万物之眼：传感器的时代
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转自：知识自动化（zhishipai）
作者：郭源生：九三中央科技委副主任，中国传感器与物联网产业联盟副理事长，工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师
人类步入21世纪，全面进入信息时代，从一定意义上讲，也就进入了传感器时代。在现代控制系统中，传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置，可直接或间接接触被测对象，是信息输入的“窗口”，是万物互联的眼睛，是数据信息获取的唯一功能器件，直接影响和决定系统的性能优劣。特别是当前备受国际关注的物联网、大数据、云计算技术，乃至智慧城市中的各种技术实现，对于传感器技术的依赖尤为突出。
目前，全球产品化的传感器种类约有2.6万余种。由于缺乏制定国际标准的准则与规范，尚未制定出权威的传感器标准类型。其敏感机理、敏感材料、使用功能、应用领域等互相交错及深度融合，难以厘清，各国及各行业围绕标准划分的争论从未停止，各抒己见、争论不休，从而导致产品名称混乱、种类繁多、结构复杂、参数各异等复杂状况。目前，行业只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。
由于敏感机理、敏感材料不同，加之工业现场环境、使用场景，以及被检测介质与个性化参数、结构复杂等特点，长期以来，传感器一直处于多品种、小批量生产状态。受工艺技术的分散性、复杂性影响和设备装置价格昂贵等因素制约，业界称其生产过程为制造“工业工艺品”。各国工程技术人员围绕着工艺技术协同、融合，在产品规范化、性能归一化、功能集成化、结构标准化，以及工艺设备和工装夹具的产业化方面开展了长期的技术开发与创新，形成了一大批不同特色的技术成果。
在美国硅谷传感器领域，以MEMS工艺技术为基础，根据不同行业和功能的需求，展开不同封装结构的各种传感器产品创新，已经持续了近25年，形成各种类型传感器产品，应用领域不断扩展，得到了各行业的广泛认同。正如硅谷MEMS工艺技术创始人丹尼斯所说：“20多年来，硅谷传感器产品一直都围绕着以硅基材料为主体的MEMS芯片和不同行业领域的市场应用需求，开展不同结构形式封装的产品创新”。因此，MEMS工艺技术是各种类型传感器的共性基础工艺技术，被业界称之为传感器创新源泉。
目前，MEMS成熟工艺有4英寸、6英寸、8英寸、12英寸。伴随着半导体平面工艺更新换代和不断升级，工艺设备与装置水平成熟度增强，价格不断降低，MEMS工艺也正在向更大尺寸方向发展，工艺成熟度也随之不断增强。产品广泛应用于物理、化学和生物传感器中，在声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏等传感器中的应用业已成熟。不仅提高了产业化能力，降低了产品成本，也大大提高了产品的可靠性、稳定性、一致性，使得产品的分散性、离散性得到了极大改善，可进行规范化与标准化的封装与生产，在批量化与规模化生产中发挥了重要作用。
2011年，美国业界认为MEMS工艺已经成熟，可以广泛推广应用，确立并形成了传感器产业围绕MEMS工艺技术和应用两大方向的创新与突破：一是敏感机理创新与工艺突破。提高了MEMS工艺技术在材料与工艺结构等基础理论与应用水平，比如在晶体与非晶体、各种半导体材料应用；在硅-硅键合工艺、硅薄膜工艺、金属薄膜工艺等多个领域的工艺技术创新，大大提高了产品生产的微型化、低成本、复合型、集成度等产业化基础水平。二是智能化水平提高和应用创新。在多功能集成化、模块化构架、嵌入式能力、网络化接口等方面形成了创新与突破。
这二者的突破，极大地改善了产用难以对接的矛盾，搭建了生产制造与市场应用的桥梁与技术通道，突破了行业在生产和应用长期形成的技术壁垒和发展瓶颈。同时也提高了各行业的产品自主选择和应用设计能力，大大刺激了应用需求，拓展了市场空间。
美国明确地提出传感器智能化的三大核心技术与创新趋势：
1.MEMS工艺技术。在微型化、低功耗、低成本、多材料复合、多参数融合，在大片集成工艺技术与装备、微米与亚微米级高精度控制技术、柔性生产工艺技术等方面不断迭代升级与创新。
2.无线网络化技术。适应各种物联网（传感网）技术推广应用，在工业互联网、人工智能技术、移动智能终端、5G技术标准下的无线网络化传感器产品与技术创新。把移动（手机、车、船、飞机等）或固定物体（机床、楼宇、商场、家庭、山林等）作为安装和应用传感器的平台和智能化节点，实现嵌入式、多功能复合与集成、模块化构架、网络化接口等协同式创新，以满足对一切物体智能化、“无人化”管理与控制的需求。
图1：传感器智能化的三大核心技术
3.微能量获取技术。传感器智能化节点在室内外使用过程中，特别是野外使用环境下，供电问题始终是在各个领域推广应用的一大障碍。围绕着自然界风能、光能、电磁能等微能量收集与获取，称为“微能量捕捉技术”，为传感器提供能量将成为今后技术创新又一方向。
从美国传感器产业发展来看，呈现几个特点：一是在共性基础技术上下功夫，注重新技术、新工艺应用，不断提升品质。二是强调传感器网络化、智能化节点技术、能量捕捉技术及协同创新。三是核心技术都有政府管控、扶持、资助与推动的影子。四是重点推广应用领域的引领与带动作明显，如军事工业、装备制造、物流、生态环境监控（森林防控）、移动医疗、智能家居等。
彻底改变技术和市场的孤岛化、碎片化问题是传感器产业化的关键之处。这需要借助共性基础技术和工艺，建立生产可柔性化、工艺规范化、产品标准化的生产体系，寻找产品的配套市场。根据MEMS工艺技术和产品市场应用特点，温敏、声敏、力敏、光敏、气敏、磁敏、频率等7大类型产品符合产业化技术特点和市场规模化需求，可实现产业化规模生产。
当下，以硅麦克风为代表的声敏传感器已经在国内外形成了十大主流特色品牌产品和商家（其中有瑞声、歌尔两家国内企业），实现了产业化规模生产；
在温、湿度传感器方面，美国、德国、瑞士、日本、中国等都有规模化生产能力，在未来发展中温湿度将复合在其他物理量传感器之中，比如力敏、磁敏传感器中，可同时检测温湿度参数；
频率与RF射频、毫米波等共性工艺技术接近，而参数、功能、应用差异较大的产品，可在同一厂家实现产业化。特别是在手机、智能交通、生物感知等应用领域具有爆发式增长，具有较大的诱惑力。射频器件95%仍由欧美厂商主导，甚至没有一家亚洲厂商进入。为了打破行业垄断现象，这将成为未来技术创新与竞争的焦点。
与国外相比，我国传感器产业发展缓慢的原因主要是认识上的差距所致。对传感器带有偏见和片面的认识，缺乏国家战略认识高度。由于传感器分属不同行业和部门，存在多头管理现象，在发展上难以取得共识，政策支持缺乏力度导致产业分散，产品不能形成系列。
在国内近5000家仪器仪表企业中，有1600多家不同程度地生产制造敏感元件及传感器，其中，95%以上属于小微企业。一方面缺乏足够的人力、物力、工艺技术条件等资源配置，产业化基础薄弱；另一方面市场准入门槛过高，缺乏相应的应用开发和技术创新能力，产品整体技术水平和参数性能指标，特别是可靠性、稳定性指标与国外同类产品相比要低1～2个数量级，无法满足市场对企业资质和配套能力的要求。中国目前缺乏龙头企业引领和行业带动，缺乏国际化品牌、市场影响力、竞争优势和基础研究能力，导致行业内专业化企业数不足3%；核心芯片大都依赖进口，中高档产品几乎100％进口；整体工艺技术水平落后国外先进国家10年～15年。
目前国内传感器产值过亿元的仅占企业总数的13%，全国不足200家。针对国内产业现状和行业特点及存在问题，结合传感器技术工艺特征，业内期待在经济发达和具有技术优势的地区，聚集国内外数十家及更多的传感器专业性公司和科研院所，组成具有产品技术工艺特色和产业化规模优势，以及国际市场影响力的产业集群或基地，形成年销售额1000亿元人民币（150亿美元）以上、年增长率高于20%的国际化传感器特色产业园区。形成以敏感元器件为核心，智能化、网络化、模块化等集成应用为创新主体，物联网、智慧城市为应用目标的产业链构架（产业生态），同时具备政、产、学、研、用、服六维一体生态环境，实现产业化集群式发展，形成我国传感器“双生态”产业链，具有产业特色明显和区位优势突出的国际传感器产业园——传感谷。
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