傳感器與通信、計算機被稱為現(xiàn)代信息技術的三大支柱和物聯(lián)網(wǎng)基礎，其應用涉及國民經(jīng)濟及國防科研的各個領域，是國民經(jīng)濟基礎性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，直接影響到國防安全、經(jīng)濟安全和社會安全。在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，傳感器處于連接被測對象和測試系統(tǒng)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”，是數(shù)據(jù)信息獲取的唯一功能器件，直接影響和決定著系統(tǒng)的功能和性能優(yōu)劣，許多控制系統(tǒng)因數(shù)據(jù)采集障礙而無法實現(xiàn)功能。通俗地講，如果把計算機比喻為人的“大腦”，通信比喻成為“神經(jīng)系統(tǒng)”，那么傳感器就是 “五官”和“皮膚”，承擔著“感知”環(huán)境一切參數(shù)和任何數(shù)據(jù)信息。特別是當前倍受國際關注的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術，乃至智慧城市中的各種技術實現(xiàn)，對于傳感器技術的依賴尤為突出。
國內外發(fā)展歷程與現(xiàn)狀
20世紀70年代初，西方發(fā)達國家大力發(fā)展計算機與通訊技術，忽視了傳感器技術發(fā)展，造成了“大腦”發(fā)達，而“五官”遲鈍的窘境，傳感器產(chǎn)業(yè)相對慘淡。80年代初，美、日、德、法、英等國家相繼確立加速傳感器技術發(fā)展的方針，視為涉及科技進步、經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的關鍵技術，紛紛列入長遠發(fā)展規(guī)劃和重點計劃之中。傾注人力和物力投資，以年10%-30%的增長率高速發(fā)展，在工藝技術與產(chǎn)品上有了明顯的突破，形成了技術領先優(yōu)勢，占據(jù)了國際主要市場。并采取嚴格的保密規(guī)定對技術封鎖和控制，禁止技術出口，尤其是針對中國。
日本1979年在《對今后十年值得注意的技術》中列為首位；美國國防部1985年公布的二十項軍事關鍵技術中，被列為第十四項；《星球大戰(zhàn)》計劃、歐洲《尤里卡》計劃、前蘇聯(lián)《軍事航天》計劃，英、法、德等國家高技術領域發(fā)展規(guī)劃中均將傳感器列為重點發(fā)展技術，并將其科研成果和制造工藝與裝備列入國家核心技術。美國認為，計算機技術是核心，敏感技術、光電子技術是關鍵和重點，新材料、微電子技術是支撐和基礎。通信與計算機結合，以及多元化、新技術的融合代表著美國信息技術發(fā)展方向。1991年4月美國政府公布的《國家關鍵技術》報告中，確定了6個領域22項關鍵技術。其中包括傳感器和信號處理，以及與信息技術相關的材料技術、加工工藝等。2003年美國商業(yè)周刊“未來技術發(fā)展報告”中，傳感器列為21世紀最具影響和改變世界10大新技術之一。福布斯認為，當前，甚至今后幾十年內，影響和改變著世界經(jīng)濟格局和人們生活方式的10大科技產(chǎn)品，傳感器列為10大科技產(chǎn)品之首。美國國家科學發(fā)展基金會認為，“80年代個人電腦把運算簡化到人們手指尖上；90年代互聯(lián)網(wǎng)技術把人們對信息的需求通過網(wǎng)絡變得全球化；本世紀的重大變革就是：通過網(wǎng)絡，把物質世界聯(lián)接起來，并賦予它一個電子神經(jīng)系統(tǒng)，使它具有能夠感知信息的生命，而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。每年度財政預算約有69億美元，用于傳感器基礎技術與應用研究，稱其為“Sensor Revolution”（即：傳感器革命）。
目前國際上缺乏制定國際標準的準則與規(guī)范，尚未制定出權威性的傳感器標準類型。其敏感機理、敏感材料、使用功能、應用領域等互相交錯及深度融合，難以厘清，各國及行業(yè)圍繞著標準劃分的爭論從未停滯，各抒己見、爭論不休，從而導致產(chǎn)品名稱混亂、種類繁多、結構復雜、參數(shù)各異等復雜狀況，只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。
例如，物理傳感器有：聲、力、光、磁、溫、濕、電、射線等等；化學傳感器有：各種氣敏、酸堿PH值、離子化、極化、化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象等等；生物傳感器有：酶電極和介體生物電等等。然而物理、化學、生物傳感器中的材料、機理、參數(shù)、模型上往往互相滲透、融合，技術、工藝相互交叉現(xiàn)象較為普遍，像力敏、位置、液面、能耗、速度、熱敏、加速度、射線輻射、振動、濕敏、磁敏、氣敏、真空度、生物等傳感器在功能上，壓電效應、磁致伸縮、熱電、光電、磁電效應、電化學反應、熱敏、場效應、壓電、光學、聲波道等等，在產(chǎn)品用途和形成過程中的因果關系互相咬合，既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類，難以嚴格劃分。
常用傳感器分類和命名方式，主要有以下幾種類型：
（1）按轉換原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。
（2）按傳感器的檢測信息來分可分為聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。
（3）按照供電方式可分為有源或無源傳感器。
（4）按其輸出信號可分為模擬量輸出、數(shù)字數(shù)字量輸出和開關量傳感器。
（5）按傳感器使用的材料可分為：半導體材料；晶體材料；陶瓷材料；有機復合材料；金屬材料；高分子材料；超導材料；光纖材料；納米材料等傳感器。
（6）按能量轉換可分為能量轉換型傳感器和能量控制型傳感器。
（7）按照其制造工藝，可分為機械加工工藝；復合與集成工藝；薄膜、厚膜工藝；陶瓷燒結工藝；MEMS工藝；電化學工藝等傳感器。
全球產(chǎn)品化的傳感器種類約有2.6萬余種，我國已經(jīng)擁有約1.4萬多種，大多為常規(guī)類型和品種；7000多種可產(chǎn)品化，而在醫(yī)療、科研、微生物、化學分析等特殊品種上仍有短缺和空白，存在著較大的技術創(chuàng)新空間。
共性基礎工藝與三大技術創(chuàng)新趨勢
眾所周知，由于敏感機理、敏感材料不同，加之工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、使用場景，以及被檢測介質與個性化參數(shù)、結構等復雜性要求等特點，長期以來傳感器一直處于多品種小批量生產(chǎn)狀態(tài)，結合工藝技術的分散性、復雜性影響和設備裝置價格昂貴等因素制約，業(yè)界稱其生產(chǎn)過程為制造“工業(yè)工藝品”。各國工程技術人員圍繞著工藝技術協(xié)同、融合，在產(chǎn)品規(guī)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)化方面展開了長期的技術開發(fā)與創(chuàng)新，形成了一大批不同特色和特點的技術成果。
在美國硅谷傳感器領域，圍繞著以MEMS工藝技術為基礎，根據(jù)不同行業(yè)和功能的需求，展開的不同封裝結構的各種傳感器產(chǎn)品創(chuàng)新，已經(jīng)持續(xù)了近25年，形成的千奇百怪、五花八門的各種類型傳感器產(chǎn)品，應用領域不斷擴展，得到了各行業(yè)的廣泛認同與接受。正如硅谷MEMS工藝技術創(chuàng)始人丹尼斯先生所說：“20多年來，硅谷傳感器產(chǎn)品一直都是圍繞著以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業(yè)領域的市場應用需求，開展不同結構形式的封裝的產(chǎn)品競爭與創(chuàng)新”。因此，MEMS工藝技術是各種類型傳感器的共性基礎工藝技術，被業(yè)界稱之為傳感器創(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和價格不斷降低，MEMS工藝也正在向更大尺寸創(chuàng)新發(fā)展，工藝成熟度也隨之不斷增強。產(chǎn)品涉及并廣泛應用于物理、化學和生物傳感器中，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，也大大的提高了產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、一致性，使得產(chǎn)品的分散性、離散性得到了極大改善，可進行規(guī)范化與標準化的封裝與生產(chǎn)，在批量化與規(guī)?；a(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。2011年，美國行業(yè)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工藝技術和應用兩大方向創(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領域的工藝技術創(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)絡化接口等形成了創(chuàng)新與突破。極大地改善了產(chǎn)用難以對接的矛盾，搭建了生產(chǎn)制造與市場應用橋梁與技術通道，突破了行業(yè)在生產(chǎn)和應用長期形成的技術壁壘和發(fā)展瓶頸。同時也提高了各行業(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，拓展了市場空間。
同時，美國還明確了傳感器智能化的三大核心技術與創(chuàng)新趨勢：
1、MEMS工藝技術：在微型化、低功耗、低成本、多材料復合、多參數(shù)融合；大片集成工藝技術與裝備、微米與亞微米級高精度控制技術、柔性生產(chǎn)工藝技術不斷迭代升級與創(chuàng)新。
2、無線網(wǎng)絡化技術：為適應各種物聯(lián)網(wǎng)（傳感網(wǎng)）技術推廣應用，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術、移動智能終端、5G技術標準下的無線網(wǎng)絡化傳感器產(chǎn)品與技術創(chuàng)新。把移動（手機、車、船、飛機等）或固定物體（機床、樓宇、商場、家庭、山林等）作為安裝和應用傳感器的平臺和智能化節(jié)點，實現(xiàn)嵌入式、多功能復合與集成、模塊化構架、網(wǎng)絡化接口等協(xié)同式創(chuàng)新，以滿足對一切物體智能化、“無人化”管理與控制的需求。
3、微能量獲取技術：傳感器智能化節(jié)點在室內外使用過程中，特別是野外使用環(huán)境下，供電問題始終是各個領域推廣應用的一大障礙。圍繞著自然界風能、光能、電磁能等微能量收集與獲取，稱為“微能量捕捉技術”，為傳感器供成為今后技術創(chuàng)新又一方向。
從美國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，呈現(xiàn)幾個特點：一是在共性基礎技術上下功夫，并注重新技術、新工藝創(chuàng)新應用，不斷提升品質。二是強調傳感器網(wǎng)絡化、智能化節(jié)點技術、能量捕捉技術及協(xié)同創(chuàng)新。三是核心技術都有政府管控、扶持、資助與推動的影子。四是重點推廣應用領域的引領與帶動作明顯。如軍事工業(yè)、裝備制造、物流、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控（森林防控）、移動醫(yī)療、智能家居等。
產(chǎn)業(yè)化生態(tài)體系與環(huán)境建設
借助共性基礎技術和工藝，建立生產(chǎn)可柔性化、工藝規(guī)范化、產(chǎn)品標準化的生產(chǎn)體系，尋找產(chǎn)品的配套市場，徹底改變技術和市場的孤島化、碎片化問題是傳感器產(chǎn)業(yè)化的關鍵之處。根據(jù)MEMS工藝技術和產(chǎn)品市場應用特點，溫敏、聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、頻率等7大類型產(chǎn)品符合產(chǎn)業(yè)化技術特點和市場規(guī)?；枨?，可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
另外，以硅麥克風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、歌爾國內兩家企業(yè)），實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)；溫、濕度傳感器美國、德國、瑞士、日本、中國等國家都有規(guī)模化生產(chǎn)能力，在未來發(fā)展中溫濕度將復合在其他物理量傳感器之中，比如，力敏、磁敏可同時檢測溫濕度參數(shù)；頻率含RF射頻、毫米波等共性工藝技術接近、而參數(shù)、功能、應用差異較大的產(chǎn)品，可在同一廠家實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。特別是在手機、智能交通、生物感知等應用領域具有爆發(fā)式增長，具有較大的誘惑力。射頻器件95%仍是歐美廠商主導，甚至沒有一家亞洲廠商進入。為了打破行業(yè)壟斷現(xiàn)象，這將成為未來技術創(chuàng)新與競爭的焦點。
與國外相比，我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢主要是認識上的差距所致！對傳感器帶有偏見和片面的認識，缺乏國家戰(zhàn)略認識高度。由于傳感器分屬不同行業(yè)和部門，存在多頭管理，在發(fā)展上難于取得共識，管理亂象，政策支持缺乏力度導致產(chǎn)業(yè)分散，產(chǎn)品不能成為系列化；1200多家企業(yè)中95%以上屬于小微企業(yè)，一方面缺乏足夠的人力、物力、工藝技術條件等資源配置，產(chǎn)業(yè)化基礎薄弱；另一方面市場準入門檻過高，缺乏相應的應用開發(fā)和技術創(chuàng)新能力，產(chǎn)品整體技術水平和參數(shù)性能指標，特別是可靠性、穩(wěn)定性指標與國外同類產(chǎn)品相比要低1～2個數(shù)量級，無法滿足市場對企業(yè)資質和配套能力的要求。第三是缺乏龍頭企業(yè)引領和行業(yè)帶動，缺乏國際化品牌、市場影響力、競爭優(yōu)勢和基礎研究能力，導致行業(yè)內專業(yè)化企業(yè)數(shù)不足3%；核心芯片大都依賴進口，中高檔產(chǎn)品幾乎100％進口。整體工藝技術水平落后國外先進國家10～15年。
針對國內外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對比和行業(yè)特點及存在問題，結合傳感器技術工藝特征，業(yè)內期待在經(jīng)濟、技術優(yōu)勢和發(fā)達地區(qū)，聚集國內外數(shù)十家以上的傳感器專業(yè)性公司和科研院所，組成具有產(chǎn)品技術工藝特色和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模優(yōu)勢，以及國際市場影響力的產(chǎn)業(yè)集群或基地，形成年銷售額1000億元人民幣（150億美元）以上，并以年增長大于20%速度增長的國際化傳感器特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)。形成以敏感元器件為核心，智能化、網(wǎng)絡化、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)），同時具備政、產(chǎn)、學、研、用、服六維一體生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)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(qū)位優(yōu)勢突出的國際傳感器產(chǎn)業(yè)園——即“傳感谷”。
作者郭源生，系九三學社中央科技委副主任、中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長
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