傳感器作為現代科技的前沿技術(shù),被認為是現代信息技術(shù)的三大支柱之一,也是國內外公認的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在國內有自動(dòng)化方面的專(zhuān)家指出,傳感器技術(shù)直接關(guān)系到我國自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢,認為“傳感器技術(shù)強,則自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)強”。由此可見(jiàn)傳感器技術(shù)對自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)國家工業(yè)建設的重要性。
然而,在傳感器迎來(lái)春天的時(shí)候,中國公眾看到的似乎仍然是國外半導體巨頭的盛宴。業(yè)內人士認為,雖然中國的傳感器市場(chǎng)發(fā)展很快,但本土傳感器技術(shù)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(wǎng)絡(luò )化方面的技術(shù)落后。由于沒(méi)有形成足夠的規?;瘧?,導致國內的傳感器不僅技術(shù)低,而且價(jià)格高,在市場(chǎng)上很難有競爭力。
各國傳感器發(fā)展情況
目前全球傳感器市場(chǎng)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(chǎng)份額的72%,其中中國占比約11%。與全世界生產(chǎn)的超過(guò)2萬(wàn)種產(chǎn)品品種相比,中國國內僅能生產(chǎn)其中的約1/3,整體技術(shù)含量也較低,是目前急需改變的一個(gè)狀態(tài)。
美 國
美國早在80年代就聲稱(chēng)世界已進(jìn)入傳感器時(shí)代,美國早在80年代初就成立了國家技術(shù)小組(BGT),幫助政府組織和領(lǐng)導各大公司與國家企事業(yè)部門(mén)的傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。美國國家長(cháng)期安全和經(jīng)濟繁榮至關(guān)重要的22項技術(shù)中有6項與傳感器信息處理技術(shù)直接相關(guān)。關(guān)于保護美國武器系統質(zhì)量?jì)?yōu)勢至關(guān)重要的對項關(guān)鍵技術(shù)之中,8項就為無(wú)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(guān)鍵技術(shù),傳感器技術(shù)名列第二。
美國發(fā)展模式走的先軍工后民用、先提高后普及的路子。有顯著(zhù)特點(diǎn):
(一)非常重視傳感器功能材料研究;
(二)對傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)十分重視:例如美國霍尼威爾公司的固態(tài)傳感器發(fā)展中心每年用于設備投資就有5000萬(wàn)美元,目前擁有包括計算機輔助設計、單晶生長(cháng)、加工、圖形發(fā)生器,對步重復照像、自動(dòng)涂膠和光刻、等離子刻蝕、濺射、擴散、外延、蒸鍍、離子注入化學(xué)氣相沉積、掃描電鏡、封裝和屏蔽動(dòng)態(tài)測試等最先進(jìn)的成套設備和生產(chǎn)線(xiàn),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(chēng)只有這樣,才能保證其技術(shù)領(lǐng)先水平。
(三)重視工藝研究:傳感器原理不難,也不保密,而最保密的是工藝。有不少評價(jià)“傳感器”不是一般的工業(yè)產(chǎn)品,而是一種完美的工藝品之佳作。研發(fā)方面,美國約有1,300家生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)傳感器的廠(chǎng)家,100多個(gè)研究院所和院校。
德 國
德國視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術(shù),德國傳感器充分發(fā)揮了老牌工業(yè)強國的固有優(yōu)勢,再經(jīng)德國制造商依托自有品牌聲譽(yù)和技術(shù)研發(fā)、質(zhì)量管理方面的優(yōu)勢進(jìn)行整合,其產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力必然獲得顯著(zhù)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(chǎn)品保持技術(shù)上的領(lǐng)先,進(jìn)而保持較高的市場(chǎng)占有率!
日 本
日本則把傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之首。日本工商界人士聲稱(chēng)“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時(shí)代”。日本對開(kāi)發(fā)和利用傳感器技術(shù)相當重視并列為國家重點(diǎn)發(fā)展6大核心技術(shù)之一。
日本科學(xué)技術(shù)廳制定的90年代重點(diǎn)科研項目中有70個(gè)重點(diǎn)課題,其中有18項是與傳感器技術(shù)密切相關(guān)。
日本側重實(shí)用化和商品化,先普及后提高,由引進(jìn)、消化、仿制到自行改進(jìn)設計創(chuàng )新的路子。前者花錢(qián)多,后者花錢(qián)少,更快些。研發(fā)方面,日本約有800家生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)傳感器的廠(chǎng)家。
中 國
我國早在20世紀60年代就開(kāi)始涉足傳感器制造業(yè)。我國在1972年組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位;1974年,研制成功中國第一個(gè)實(shí)用壓阻式壓力傳感器;1978年,誕生中國第一個(gè)固態(tài)壓阻加速度傳感器;1982年,國內最早開(kāi)始硅微機械系統(MEMS)加工技術(shù)和SOI(絕緣體上硅)技術(shù)的研究。進(jìn)入20世紀90年代后,硅微機械加工技術(shù)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(wèn)世并實(shí)現生產(chǎn)。
改革開(kāi)放30年來(lái),我國傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長(cháng)足進(jìn)步,主要表現在:建立了傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、微米/納米國家重點(diǎn)實(shí)驗室、國家傳感技術(shù)工程中心等研究開(kāi)發(fā)基地;MEMS、MOEMS(微光機電系統)等研究項目列入了國家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn);在“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目中,傳感器技術(shù)研究取得了51個(gè)品種86個(gè)規格新產(chǎn)品的成績(jì),初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)。
目前,中國傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)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(wǎng)絡(luò )化發(fā)展的總趨勢。
國內傳感器行業(yè)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(wǎng)絡(luò )化方面的技術(shù)落后。由于沒(méi)有形成足夠的規?;瘧?,導致國內的傳感器不僅技術(shù)低,而且價(jià)格高,在市場(chǎng)上很難有競爭力。
中國大致從1980年以后開(kāi)始重視傳感器技術(shù)的研究。經(jīng)過(guò)多年的努力,在傳感器研究方面的發(fā)展水平還算是比較好的。但是,在產(chǎn)品化方面的技術(shù)進(jìn)步還不是很理想,很多傳感器技術(shù),其實(shí)國內的實(shí)驗室研究水平并不是很差,可惜未能充分利用,沒(méi)有轉化為進(jìn)入市場(chǎng)的成熟產(chǎn)品。
傳感器技術(shù)的研究需要比較長(cháng)時(shí)間的投入,一款傳感器的研發(fā),要6年-8年才能成熟,一般中國企業(yè)都承受不了這么長(cháng)的周期。中國企業(yè)更難以承受失敗,而傳感器的研究失敗的風(fēng)險很高。
日本企業(yè)支持的研發(fā)中,很多形不成產(chǎn)品,但是企業(yè)能夠承受,10項中只要2項-3項能夠變成產(chǎn)品就行。相比之下,我們很多企業(yè)都是準備去拿別人現有的東西。這種思路是有問(wèn)題的,包括我們總是希望引進(jìn)國外現成的、有自己項目的人才。都不準備養魚(yú),而是撈一條魚(yú)來(lái)。
相比于比較大型的儀器設備,傳感器在產(chǎn)品化過(guò)程中需要的投資一般不是很大,所以比較適合小型企業(yè)投資。在這方面,中國應該是有優(yōu)勢的。然而,如果從另外一個(gè)方面考慮,這也是一個(gè)短處。
傳感器行業(yè)的一個(gè)特點(diǎn)是,傳感器本身技術(shù)含量高,但單只傳感器的價(jià)格一般不高。此特點(diǎn)導致的一個(gè)結果是,盡管傳感器的技術(shù)附加值高,但單純依賴(lài)傳感器很難形成可觀(guān)的產(chǎn)值。
一般來(lái)說(shuō),傳感器有點(diǎn)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(lài)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(huì )有相關(guān)的測量?jì)x器開(kāi)發(fā)出來(lái)。
另外,在中國的專(zhuān)利保護機制下,傳感器中辛辛苦苦研發(fā)出來(lái)的關(guān)鍵技術(shù),往往呈現一種“訣竅”性質(zhì),被抄襲后,很難說(shuō)清楚,企業(yè)也打不起官司。國內雖然也有MEMS傳感器企業(yè),但都是委托加工,搞不好就被加工企業(yè)自己拿去做了,目前的企業(yè)創(chuàng )新體系有很大的問(wèn)題。
中國傳感器發(fā)展與國外差距
國內傳感器廠(chǎng)商占據中低端市場(chǎng)從發(fā)展態(tài)勢看,國內傳感器廠(chǎng)商有三種情況:
一、民營(yíng)或合資企業(yè)的產(chǎn)品占據了中低端市場(chǎng),傳統技術(shù)和裝備手段可以滿(mǎn)足絕大多數產(chǎn)品的制造要求,市場(chǎng)發(fā)展狀態(tài)良好。除個(gè)別廠(chǎng)家在個(gè)別品種方面將國外生產(chǎn)的芯片拿到國內封裝出相關(guān)產(chǎn)品、占據市場(chǎng)較大份額外,其他高端產(chǎn)品均是國外廠(chǎng)商在壟斷。
二、隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的興起,傳感器產(chǎn)業(yè)成為世界各國在高新技術(shù)發(fā)展中爭奪的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來(lái)我國傳感器產(chǎn)業(yè)快速增長(cháng),應用模式也日漸成熟。但由于產(chǎn)業(yè)檔次偏低、技術(shù)創(chuàng )新能力較差,國內傳感器產(chǎn)業(yè)呈現低端過(guò)剩、中高端被國外壟斷的市場(chǎng)格局。傳感器技術(shù)發(fā)展滯后已掣肘國內戰略性新興產(chǎn)業(yè)的順利推進(jìn)。
目前從材料、器件、系統到網(wǎng)絡(luò )我國已形成較為完整的傳感器產(chǎn)業(yè)鏈。在網(wǎng)絡(luò )接口、傳感器與網(wǎng)絡(luò )通信融合、物聯(lián)網(wǎng)體系架構等方面取得較大進(jìn)展。但產(chǎn)業(yè)檔次偏低、企業(yè)規模小、技術(shù)創(chuàng )新能力差,很多企業(yè)只是引進(jìn)國外元件進(jìn)行加工,同質(zhì)化嚴重。而生產(chǎn)裝備落后、工藝不穩定等造成產(chǎn)品指標分散、穩定性差。模仿產(chǎn)品在敏捷度方面也不盡如人意。在相對研發(fā)突出的領(lǐng)域,卻忽略了工業(yè)化基礎性開(kāi)發(fā),商品化開(kāi)發(fā)嚴重滯后。
目前我國傳感器產(chǎn)品約6000種左右,而國外已達20000多個(gè),遠遠滿(mǎn)足不了國內市場(chǎng)需求。中高端傳感器進(jìn)口占比達80%,傳感器芯片進(jìn)口更是達90%,國產(chǎn)化缺口巨大。其中數字化、智能化、微型化等高新技術(shù)產(chǎn)品嚴重短缺。國家重大裝備所需高端產(chǎn)品主要依賴(lài)進(jìn)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(yè)產(chǎn)品占據國內高端市場(chǎng)絕大多數的市場(chǎng)份額,并將會(huì )在今后很長(cháng)一段時(shí)間內持續把持高端市場(chǎng),這種勢頭在短期內不會(huì )得到根本轉變。
三、國有企業(yè)發(fā)展處于平穩增長(cháng)狀態(tài),總體上跟不上國外最新技術(shù)發(fā)展的步伐,除少數廠(chǎng)家外,總體差距有擴大的趨勢。這是因為傳感器技術(shù)發(fā)展快,工藝和制造設備更新快,許多新設備國內廠(chǎng)商無(wú)法制造等原因造成的。并且設備的單臺價(jià)格少則幾十萬(wàn)美元,多則數百萬(wàn)美元,絕大多數廠(chǎng)家靠自身積累很難購買(mǎi)新型設備,致使在許多新技術(shù)、新工藝方面無(wú)法跟上國外企業(yè)飛速發(fā)展的步伐。
我國傳感器發(fā)展差距的主要原因
一、核心制造技術(shù)嚴重滯后于國外,國內產(chǎn)品差強人意。
國外傳感器的新技術(shù)、新產(chǎn)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(chǎn)品已變成現實(shí),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(kāi)發(fā)領(lǐng)域基本與國外相差無(wú)幾,但由于在某些核心制造工藝技術(shù)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:
1、產(chǎn)品品種不全、規格少,新品欠缺。
我國目前傳感器產(chǎn)品品種數為3000個(gè)左右,而國外已達20000多個(gè),產(chǎn)品品種滿(mǎn)足率僅在60%-70%左右,遠遠滿(mǎn)足不了國內傳感器市場(chǎng)需求。從行業(yè)產(chǎn)品結構看,老產(chǎn)品比例占60%以上,新產(chǎn)品不足吟,高新技術(shù)類(lèi)產(chǎn)品更少,數字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴重欠缺從總體看,品種不配套、系列不全、低檔產(chǎn)品多、高檔產(chǎn)品少、缺乏市場(chǎng)競爭力。
2、科技創(chuàng )新差,擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品少。
企業(yè)自主開(kāi)發(fā)與技術(shù)創(chuàng )新能力差。由于多重因素影響,國內企業(yè)仍以手工方式生產(chǎn)技術(shù)含量低或國外已停產(chǎn)的產(chǎn)品。很多新公司就是國外產(chǎn)品的推銷(xiāo)商和代理商,在多數院校和研究院所中,對高技術(shù)的跟蹤和對高技術(shù)附加值產(chǎn)品的研發(fā)能力還是可以的,但其成果以樣品居多,距產(chǎn)業(yè)化較遠,自主開(kāi)發(fā)和擁有自主知識產(chǎn)權的科研成果不多。
二、工藝裝備落后,產(chǎn)品質(zhì)量差。
經(jīng)過(guò)多年開(kāi)發(fā),雖然研制出一批工藝和產(chǎn)品,但由于批產(chǎn)工藝的穩定性、可靠性問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決,限制了其應用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有些高性能產(chǎn)品,不是靠工藝保證,而是靠篩選分檔。從技術(shù)角度看,由于國內傳感器生產(chǎn)工藝與工藝設備相對落后,微機械加工技術(shù)和封裝技術(shù)不夠先進(jìn),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(gè)數量級,使用壽命差2-3級。因此,在化工、電站、冶金、石油、環(huán)保、機械等領(lǐng)域重大工程中,許多高性能傳感器仍依賴(lài)于進(jìn)口。
三、人才資源匱乏,產(chǎn)業(yè)發(fā)展不足。
傳感器及其產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)之一是技術(shù)密集,由于技術(shù)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(shù)發(fā)展需求的具有高水平的科研隊伍及中青年科技專(zhuān)家、技術(shù)管干、學(xué)術(shù)帶頭人相對缺乏,使行業(yè)技術(shù)更新?lián)Q代步伐慢,產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足。
四、統籌規劃不足,投資力度不夠。
目前存在的問(wèn)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(chǎn)脫節,影響了科研成果的轉化,使我國傳感器產(chǎn)品綜合實(shí)力較低。其次是由于政府重視不夠,在信息技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中,對傳感器技術(shù)重要性的認識滯后于計算機技術(shù)和通訊技術(shù),發(fā)展需求的資源投入規模和強度太小,使傳感器技術(shù)的發(fā)展速度緩慢,牽制了信息技術(shù)的飛速發(fā)展。
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