1972
我國高度重視智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展，工業(yè)和信息化部編制了“智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017～2019 年）”，為把握新一代信息技術(shù)深度調(diào)整戰(zhàn)略機(jī)遇期，提升智能傳感器產(chǎn)業(yè)核心競爭力奠定了基礎(chǔ)。
2019年，在工信部指導(dǎo)下，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院開展了智能傳感器發(fā)展戰(zhàn)略研究，對我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了摸底調(diào)查，調(diào)研的傳感器產(chǎn)品涉及我國近千家傳感器主流廠商，是目前我國規(guī)模較大、較深入的智能傳感器產(chǎn)業(yè)調(diào)研活動之一。
此次調(diào)研形成了《智能傳感器型譜體系與發(fā)展戰(zhàn)略白皮書》報(bào)告，成為我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略制定的重要參考依據(jù)之一。報(bào)告中，提出了我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)需要重點(diǎn)發(fā)展的11個(gè)技術(shù)方向和建議，這也是我國傳感器的部分重點(diǎn)卡脖子技術(shù)，我們來看看哪些傳感器技術(shù)被重點(diǎn)提及。
雖然3年時(shí)間過去，但對于極其考驗(yàn)技術(shù)沉淀，需要厚積薄發(fā)的傳感器產(chǎn)業(yè)來說，這11個(gè)重點(diǎn)技術(shù)我國突破有限，仍需努力！
1、MEMS 技術(shù)與 IC 技術(shù)的集成與融合
MEMS 技術(shù)用微加工技術(shù)將各種產(chǎn)品整合到基于硅的微電子芯片上，與傳統(tǒng)的 IC 工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光等，有些復(fù)雜微結(jié)構(gòu)難以用 IC 工藝實(shí)現(xiàn)，須采用微加工技術(shù)，如硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)等。
MEMS技術(shù)將是未來傳感器的主要制造技術(shù)，但國內(nèi)本土MEMS發(fā)展面臨高端研發(fā)人員缺失、產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成、企業(yè)盈利難等問題，如同三座大山壓著國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)。
MEMS最初用于汽車安全氣囊，近年來隨著技術(shù)發(fā)展，市場需求迅猛，將如同計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)給人們生活帶來的改變一樣，MEMS技術(shù)也將給我們的生活帶來巨大改變。
2、MEMS 陀螺芯片
MEMS陀螺儀是半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)元件，在消費(fèi)電子、工業(yè)等領(lǐng)域用途廣泛，技術(shù)門檻處于傳感器領(lǐng)域較高水平，國內(nèi)外各廠商投入力度大，但高端產(chǎn)品研發(fā)工作主要集中在高校和科研院所。
歐美日都有一批相關(guān)的企業(yè)和科研單位在這領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，但中國這方面起步晚、發(fā)展慢，國內(nèi)具備 MEMS 陀螺芯片自主設(shè)計(jì)和量產(chǎn)的能力的企業(yè)屈指可數(shù)，且產(chǎn)量和市場占有率都非常低。
據(jù)《中國傳感器（技術(shù)和產(chǎn)業(yè)）發(fā)展藍(lán)皮書》介紹，國內(nèi)眾多消費(fèi)電子廠商大量使用的 MEMS 陀螺芯片基本依靠進(jìn)口，保守估計(jì)MEMS芯片進(jìn)口率達(dá)80%以上。
3、高性能磁傳感器
高性能磁傳感器技術(shù)門檻高，市場廣、應(yīng)用范圍大，在工業(yè)自動化控制，醫(yī)療設(shè)備以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域均存在巨大需求，每年全球銷售逾數(shù)十億顆，金額達(dá)百億美元。
以傳統(tǒng)燃油汽車為例，每輛車上平均安裝 30 余個(gè)磁傳感器，涵蓋曲軸、電路、踏板、液面、卡扣等近 20 種應(yīng)用。而在智能自動駕駛汽車上，這些傳感器的應(yīng)用將更多、更細(xì)致。
然而目前中國市場銷售的車輛，磁傳感器全部被國外廠家壟斷，嚴(yán)重依賴進(jìn)口， 霍尼韋爾（Honeywell）、村田（MURATA）、精量電子（MEAS） 、羅姆（ROHM）等國外廠商瓜分了這一市場。
精密制造、勘探、電力、儀器設(shè)備等工控領(lǐng)域使用的高端磁傳感器同樣被國際傳感器巨頭把控，對我國產(chǎn)業(yè)升級和自主化進(jìn)程埋下巨大隱患。
國內(nèi)磁傳感器制造領(lǐng)域研發(fā)基礎(chǔ)非常薄弱，設(shè)備、人才積累有限，產(chǎn)品性能、良品率、成本、生產(chǎn)流程等等方面都亟待優(yōu)化和提高。
同時(shí)，國內(nèi)市場也應(yīng)該扶持國內(nèi)磁傳感器廠商，產(chǎn)業(yè)鏈范圍內(nèi)對自主產(chǎn)品的市場進(jìn)行培育及推廣。
4、MEMS 微型超聲波傳感器
MEMS 微型超聲波傳感器在消費(fèi)電子領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用場景，例如小米、OPPO等手機(jī)廠商近期密集推出的“無邊框”手機(jī)，為了在窄窄的邊框塞入用于息屏功能的感應(yīng)傳感器，MEMS 微型超聲波傳感器是最佳的成熟應(yīng)用方式。
MEMS 微型超聲波測距傳感器工作原理與普通傳感器傳感器一樣，通過發(fā)射接收超聲波，探測物體距離，但體積非常小，有利于集成，在智能手機(jī)、智能終端、智能家居家電、智能辦公設(shè)備等使用場景廣闊。
MEMS 微型超聲波測距傳感器體積不到目前同類產(chǎn)品的 1/10，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)需要達(dá)到耐高溫貼裝工藝要求，且在微型壓電芯片加工工藝、微型裝配工藝、 （MEMS）工藝壓電材料開發(fā)等方面有較高技術(shù)難點(diǎn)。
目前市場上，該技術(shù)主要被日本企業(yè)村田壟斷，國內(nèi)沒有具備設(shè)計(jì)和量產(chǎn)能力的企業(yè)。
5、寬溫區(qū)硅壓力傳感器芯片
壓力傳感器一直以來都是傳感器領(lǐng)域里面出貨量、使用量最大的類型之一，尤其是寬溫區(qū)硅壓力傳感器和芯片，這也是我國與世界先進(jìn)水平差距比較大的方向。
從具體技術(shù)參數(shù)指標(biāo)上來說，使用溫度范圍在－55℃～225℃之間，精度優(yōu)于 0.25%FS 的高可靠性 MEMS 高溫硅壓力傳感器是亟需突破的重點(diǎn)。
同時(shí)，低應(yīng)力無引線封裝、溫度補(bǔ)償、高溫專用電路（ASIC）芯片等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)測控接口電路，是實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)并在重大技術(shù)裝備中應(yīng)用的關(guān)鍵。
6、紅外陣列傳感器
紅外傳感器市場需求廣，在國內(nèi)傳感器中是起步相對較早的領(lǐng)域，目前國內(nèi)有高德紅外，睿創(chuàng)微納、大立科技、颯特紅外等中大型紅外傳感器和熱像儀企業(yè)。但在紅外陣列式傳感器這一細(xì)分領(lǐng)域，與國外先進(jìn)水平仍有較大差距。
紅外陣列傳感器是指在同一芯片上集成了80×60至240×180個(gè)敏感單元的紅外傳感器，可接收并檢測目標(biāo)物體輻射的紅外能量，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出與目標(biāo)物體的溫度分布及紅外輻射強(qiáng)度相關(guān)的電信號。
紅外陣列式傳感器相比目前日常廣泛應(yīng)用的單元紅外傳感器具有精度高、檢測范圍寬、能輸出可觀察的圖像信號等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)檢測、家庭安防、智能家居、節(jié)能控制、醫(yī)療看護(hù)、流量計(jì)數(shù)、氣體檢測、火災(zāi)監(jiān)控、消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用場景，將取代單元紅外傳感器。
據(jù)知名市場研究機(jī)構(gòu)Yole的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，紅外陣列式傳感器市場規(guī)模已達(dá) 10 億美元以上，并且每年的增速高達(dá) 50%以上。
紅外陣列式傳感器的技術(shù)被 ULIS，F(xiàn)LIR等歐美廠商壟斷，國內(nèi)廠商在晶圓級封裝技術(shù)、信號處理專用芯片技術(shù)等方面有較大差距。
7、智能光纖傳感器
智能光纖傳感器主要用于航空發(fā)動機(jī)，重型燃?xì)廨啓C(jī)的狀態(tài)監(jiān)測，對發(fā)動機(jī)工作過程中的壓力、溫度、振動、應(yīng)變、位移、尾氣成分等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，為發(fā)動機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)的工作狀態(tài)，健康狀態(tài)，故障分析提供數(shù)據(jù)支撐。
我們知道，光纖傳感器天然具有抗電磁、原子輻射干擾的能力，具備工作溫度高，多傳感器組網(wǎng)，可信號預(yù)處理分析，數(shù)字化通用接口等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在重大工程設(shè)備上智能光纖傳感器有很大作用。
被譽(yù)為制造業(yè)皇冠上的明珠——發(fā)動機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)，智能光纖傳感器的應(yīng)用不可少。國際上的工業(yè)商巨頭們——GE，西門子，普惠，羅爾斯羅伊斯等，都已經(jīng)將智能光纖傳感器用于自家發(fā)動機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的狀態(tài)監(jiān)測。
而我國光纖智能傳感器研究起步較晚，且目前相比其他傳感器領(lǐng)域，關(guān)注度不夠，投入的人力物力較少，與國外的研制水平相差較大，用于燃燒室超高溫環(huán)境的智能光纖傳感器領(lǐng)域的差距尤為明顯。
8、小型化集成式氣體傳感器
國內(nèi)氣體傳感器領(lǐng)域目前有漢威科技、四方光電等中大型企業(yè)，但產(chǎn)品多為單獨(dú)的氣敏元件，落后國際平均水平一代，落后德國先進(jìn)水平兩代。
目前國際先進(jìn)智能氣體傳感器已能在一個(gè)小型封裝內(nèi)集成氣體傳感、信號采集、信息處理、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲、溫度補(bǔ)償以及數(shù)字接口等功能。
劍橋傳感器Cambridge CMOS Sensors(CCS)采用 DFN/LGA 封裝的氣體傳感器最大尺寸不超過 2.7mm×4mm，最大功耗不超過 10mW。博世已推出集氣體、氣壓、溫度和濕度傳感器于一體的 MEMS 環(huán)境傳感器。瑞士 盛 思 銳 采 用 DFN 封 裝 的 氣 體 傳 感 器 尺 寸 達(dá) 到2.45mm×2.45mm×0.75mm。
這些代表性的氣體傳感器目前國內(nèi)仍沒有廠商的技術(shù)水平能夠達(dá)到，在敏感材料研發(fā)、敏感材料加載技術(shù)、集成信號調(diào)理采集技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、智能氣體傳感器 SIP 封裝工藝、海量傳感器批量校準(zhǔn)技術(shù)等方面，存在較大差距，亟待提升。
9、集成式智能傳感器和微系統(tǒng)模組
物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)和人工智能技術(shù)對智能傳感器和微系統(tǒng)模組有強(qiáng)烈的需求，全球科技巨頭紛紛布局。我國在單體傳感器上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后歐美日等國家，而在集成式智能傳感器和微系統(tǒng)模組方面我們和國外處于同一起跑線。
這是一個(gè)難得的機(jī)遇，我國需要把握住，推動基于 SESUB（半導(dǎo)體基板埋
入）和 SiP（系統(tǒng)級封裝）工藝的集成式智能傳感器和微系統(tǒng)模組的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
此外，研發(fā)跨環(huán)境和聲學(xué)類、慣性類等集成式智能傳感器以及手機(jī)、手表、手環(huán)、無線耳機(jī)、AR/VR 以及 IoT、IPM（智能功率模塊）、TPMS 胎壓監(jiān)測等消費(fèi)類電子、汽車電子和智能家具等應(yīng)用領(lǐng)域的 SiP 模組產(chǎn)品。
10、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
許多場景下，需要獲取多個(gè)參量數(shù)據(jù)對測控的設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行判斷，這樣單個(gè)傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到需求。而在多傳感器應(yīng)用下，使用有線或者無線等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳感器進(jìn)行集成，將是關(guān)鍵。
傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用的方法有：單個(gè)節(jié)點(diǎn)通過多個(gè)數(shù)據(jù)通道對多個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)；通過無線方式，對多個(gè)單個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理；先通過有線方式將多個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，然后通過無線網(wǎng)技術(shù)對有線方式處理后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。
例如在汽車應(yīng)用中，傳統(tǒng)上使用有線線束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，總長度一般有近2公里，最多達(dá)5公里。而在特斯拉上使用了車載以太網(wǎng)芯片技術(shù)進(jìn)行傳感器信號的傳輸，有效較少了線束長度。
傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)、功耗技術(shù)、無線射頻技術(shù)等難點(diǎn)。
11、傳感器智能處理算法
如同EDA技術(shù)，高效的算法在智能傳感器里面具有重要的作用，能夠更大程度發(fā)揮傳感器的性能，提高傳感器的精度，同時(shí)使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、回歸算法等計(jì)算技術(shù)和數(shù)據(jù)融合處理方法，將廣泛應(yīng)用于越來越復(fù)雜的檢測中，并且實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能。
為了使傳感器滿足具體行業(yè)應(yīng)用要求，需要開發(fā)新傳感器智能算法，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多參量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。為了使傳感器功耗更低，還需要研究開發(fā)智能控制算法、傳感器休眠算法、時(shí)間同步算法等。
物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人等新應(yīng)用場景，要求傳感器需要更加“智能”，而這些智能很多時(shí)候都是通過算法賦予。
結(jié)語
雖然離本份報(bào)告發(fā)布已過去3年，但傳感器是個(gè)需要技術(shù)沉淀、厚積薄發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)產(chǎn)業(yè)，報(bào)告中所列11個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向，即使在2023年的今天，仍是我國傳感器產(chǎn)業(yè)薄弱中的薄弱環(huán)節(jié)。
這11個(gè)關(guān)鍵傳感器技術(shù)，從技術(shù)重要程度和市場應(yīng)用角度出發(fā)，是中國傳感器領(lǐng)域最亟需攻破，未來也具備廣闊需求和應(yīng)用場景的細(xì)分領(lǐng)域。當(dāng)前我國傳感器企業(yè)突破有限，仍需努力！
本文部分資料來自：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院
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