中國傳感器的創新發展

文/李萍、羅云、杜寧寧

傳感器技術、通信技術和計算機技術構成現代信息技術的三大支柱，是衡量國家信息化程度的重要標志。傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

我國傳感器產業經歷了一個艱難探索和創新發展的過程

我國傳感器產業走出一條從無到有，引進技術和自主研發相結合，從結構型傳感器、固體型傳感器到智能型傳感器的發展道路，大致可分為四個階段。

第一階段：20世紀50年代到70年代，傳感器技術探索和起步階段

我國傳感器技術的發展起始于50年代初期，當時主要是以仿制蘇聯的機械式或機電式傳感器為主,不少成果停留在實驗研究階段。50年代末出現第一只半導體熱敏電阻；60年代研制出應變計、霍爾器件和離電極；70年代研制出擴散硅力敏元件、砷化稼霍爾元件、碳化硅熱敏電阻等新型傳感器。1972年建成了中國第一批壓阻傳感器研制生產單位，誕生中國第一個固態壓阻加速度傳感器。

第二階段：80年代到90年代，傳感器產業格局初步形成

從1986年開始，傳感器被列入國家攻關計劃，投入了以機械敏、力敏、氣敏、溫敏、生物敏為主的5大敏研究，研制出集成傳感器、光纖傳感器、高分子傳感器和多種功能材料。1987年高等院校成立了傳感器研究會，國家標準《傳感器名詞術語》頒布。

第三階段：2000年到2015年，國產傳感器替代進口達到國際先進水平

我國已經形成了較為完整的傳感器產業鏈。MEMS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投入生產。自主研發的霍爾傳感器應用于航空航天領域，標志著我國傳感器已經替代進口，達到國際先進水平。

第四階段：2015年以來，政策引領傳感器產業迎來黃金發展期

2015年5月國務院頒布《中國制造2025》，2017年11月工信部頒布《智能傳感器產業三年行動指南（2017－2019年）》，都對傳感器產業特別是高端智能傳感器的發展提出明確要求。相信不久的將來，我國傳感器技術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。

精心布局和培育科研創新體系，催生科研和產業化成果涌現

為趕超國際先進水平，提高我國傳感器的技術水平，從“七五”開始，國家組織實施了一系列科技計劃，建立傳感技術研發和產業化創新體系，取得眾多擁有自主知識產權的科技成果。

1.頂層設計建立研發和產業化的創新體系

為了加快我國傳感器技術的發展，頂層設計建立了國家重點實驗室、國家工程研究中心和專業研發基地。依托中科院電子學研究所和中科院上海微系統與信息技術研究所，分別建立了傳感技術北方和南方國家重點實驗室，確立了光傳感器基地、厚膜傳感器基地、氣敏傳感器基地、生物傳感器基地 4個試驗基地。依托沈陽儀器儀表工藝研究所建立了傳感器國家工程研究中心。

此外，四川省航空傳感器工程技術研究中心、西安傳感器工程技術研究中心、北京信息工程學院傳感技術研究中心、江蘇省MEMS加速度傳感器工程技術研究中心、山西省測控技術與新型傳感器工程技術研究中心、廣東省無源射頻識別及傳感器集成電路應用工程技術研究中心、微納慣性傳感與集成技術教育部工程研究中心、江蘇省霍爾傳感器工程技術研究中心、東南大學傳感器網絡技術研究中心等相繼成立。

2.科技攻關奠定堅實的技術基礎

我國傳感器產品經歷了三代：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；第二代是固體型傳感器，由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成。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；第三代是智能型傳感器，是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物，使傳感器具有人工智能。

科技攻關為我國傳感器發展打下了堅實的技術基礎。1986—2000年，科技攻關完成科技成果267項，獲得專利42項。開發了51個品種86個規格的新產品，90%的成果進入市場，實現了批量或小批量生產。傳感器的共性關鍵技術包括 CAD 技術、關鍵制造工藝、微機械加工技術、可靠性技術在生產中得到應用，產品的成品率提高10%以上，可靠性水平提高1—2個等級，總體水平達到國外90年代中期的先進水平。其中新型本征半導電高分子壓力溫度雙參數傳感器達到國際領先水平，獲得國家發明二等獎。

在此基礎上，涌現出“機器人用低成本全向視覺傳感器及示范應用”“高鐵用微納傳感器與軸承裝備研制與應用”“光纖高溫高壓井筒測試技術”“先進光纖傳感器系統研制及應用”“汽車電子穩定程序（ESP）微傳感器及系統”一批具有自主知識產權的重要科技成果。

“十二五”國家科技支撐計劃“高鐵用微納傳感器與軸承裝備研制與應用”項目突破了高鐵機車用微納傳感器電磁防護和耐高壓等關鍵技術，研制出高鐵機車用壓力傳感器和振動傳感器，建成傳感器生產線，解決了傳感器在溫度變化、震動沖擊、電壓沖擊、電磁干擾等高鐵極端環境應用的可靠性技術問題，促進了我國高速電氣化鐵路產業所需傳感器技術的發展；項目研發還突破了該類機床關鍵功能部件、制造工藝、數控技術、磨削工藝和相關核心技術，研制定型的鐵路軸承內外套圈精密磨削成套裝備，為軸承行業重載鐵路軸承的穩定生產和高鐵軸承的研制提供了有力支撐，裝備的技術水平不僅推動我國高鐵和重載貨運列車關鍵零部件的國產化，而且可推動我國高端數控裝備技術水平的提升。

國家863計劃“先進光纖傳感器系統研制及應用”課題攻克了特種光纖、寬譜光源、單頻光纖激光器、光纖陀螺環、高速高精度解調儀等基礎器件和關鍵技術，突破了大電流、位置（包括導航、姿態和大型復雜機械裝備運行狀態）、應力、溫度等多物理量測量用的基礎器件和多項系統關鍵技術，實現了保偏-光子晶體-摻稀土光纖等特種光纖技術集成，填補了我國相關領域應用光纖傳感器件的空白，研發出系列光纖傳感器，可廣泛應用于國防、航空航天、智能電網、物聯網等多領域，對于我國工業、國防及其他眾多高技術領域的發展具有十分重要的戰略意義。

集聚產業發展格局,打造傳感器制造新高地

經過多年的持續發展，我國傳感器產業已形成長三角、珠三角、東北、京津等產業聚集區。長三角區域，以上海、無錫、南京為中心，逐漸形成包括熱敏、磁敏、圖像、稱重、光電、溫度、氣敏等較為完備的傳感器生產體系及產業配套。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組成以熱敏、磁敏、超聲波、稱重為主的傳感器產業體系。東北地區，以沈陽、長春、哈爾濱為主，主要生產MEMS力敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器。京津區域，主要以高校為主，從事新型傳感器的研發，在某些領域填補國內空白。

我國傳感器已經形成完整的產業體系，已有2000多家企事業單位從事傳感器的研發、設計、生產到應用，其中從事微機電系統MEMS研制、生產的企業有50多家，共有10大類42小類6000多種傳感器產品。隨著業內公司的兼并重組，產業格局將進一步走向聚集，涌現出歌爾股份、青鳥元芯、華潤半導體、廣微積電、敏芯微電子、納微電子、中星測控、芯敏微系統、中旭電子、漢威科技等一批領軍和骨干企業。

北京青鳥元芯微系統科技有限責任公司由北大青鳥集團和北大宇環公司共同投資組建，以北大微電子學研究院“微米/納米加工技術國家級重點實驗室”為技術依托，專門從事微型傳感器的研發和生產。公司是國內第一家采用MEMS技術批量生產微型傳感器的企業，批量生產系列化微型濕度傳感器及模塊、MEMS壓力傳感器芯片、MEMS壓力傳感器、加速度傳感器及相關傳感器模塊和解決方案。各種微型傳感器芯片均采用具有國際先進水平的MEMS設備生產，生產能力達到月產傳感器100萬只以上；產品的測試環境也居國內先進水平。

上海芯敏微系統技術有限公司是一家從事基于MEMS（微機電系統）技術的傳感器芯片的研發、生產和銷售公司，在MEMS壓力傳感器及MEMS紅外熱電堆的研發、設計和生產能力方面達到國內領先水平。公司建立了擴散硅的DIE-壓力傳感器芯片-壓力傳感器模塊的完整產品線，能為客戶提供壓力傳感器die（裸片）、so-8和dip-6的塑封芯片、高精度寬溫壓力傳感器模組，在電子血壓計、胎壓計、汽車進氣壓力傳感器等細分市場處于國內領先地位。擁有自主知識產權的紅外熱堆集成了200對熱電偶，達到國際先進水平，提高了對紅外線的靈敏度，并在熱堆基礎上開發了紅外CO2傳感器模組，大量應用于教學裝備、新風系統、室內環境監測、農業大棚、智能樓宇等領域。

南京中旭電子科技有限公司是專營霍爾元器件及霍爾傳感器的主要骨干企業，已成為裝備部、工信部、航天工業總公司、船舶工業總公司唯一定點的軍用霍爾元器件、霍爾傳感器的科研生產單位。公司為國家重點軍工項目配套的軍用霍爾傳感器已達數百種，其中有為神舟飛船、風云號衛星、東方紅通信衛星、嫦娥衛星、探月工程、飛機、船艦等配套生產的霍爾電流、電壓傳感器、位置傳感器和霍爾集成電路。民用產品方面，已廣泛應用于儀器、儀表、家電、紡織、印刷、機車、電動車、汽車、郵電通、電力等行業和領域，產品品質在同行業領域中遙遙領先，獲得了有關部門和單位的表彰和嘉獎。

傳感器滲透到國民經濟的各個領域，并保持快速持續增長

傳感器滲透到國民經濟的各個領域，物聯網、云計算、大數據、人工智能應用的興起，推動傳感技術由單點突破向系統化、體系化的協同創新轉變。我國傳感器根據應用領域可分為工業、汽車電子、通信電子、消費電子四大類。其中，工業和汽車電子產品用傳感器占比約為42%，而發展最快的是汽車電子和通信電子應用市場。根據用途則可分為力敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、加速度傳感器、生物傳感器等。MEMS智能傳感器已滲透到國民經濟的各個層面，并保持快速、持續增長。據賽迪顧問2014—2021年中國傳感器市場情況報告預測，2021年中國傳感器市場規模將達到2951.8億元。

1.霍爾傳感器在汽車工業上的應用

霍爾傳感技術包括動力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動系統，主要有開關式、模擬式和數字式傳感器三種形式。在汽車發動機點火系統中，用霍爾開關電路構成霍爾翼片傳感器，放在分流電氣中，取代機械斷電器，作點火脈沖觸發器。在汽車分電器中，將翼片連接在凸輪軸上，傳感器固定于分電器底板上。當翼片磁移入氣隙時給出一高電平，移出氣隙時給出一低電平，形成規矩波，利用下降沿或上升沿觸發點火電路，進行點火。在防抱死制動系統（ABS，ABS是汽車中廣泛使用的行車安全裝置）中，采用霍爾傳感器制作的速度傳感器，在整個車速范圍內信號幅值恒定，即使速度為零，信號幅值仍保持不變。這些輸出信號可做牽引控制、速度表、里程表、導航系統及發動機和變速器的管理。在機車測速中，霍爾傳感器通過測量磁場強度，得到穩定的脈沖方波信號，實現機車轉速的測量。具有靈敏度高、線性度好、穩定性高、體積小和耐高溫等特點。

2.傳感器在農業上的應用

農業傳感器包括生命信息傳感器和環境傳感器。生命信息傳感器主要是通過對植物生長過程中氮元素、植物信息指標和農藥化肥等含量的分析，判斷植物的生長情況，展示植物的生長信息和生理信息，并對植物的生長體征進行數字化處理。環境傳感器則是對植物生長所需要的水、土壤、空氣等進行監控，及時了解外部環境的變化，重點對作物土壤環境進行檢測，并對環境因素進行綜合檢測和評估，以便為農作物的健康成長創造更好的條件，促進農作物管理質量的提升。農業中所用的傳感器種類主要有溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、pH值傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、生物傳感器等，應用于育種、農產品分類、農產品儲藏、農機化、禽畜飼養、氣象及環境監測、遙感等領域。

3.傳感器在現代醫學及診療上的應用

醫用傳感器按制作材料不同可分為壓電單晶轉換器、壓電薄膜換能器、復合材料換能器等。應用醫用傳感器可以對人體的表面和內部溫度、血壓及腔內壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈波及心音、心腦電波等進行高難度的診斷。由于X射線的波長比電磁波、光波的波長更短，能量更大，對人體的穿透性很強，因此X射線傳感器正在醫學檢測上發揮其獨特的優勢，廣泛應用于醫學CT、CR、DR等醫療設備中，并在人體骨骼、顱腦等部位檢查中發揮了重大作用。醫用傳感器在呼吸機、血液分析器、多參數監護儀器、核磁共振儀、心腦電導聯系統、心血管系統治療裝置等方面也擔負重要角色。

4.傳感器在物聯網上的應用

物聯網的感應機構就是傳感器，盡管常見的傳感器已有幾十年的歷史而且在現代工業中廣泛應用，但近年物聯網的發展又為傳感器創造出更多前所未有的新的應用領域，使它們完全突破了既有的用法和應用范圍，通過功能強大的云軟件平臺為設備、操作者和環境等形成智能化解決方案。目前廣泛應用于物聯網的傳感器有：溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、聲音傳感器、液位傳感器、存在與接近傳感器、運動傳感器、陀螺儀傳感器、化學傳感器、圖像傳感器、心律傳感器、MEMS 傳感器等。

5.傳感器在生活上的應用

現代生活中普遍應用著傳感器。傳感器在電子爐灶、自動電飯鍋、吸塵器、空調器、電子熱水器、熱風取暖器、風干器、報警器、電熨斗、電風扇、游戲機、電子驅蚊器、洗衣機、洗碗機、手機、電冰箱、彩色及平板電視機、錄像機、錄音機、收音機、影碟機及家庭影院等方面得到了廣泛的應用。高精度傳感器使家用電器更加方便、安全、可靠，并減少能源消耗。

我國在傳感器研究開發、設計、制造、可靠性改進等方面獲得長足的進步，取得了一批可喜的為世界矚目的科研和產業化成果。但從總體上講，它還不能完全適應我國經濟與科技的迅速發展，我國不少傳感器信號處理和識別系統仍然依賴進口，大片市場被國外產品所占領。目前，我國傳感技術正處于由傳統傳感器向新型傳感器發展的關鍵階段，傳感器更新換代快、需求量大且增長速度快。為此，國內傳感器的研究開發應重視基礎性研究，針對中試規模的新產品，在攻克制造工藝技術的前提下，進行工藝穩定性研究及市場應用研究，開展產業化技術及配套技術研究。還應加強具有自主知識產權的新型傳感器的開發，加速現有科研成果的轉化和產業化，迅速提高國有傳感器的市場占有率。