我國傳感技術的現狀及發(fā)展之路

【摘 要】 稱重傳感器是電子衡器的核心部件，其技術發(fā)展水平是衡量一個國家電子稱重技術和電子衡器產品現代化程度的重要依據。稱重傳感技術是傳感技術領域中的一個分支，它具有傳感技術發(fā)展的所有特點。要全面認識它，必須了解和掌握我國傳感技術的現狀和發(fā)展之路，這對推進我國稱重傳感器和衡器工業(yè)的技術發(fā)展有積極的作用！
【關鍵詞】傳感技術；傳感器；技術現狀；發(fā)展方向
一、概述
現代信息技術的三大基礎是信息的采集、傳輸和處理技術，即傳感技術、通信技術和計算機技術，它們分別構成了信息技術系統的“感官”、“神經”和“大腦”。傳感器技術是當今世界令人矚目、迅猛發(fā)展的高新技術之一，也是當代科學發(fā)展的一個重要標志，與通信技術、計算機技術共同構成21世紀信息產業(yè)的三大支柱。
信息采集系統的首要部件是傳感器，且置于系統的前端。如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸。在一個現代自動檢測系統中，如果沒有傳感器，就無法監(jiān)測與控制表征生產過程中各個環(huán)節(jié)的各種參量，也就無法實現自動控制。在現代技術中，傳感器實際上是現代測試技術和自動化技術的基礎。因此各發(fā)達國家都將傳感器技術作為本世紀重點技術加以發(fā)展，隨著國內工業(yè)自動化、信息化和國防現代化水平的提高，傳感器的年需求量持續(xù)增長，傳感器的應用也越來越廣泛，已滲透到各個專業(yè)領域，但是目前國內傳感器技術的創(chuàng)新和新產品開發(fā)能力落后于*水平，制約了我國工業(yè)自動化和信息化技術的發(fā)展。
目前世界上有40多個國家的5000多個企業(yè)研制生產傳感器，產品20000多種。我國研制生產的傳感器共*類，42小類，6000多個品種。傳感器技術可以說無處不用，其應用比例如下：
行業(yè)類別
比例
行業(yè)類別
比例
工業(yè)測量與控制
18.1%
家用電器
13.7%
科學儀器
11.7%
醫(yī)療保健
11.0%
環(huán)境保護
10.0%
信息處理
8.0%
汽車
7.3%
能源
5.3%
宇宙開發(fā)
2.7%
其它（如交通運輸、海洋開發(fā)等）
12.2%
在工業(yè)測量與控制領域，各種傳感器所占比例如下：
傳感器類別
比例
傳感器類別
比例
壓力
39%
溫度
25%
測力與稱重
14%
位移
13%
其它
9%
二、國內外傳感技術的發(fā)展現狀
1、我國傳感技術的現狀
近30年來，經過科技攻關，敏感元件與傳感器的制造技術有了長足的進步，在設計、關鍵工藝、可靠性、產品開發(fā)等方面均有不同程度的突破與創(chuàng)新。如“九五”攻關完成的傳感器CAD技術，可以實現傳感器的全過程設計（即從工藝模擬到核心器件設計，再到結構設計，后到溫度補償）；微機械加工技術，在國內實現了用微機械加工工藝批量生產壓力傳感器；開發(fā)出了包括力敏、磁敏、熱敏、濕敏、氣敏等在內的多個品種、多個規(guī)格的傳感器。但在先進技術方面，我國傳感器的整體水平與國外發(fā)達國家相比仍有較大差距。主要表現在：
（1）核心制造技術嚴重滯后于國外，產品品質勉強過關，傳感器數字化、智能化、微型化已成趨勢，大多數產品已變成現實，且在不斷完善和更新換代，而我國的傳感器雖然所涉足的研究開發(fā)領域基本與國外相差無幾，但由于在某些核心制造工藝技術上還嚴重滯后于國外，所以差異較大，主要表現為：
1）產品的種類和規(guī)格不全，新品匱乏
我國目前傳感器產品品種數為6000個左右，而國外已達20000多個，產品品種滿足率遠遠滿足不了國內傳感器市場需求，從行業(yè)產品結構看，老產品比例占60%以上，新產品不足40%，高新技術類產品更少，數字化、智能化、微型化產品嚴重欠缺。從總體看，品種不配套、系列不全、低檔產品多、產品少、缺乏市場競爭力。
2）制造工藝及設備落后，產品品質不好
經過多年開發(fā)，雖然在制造工藝和產品質量上均有所提高，但由于批量生產工藝的穩(wěn)定性、可靠性問題沒有得到根本解決，限制了其應用領域和產業(yè)的發(fā)展。有些高性能產品，不是靠工藝保證，而是靠篩選分檔。從技術角度看，由于國內傳感器生產工藝與工藝設備相對落后，微機械加工技術和封裝技術不夠先進，手工操作比較多，檢測手段不規(guī)范等等，造成主要性能指標和使用壽命與國外同類產品差距較大，因此，在化工、電站、冶金、石油、環(huán)保、機械等領域重大工程中，許多高性能傳感器仍依賴于進口。
3）技術含量和技術創(chuàng)新落后
企業(yè)自主開發(fā)與技術創(chuàng)新能力差。由于多種因素影響，大多企業(yè)仍以手工方式生產
技術含量低或國外已停產的產品，很多新公司就是國外產品的推銷商和代理商，在多數院校和研究院所中，對高技術的跟蹤和對高技術附加值產品的研發(fā)能力還是可以的，但其成果以樣品居多，距產業(yè)化較遠，自主開發(fā)和擁有自主知識產權的科研成果不多。
（2）專業(yè)技術人力資源匱乏，產業(yè)發(fā)展后勁不足
傳感器及其產業(yè)的特點之一是技術密集，由于技術密集，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發(fā)展需求的具有高水平的科研隊伍及中青年科技專家、技術骨干、學術帶頭人相對缺乏，使行業(yè)技術更新換代步伐慢，產業(yè)發(fā)展后勁不足。
（3）產業(yè)的統籌規(guī)劃不足，投資力度不夠
在我國，雖然在“七五”、“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”的科技攻關中均有立項，但局限性較大。目前存在的問題是重復分散、統籌規(guī)劃不足、科研投資強度偏低、科研設備落后、科研和生產脫節(jié)，影響了科研成果的轉化，使我國傳感器產品綜合實力較低。其次是由于政府重視不夠，在信息技術發(fā)展的過程中，對傳感器技術重要性的認識滯后于計算機技術和通訊技術，發(fā)展需求的資源投入規(guī)模和強度太小，使傳感器技術的發(fā)展速度緩慢，制約了信息技術的飛速發(fā)展。
2、發(fā)達國家傳感技術的現狀
國外發(fā)展傳感器技術主要有兩條不同途徑，一條是以美國為代表的先軍工后民用，先提高后普及的路子；另一條是以日本為代表的側重實用化和商品化，先普及后提高，由引進、消化、仿制到自行改進設計創(chuàng)新的路子。前者花錢多，而后者花錢少，發(fā)展速度更快。
（1）國外傳感器的研究、開發(fā)、生產的應用方面發(fā)展速度很快
1）十分重視對傳感器技術開發(fā)。例如：美國霍尼威爾公司的固態(tài)傳感器發(fā)展中心每年用于研究設備的投資達5000萬美元或更多，擁有包括計算機輔助設計、單晶生長、加工、圖形發(fā)生器、同步重復照像、自動涂膠和光刻、等離子刻蝕、減射、擴散、外延、蒸鍍、離子注入化學氣相沉積、掃描電鏡、封裝和屏蔽動態(tài)測試等的成套設備和生產線，并且大約每三年左右更新其中大部分儀器設備。
2）重視傳感器制作工藝研究。傳感器原理不難、也不保密，而保密的是工藝，國外的傳感器公司普遍不惜重金加強工藝研究，依靠工藝突破保持技術。
3）重視質量管理與市場分析。新產品面世，從設計理論分析到模型試驗、樣機性能測試、失敗原因分析等均提出相應技術分析報告。在設計階段組織質量、軟件試驗，產品設計工程技術人員共同對影響產品設計可靠性、可測性和可檢性的各種因素進行研討，形成保證新產品質量的技術方案和質量驗收文件。
（2）國外傳感器的研究、開發(fā)、生產趨勢
1）開發(fā)傳感器新材料。陶瓷、高分子、生物、智能材料等新型材料的開發(fā)與應用，
不僅擴充了傳感器的各類，而且改善了傳感器的性能，拓寬了傳感器的應用領域。如新一代光纖傳感器、超導傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、診斷傳感器、智能傳感器、基因傳感器及模糊傳感器等。
2）微結構和傳感器的微型化。微電子工藝、微機械加工和超精密加工等先進制造技術在各類傳感器的開發(fā)和生產中的不斷普及，使傳感器正在從傳統的結構設計向以微機械加工技術為基礎、仿真程序為工具的微結構技術方向發(fā)展。如采用微機械加工技術制作的MEMS產品（微傳感器和微系統），具有劃時代的微小體積、低成本、高可靠性等*的優(yōu)點。
3）傳感器的多功能化。多功能體現在傳感器能測量不同性質的參數，實現綜合檢測。例如：集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學等不同功能敏感元件的傳感器，能同時檢測外界環(huán)境的物理特性或化學特性，進而實現對環(huán)境的多參數綜合監(jiān)測。
4）傳感器的集成化。使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展。
5）傳感器的智能化。近年來，智能化傳感器發(fā)展開始同人工智能相結合，創(chuàng)造出各種基于模糊推理、人工神經網絡、專家系統等人工智能技術的高度智能傳感器，稱為軟傳感器技術，它已經在家用電器方面得到利用，相信未來將會更加成熟。
6）傳感器的網絡化。網絡傳感器的開發(fā)，使測控系統主動進行信息處理以及遠距離實時在線測量成為可能。
3、我國傳感器行業(yè)市場情況分析
從上世紀80年代開始，經過三十來年的發(fā)展，現已形成了一定規(guī)模的產業(yè)格局，取得了一些驕人的成績，主要表現在：（1）綜合實力得到加強。目前我國從事傳感器開發(fā)生產的單位達到2000余家，傳感器行業(yè)產值每年都以10%～15%的速率增長。（2）拓寬了開發(fā)領域。研究開發(fā)領域已經由過去的少數品種擴展到光敏、熱敏、力敏、電壓敏、磁敏、氣敏、濕敏、聲敏、射線敏、離子敏、以及各種傳感器、變送器、二次儀表等多種類、多形式產品，主要產品有6000多種，熱敏電阻器、可燃性氣體傳感器、光電二極管等十幾個品種已形成一定規(guī)模的生產能力。（3）組建了黑龍江（氣敏）、安徽（力敏）、陜西（電壓敏）三個產業(yè)基地與企業(yè)集團。（4）已建成“傳感器國家工程研究中心”和敏感技術國家重點實驗室，形成了近百個院校、研究所組成的，具有較高水平的傳感器骨干科研隊伍。
三、我國傳感技術發(fā)展的方向和方式方法
1、我國傳感技術的發(fā)展方向
（1）向高精度方向發(fā)展。隨著自動化生產程度的不斷提高，對傳感器技術的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。
（2）向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展。傳感器的可靠性直接影響到電子設備的性能，
研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是性的方向，大部分傳感器的工作范圍都在–20℃～70℃，在軍用系統中要求工作溫度在–40℃～85℃，汽車、鍋爐等場合對傳感器的溫度要求更高，而航天飛機和空間機器人甚至要求溫度在-80℃以下，200℃以上。
（3）向微功耗及無源化發(fā)展。傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向。
（4）向微型化發(fā)展。特別重視MEMS基本工藝的應用技術研究和 工藝裝備開發(fā)，使這些工藝在產業(yè)化生產中應用；先進的納米級技術的研究。納米技術的發(fā)展，可能導致傳感器研究的許多領域產生突破性進展。
（5）向多維化、多功能化和模糊識別方向發(fā)展。未來的傳感器將突破零維、瞬間的單一量檢測方式，在時間上實現廣延，空間上實現擴張（三維），檢測量實現多元，檢測方式實現模糊識別。
（6）向集成化（特別是集成式微型智能傳感器）發(fā)展。集成式微型智能傳感器是世界范圍內全新的研究課題，具有巨大的潛在價值和廣闊的應用市場。
（7）向智能化數字化發(fā)展。借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式，用單*個傳感器系統來同時實現多種傳感器的功能。具體為：
化學傳感器：未來發(fā)展重點是深入研究有機、無機生物類化學傳感器的工作原理，提高敏感材料功能設計能力，通過靈活應用微機械加工技術、敏感膜修飾技術、微電子技術、光纖技術、生物工程技術等，可使傳感器性能達到優(yōu)化。
生物傳感器：生物傳感器的研究是跨學科的課題，著眼于保健、環(huán)境、醫(yī)藥和食品工業(yè)的檢測和需求。該領域的研究，將大大促進人工智能和機器人的發(fā)展。
分子傳感器：人體集各種傳感器于一體，其中絕大部分為分子傳感器。截止目前，真正的傳感器只有在生物體內能夠找到，我們可借助基因工程、生物合成分子傳感器系統。
采用硬件軟化、軟件集成、虛擬現實、軟測量等人工智能的方法和技術，在傳感器技術和計算機技術的基礎上，研究開發(fā)具有擬人智能特性或功能的智能化傳感器。
（8）向網絡化發(fā)展。傳感技術與智能技術結合之后，由孤立的元器件向系統化、網絡化發(fā)展，并使傳感器隨著*的計算機網絡的發(fā)展而發(fā)展，這種技術上的飛躍不僅使傳感器的性能大大提高，而且將帶來高額的技術附加值，能夠創(chuàng)造較大的經濟效益。
2、我國傳感技術發(fā)展的方式方法
我國傳感技術發(fā)展的方式方法主要體現在以下幾個方面：
（1）加速開發(fā)新型敏感材料：通過微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科，各種新技術的互相滲透和綜合利用，開發(fā)出更新式材料，研制出一批基于新型敏感材料的先進傳感器。
（2）采用新的加工方法：新的加工方法如半導體的精密細微加工技術、靜電封接技術、全固態(tài)封接技術等不但使傳感器的性能指標得以提高，應用范圍得以擴大，還可加工出原有工藝不能制造的新型傳感器。
（3）采用新的原理：隨著各相關學科的發(fā)展，人們對于自然認識的不斷深化，會不斷發(fā)現一些新的物理效應、化學效應、生物效應等，利用這些新的效應可開發(fā)出相應的新型傳感器。
（4）采用新的構思：許多古老的原理或設計，在巧妙的構思下可以產生出新的傳感器。如：對熱敏感的熱敏電阻可做成溫度傳感器，也可把酶固定在電阻表面，用來檢測酶反應中產生的熱量，根據酶反應的專一性，就可測定酶的生物含量，從而做成各種酶熱敏電阻生物傳感器。
四、我國傳感技術在發(fā)展中應重視的問題及采取的措施
1、加大科技投入，保證傳感器技術及其產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展
從戰(zhàn)略發(fā)展考慮，國家應加大傳感技術的科技投入力度，同時，國家在執(zhí)行投資傾斜政策時，要注意支持傳感器行業(yè)的骨干企業(yè)和特色企業(yè)，通過技術改造提次、擴大規(guī)模；重點支持具有發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)形成生產基地，加大技術積累和相關投入，培育出傳感器產業(yè)新的經濟增長點，確?？沙掷m(xù)性。
2、加大自主創(chuàng)新，提升自主知識產權程度
21世紀傳感器發(fā)展的總趨勢是微型化、集成化、多功能化、智能化、網絡化，傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，尤其是微機械加工和納米技術，應在現有技術基礎上，在廣泛吸收、消化、跟蹤*技術的同時，加大技術創(chuàng)新，努力發(fā)展 技術、特色技術、自主知識產權技術，要以提高企業(yè)自身的創(chuàng)新與開發(fā)能力為突破口，采取以企業(yè)為主體、高等院校和科研院所廣泛參與、利益共享、風險共擔的產學研聯合的機制，組織協同攻關，占領技術制高點，增強企業(yè)核心競爭力，并逐步實現自主開發(fā)、自我發(fā)展的良性循環(huán)，創(chuàng)造出具有自主知識產權的傳感器品牌。
3、通過有效方式加快專業(yè)科技型技術人才的開發(fā)
對于任何產業(yè)來講，要生存、要發(fā)展、要振興、要參與國內外市場競爭并立于不敗之地，從某種意義上說是人，或者說是高科技人才在起決定性作用，傳感器產業(yè)也不例外。在此情況下，應大力開展人力資源開發(fā)，通過繼續(xù)教育、再教育等多種方式加快培養(yǎng)與造就科技人才，著力培養(yǎng)新一代的傳感技術技術人才。
4、建立有利于傳感器技術快速轉化的運行機制
科技主管部門推動企業(yè)以抓改革、抓創(chuàng)新、抓質量、抓市場、抓管理為主要任務，以傳感器產業(yè)發(fā)展上規(guī)模、上檔次、爭份額、創(chuàng)利潤為主要目標，建立有利于傳感器技術與經濟緊密結合、促進其科技成果快速轉化的運行機制，基本形成傳感器產學研科技經濟一體化的發(fā)展模式，努力實現傳感器產業(yè)從速度數量型向質量效益型轉變，以
達到技術和經濟雙升級，創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)雙贏的效果。
五、結論
當今，我國傳感器產品及其產業(yè)化水平與國外發(fā)達國家相比還有很大的差距，而傳感器技術的發(fā)展正處于轉型升級的關鍵階段。傳感器需求量大、需求增長速度快，由于國內傳感器的發(fā)展落后于需求的增加，國內絕大部分市場，特別是市場被國外占領，國內傳感器所占領的都是一些技術含量低、品質要求低、贏利點低的市場！面對市場的競爭，我國傳感器行業(yè)處于非常不利的地位，甚至在某些領域出現生存危機，因此，要抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，堅持走科技與產業(yè)相結合的道路，加強具有自主知識產權的新型傳感器的開發(fā)，加速現有科研成果的轉化和產業(yè)化，迅速提高國產傳感器的*，是我國傳感器產業(yè)自身發(fā)展的當務之急，也是我國傳感技術屹立于*水平的必經之路。