業(yè)化基礎水平。二是智能化水平提高和應用創(chuàng ) 新。在多功能集成化、模塊化構架、嵌入式能力、網(wǎng)絡(luò )化接口等方面形成了創(chuàng ) 新與突破。
這二者的突破,極大地改善了產(chǎn)用難以對接的矛盾,搭建了生產(chǎn)制造與市場(chǎng)應用的橋梁與技術(shù)通道,突破了行業(yè)在生產(chǎn)和應用長(cháng)期形成的技術(shù)壁壘和發(fā)展瓶頸。同時(shí)也提高了各行業(yè)的產(chǎn)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(chǎng)空間。
美國明確地提出傳感器智能化的三大核心技術(shù)與創(chuàng ) 新趨勢:
1.MEMS工藝技術(shù)。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(shù)與裝備、微米與亞微米級高精度控制技術(shù)、柔性生產(chǎn)工藝技術(shù)等方面不斷迭代升級與創(chuàng ) 新。
2.無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)。適應各種物聯(lián)網(wǎng)(傳感網(wǎng))技術(shù)推廣應用,在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)、移動(dòng)智能終端、5G技術(shù)標準下的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器產(chǎn)品與技術(shù)創(chuàng ) 新。把移動(dòng)(手機、車(chē)、船、飛機等)或固定物體(機床、樓宇、商場(chǎng)、家庭、山林等)作為安裝和應用傳感器的平臺和智能化節點(diǎn),實(shí)現嵌入式、多功能復合與集成、模塊化構架、網(wǎng)絡(luò )化接口等協(xié)同式創(chuàng ) 新,以滿(mǎn)足對一切物體智能化、“無(wú)人化”管理與控制的需求。

3.微能量獲取技術(shù)。傳感器智能化節點(diǎn)在室內外使用過(guò)程中,特別是野外使用環(huán)境下,供電問(wèn)題始終是在各個(gè)領(lǐng)域推廣應用的一大障礙。圍繞著(zhù)自然界風(fēng)能、光能、電磁能等微能量收集與獲取,稱(chēng)為“微能量捕捉技術(shù)”,為傳感器提供能量將成為今后技術(shù)創(chuàng ) 新又一方向。
從美國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看,呈現幾個(gè)特點(diǎn):一是在共性基礎技術(shù)上下功夫,注重新技術(shù)、新工藝應用,不斷提升品質(zhì)。二是強調傳感器網(wǎng)絡(luò )化、智能化節點(diǎn)技術(shù)、能量捕捉技術(shù)及協(xié)同創(chuàng ) 新。三是核心技術(shù)都有政府管控、扶持、資助與推動(dòng)的影子。四是重點(diǎn)推廣應用領(lǐng)域的**與帶動(dòng)作明顯,如**工業(yè)、裝備制造、物流、生態(tài)環(huán)境監控(森林防控)、移動(dòng)醫療、智能家居等。
徹底改變技術(shù)和市場(chǎng)的孤島化、碎片化問(wèn)題是傳感器產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之處。這需要借助共性基礎技術(shù)和工藝,建立生產(chǎn)可柔性化、工藝規范化、產(chǎn)品標準化的生產(chǎn)體系,尋找產(chǎn)品的配套市場(chǎng)。根據MEMS工藝技術(shù)和產(chǎn)品市場(chǎng)應用特點(diǎn),溫敏、聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、頻率等7大類(lèi)型產(chǎn)品符合產(chǎn)業(yè)化技術(shù)特點(diǎn)和市場(chǎng)規?;枨?,可實(shí)現產(chǎn)業(yè)化規模生產(chǎn)。
當下,以硅麥克風(fēng)為代表的聲敏傳感器已經(jīng)在國內外形成了十大主流特色品牌產(chǎn)品和商家(其中有瑞聲、歌爾兩家國內企業(yè)),實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化規模生產(chǎn);
在溫、濕度傳感器方面,美國、德國、瑞士、日本、中國等都有規?;a(chǎn)能力,在未來(lái)發(fā)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(shí)檢測溫濕度參數;
頻率與RF射頻、毫米波等共性工藝技術(shù)接近,而參數、功能、應用差異較大的產(chǎn)品,可在同一廠(chǎng)家實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。特別是在手機、智能交通、生物感知等應用領(lǐng)域具有爆發(fā)式增長(cháng),具有較大的誘惑力。射頻器件95%仍由歐美廠(chǎng)商主導,甚至沒(méi)有一家亞洲廠(chǎng)商進(jìn)入。為了打破行業(yè)壟斷現象,這將成為未來(lái)技術(shù)創(chuàng ) 新與競爭的焦點(diǎn)。
與國外相比,我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)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(jiàn)和片面的認識,缺乏國家戰略認識高度。由于傳感器分屬不同行業(yè)和部門(mén),存在多頭管理現象,在發(fā)展上難以取得共識,政策支持缺乏力度導致產(chǎn)業(yè)分散,產(chǎn)品不能形成系列。
在國內近5000家儀器儀表企業(yè)中,有1600多家不同程度地生產(chǎn)制造敏感元件及傳感器,其中,95%以上屬于小微企業(yè)。一方面缺乏足夠的人力、物力、工藝技術(shù)條件等資源配置,產(chǎn)業(yè)化基礎薄弱;另一方面市場(chǎng)準入門(mén)檻過(guò)高,缺乏相應的應用開(kāi)發(fā)和技術(shù)創(chuàng ) 新能力,產(chǎn)品整體技術(shù)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(lèi)產(chǎn)品相比要低1~2個(gè)數量級,無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)對企業(yè)資質(zhì)和配套能力的要求。中國目前缺乏龍頭企業(yè)**和行業(yè)帶動(dòng),缺乏國際化品牌、市場(chǎng)影響力、競爭優(yōu)勢和基礎研究能力,導致行業(yè)內專(zhuān)業(yè)化企業(yè)數不足3%;核心芯片大都依賴(lài)進(jìn)口,中上等產(chǎn)品幾乎100%進(jìn)口;整體工藝技術(shù)水平落后國外先進(jìn)國家10年~15年。
目前國內傳感器產(chǎn)值過(guò)億元的僅占企業(yè)總數的13%,國內不足200家。針對國內產(chǎn)業(yè)現狀和行業(yè)特點(diǎn)及存在問(wèn)題,結合傳感器技術(shù)工藝特征,業(yè)內期待在經(jīng)濟發(fā)達和具有技術(shù)優(yōu)勢的地區,聚集國內外數十家及更多的傳感器專(zhuān)業(yè)性公司和科研院所,組成具有產(chǎn)品技術(shù)工藝特色和產(chǎn)業(yè)化規模優(yōu)勢,以及國際市場(chǎng)影響力的產(chǎn)業(yè)集群或基地,形成年銷(xiāo)售額1000億元人民幣(150億美元)以上、年增長(cháng)率高于20%的國際化傳感器特色產(chǎn)業(yè)園區。形成以敏感元器件為核心,智能化、網(wǎng)絡(luò )化、模塊化等集成應用為創(chuàng ) 新主體,物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市為應用目標的產(chǎn)業(yè)鏈構架(產(chǎn)業(yè)生態(tài)),同時(shí)具備政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、服六維一體生態(tài)環(huán)境,實(shí)現產(chǎn)業(yè)化集群式發(fā)展,形成我國傳感器“雙生態(tài)”產(chǎn)業(yè)鏈,具有產(chǎn)業(yè)特色明顯和區位優(yōu)勢突出的國際傳感器產(chǎn)業(yè)園——傳感谷。