第二节 传感器

一、我国传感器行业 50年发展历程

我国传感器行业已经历了 50个春秋,20世纪 80年代,改革开放的春风给传感器行业带来了生气与活力;90年代,在党和国家关于“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”的决策指引下,传感器行业进入了新的发展时期。 中国传感器主要发展历程阶段
“八五”以来,在国家的支持下,我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。在学术交流方面,1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC〞89首届全国敏感元件与传感器学术会议”已延续至今,每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前,其论值组织机构为:“全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会”。在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感器分会的积极组织下,实施的“双加工程”即:加快力度加快发展,的方针指导下,建立了我国敏感元器件与传感器生产基地。
“安徽基地”,主要是建立力、光敏规模经济。
“陕西基地”,主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济。
“黑龙江基地”主要建立气、湿敏规模经济。
多年来,三大基地在发展过程中虽然兴衰不一,它对我国敏感元件与传感器行业的建设起到了一定的推动作用。
“九五”其间,通过科技攻关,传感器技术领域水平得到较大的提高。主要以工业自动控制、机电一体化、科学测试仪器为服务领域,以市场需求为导向,以提高敏感元件及传感器的技术水平、可靠性水平和产业孵化为目标,安排工程化研究、新产品、共性要害技术攻关三个层次内容。传感器技术研究国家重点科技攻关项目取得了 51个品种86个规格的新产品。初步建立了敏感元件与传感器产业。产品已进入到亿万人民的家庭生活中,并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用
“十五”其间,为了发展先进制造与振兴机械工业的要求和国内外发展趋势的分析,传感技术攻关的目标是:提高传统传感技术等级、可靠性和可应用性水平,增强竞争力;积极创新系统,开发新产品,缩小差距,支持和促进我国先进制造技术的发展,振兴制造业。传感器技术国家指定的科技攻关范围较小,仅选择了少数项目,集中在几个单位内进行,MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点;国家计委决定从 2002年开始组织实施的新型电子元器件产业化专项中有 5项新型敏感元件与传感器已经启动;一些省、市新建立的“传感器产业基地”、“MEMS科技股份有限公司”,呈现出良好的发展态势。我国开发新一代的高、精、尖传感器已具备条件,如光纤、红外、超声波、生物、智能及模糊控制传感器,采用 MEMS技术制作微传感器等,这些新产品逐步实现了 CAD设计、全部实现可靠性设计,质量分析及质量信息治理均采用计算机化。
“十一五”——2006年十届全国人大四次会议表决通过了关于国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要。
自此拉开了“十一五”的大幕。“十一五”规划纲要中着重强调了推进工业结构优化升级,其中提升电子信息制造业,培育生物产业,推进航空航天产业,发展新材料产业等计划的提出,以及对传统制造业和新能源开发等项目的实施无疑为中国传感器的技术发展和市场空间的开拓提供了有力的支持。
前阶段工信部下发了《信息产业科技发展“十一五”规划和 2020年中长期规划纲要》中明确的指出新型元器件技术开发将重点围绕敏感元件和传感器等。并且对于传感器产业化发展提供了规划和政策支持。从“十一五”规划纲要至今从中国传感器市场虽然经历了金融危机的冲击,但是总体保持着强势快速度发展格局,最新传感器技术大多首先在国外发展起来,但是真正的应用却往往首先在中国实现,这正是源于中国庞大而多样的传感器市场特点。相信通过“十一五”重要的发展期中国传感器技术将有进一步跃升,逐步缩短与世界先进传感器技术国家间的差距。

二、我国传感器行业发展趋势分析

目前,我国传感器行业规模较小,应用范围较窄。为此,我们亟须转变观念,将传感器的研发由单一物性型传感器的研发,转化为高度集成的新型传感器研发。新型传感器的开发和应用已成为现代系统的核心和关键,它将成为 21世纪信息产业新的经济增长点。 品种规格已有近 6000种
我国早在 20世纪 60年代就开始涉足传感器制造业。我国在 1972年组建成立中国第一批压阻传感器研制生产单位;1974年,研制成功中国第一个实用压阻式压力传感器;1978年,诞生中国第一个固态压阻加速度传感器;1982年,国内最早开始硅微机械系统(MEMS)加工技术和SOI(绝缘体上硅)技术的研究。
进入 20世纪90年代后,硅微机械加工技术的绝对压力传感器、微压传感器、呼吸机压传感器、多晶硅压力传感器、低成本 TO-8封装压力传感器等相继问世并实现生产。
改革开放 30年来,我国传感器技术及其产业取得了长足进步,主要表现在:建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地;MEMS、MOEMS(微光机电系统)等研究项目列入了国家高新技术发展重点;在“九五”国家重点科技攻关项目中,传感器技术研究取得了 51个品种 86个规格新产品的成绩,初步建立了敏感元件与传感器产业;2007年传感器业总产量达到 20.93亿只,品种规格已有近 6000种,并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。
我国在 20世纪 80年代末就将传感器列入国家高新技术发展的重点,经过“八五”、“九五”和“十五”的攻关和产业化建设,目前全国已有 2000多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用。由于经济发展水平和生产研发资金的限制,我国传感器行业总体技术水平还是相对比较落后的,规模和应用领域都较小。今天活跃在国际市场上的仍然是德国、日本、美国、俄国等老牌工业国家的企业。在这些国家里,传感器的应用范围很广,许多厂家的生产都实现了规模化,有些企业的年生产能力达到几千万只甚至几亿只。相比之下,中国传感器的应用范围较窄,更多的应用仍然停留在工业测量与控制等基础应用领域。
微电子推动传感器发展
几十年来,微电子技术促进了传感器技术的发展。未来 10年~20年,传统硅技术将进入成熟期(预计在 2014年~2017年)。从总体发展看,传统硅技术市场将一直延续到 2047年(即晶体管发明 100周年)才趋于饱和(即达到芯片特征尺寸的极限)并衰退。而当前微电子技术仍将依循“等缩比原理”和“摩尔定律”两条基础定律走下去,在逼近传统硅技术极限中,不断扩展硅的跨学科横向应用(如 MEMS等)和更先进应用(量子、分子器件)。而上述微电子技术的两大发展方向正是当前乃至未来 20年传感器技术的主要发展方向。
目前,传感器行业呈现八大发展趋势,即传感器的产业化发展模式、传感器产品全面、协调、持续发展、企业生产规模(年生产能力)向规模经济发展、生产格局向专业化方向发展、传感器大生产技术向自动化方向发展、企业的重点技术改造应向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转变、企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向发展、企业将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。
因此,全行业必须树立创新意识,大力加强新型传感器的开发,提高产品的性价比,加快科研成果的转化,加快新型传感器的产业化,迅速提高国产传感器的市场占有率,缩小与发达国家的差距,同时,也要考虑走联合之路,吸引国外先进的技术和工艺,壮大自己的科技实力。
近年来,中国电子元件行业协会敏感协会敏感元器件与传感器分会充分发挥行业协会的桥梁纽带作用,加快产业结构调整步伐,大力推进“十一五”战略的实施。
中国电子元件行业协会敏感元器件与传感器分会成立于 1987年 8月,分会秘书处设立在中国电子科技集团公司第 49研究所,分会的理事长由该所的所长担任。
经过 20年的发展,目前,我们拥有全国各地的会员单位近 90家,包括力敏、热敏、电压敏、气湿敏、磁敏、MEMS及半导体制冷等 7个专业委员会,几乎涉及敏感元器件与传感器行业的所有领域。行业协会在推动敏感元器件产业可持续发展过程中,职能作用日益凸显。

三、我国传感器行业潜在发展空间分析

传感器产品的门类品种繁多,用于流程工业的主要有:温度传感器、压力传感器、重量传感器、流量传感器、液位传感器、氧敏传感器、力敏传感器、气敏传感器、分析仪表⋯⋯,用于机械工业的还有:开关类的接近/定位传感器安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等,所以发展传感器品种的领域很宽广。
中国传感器的市场近几年一直持续增长,一般增长速度超过15%,由于改革开放,我国巨大的市场,引来了各国厂商,如西门子、横河、霍尼威尔、欧姆龙、邦纳等公司,这为最终用户和工业设备制造商带来了很大的便利,而国内传感器和检测仪表生产虽有发展,但这远不能跟上形势的需求。各国传感器生产和研发的规模在不断扩大,美国约有 1300家生产和开发传感器的厂家,100多个研究院所和院校,日本有 800家厂商。我国近年建立了传感器技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研发基地,初步建立了敏感元件和传感器产业,2000年总产量超过 13亿只,目前我国已有 1688家从事传感器的生产和研发的企业,其中 MEMS研制生产的已有 50多家,到“十五”末期,敏感元件和传感器年总产量已达到 20亿只。
我国在参加国际传感器市场竞争方面也走出了新路子,如沈阳仪表科学研究院的“传感器国家工程研究中心。”已向美国出口力敏传感器芯片 40万只。
传感器技术包括敏感机理,敏感材料,工艺设备和计测技术四个方面约有 30多种技术。随着微电子技术的发展,传感器技术发展很快,我国研发的力量尚需大量投入,特别要加强具存自主知识产权的传感器的创新开发。科研成果的转化及传感器生产产业化问题,在我国更是迫在眉睫的问题,在批量生产情况下,控制传感器产品性能(主要是稳定性、可靠性),使之合格率达到商业化产业要求,就需要有先进的制造工艺和自动化水平很高的工艺设备,因此应在开发专用工艺设备上下功夫,解决传感器生产产业化的“瓶颈”问题。在传感器的应用上,特别是新型传感器的应用上,还得大力推广,改革开放创造了市场经济条件,各种工业设备应用了先进的传感器,这扩大了传感器市场,也使我国新型传感器生产产业化有了动力。
在传感器生产产业化过程中,应该在引进国际技术和自主创新两方面都不放松。在引进国外先进技术中,可以提高自己的技术,同时也满足了国内市场的需求,形成了传感器生产产业规模。如横河公司最近发布的 EJX多变量变送器,就是个可以考虑引进技术的例子,它精度高(0.025%)、智能化程度高,采用现场总线技术,由于能把质量、流量、介质压力及导管堵塞诊断、蒸气体热诊断和孔板磨损情况等多种变量和信息经现场总线传输给中央控制室;对保证生产和提供设备维护信息、保证安全运行都很有利,这种新型变送器的发展,配合了自动化系统管控一体化的变革,只有信息源头能力强了,信息丰富了,才能使信息化更好促进生产力发展。另外,广阔的重化工工业市场使得新型传感器变送器在石油化工、冶金、电力等多个行业用量可以达到批量化产业要求。