工業基礎傳感器急需破解核心器件產業化難題
http://www.moduwu.com 2021-03-18 08:34 來源：電子信息產業網
我國傳感器行業進入快速發展階段
為適應國家工業發展需要，特別是能源、化工、交通、航空航天等特殊領域針對傳感器的需求，從上世紀50年代起，國家先后組織一批國家級研究機構、專業生產企業及部分重點高校共同針對工業傳感器進行攻關和生產。在經歷了幾代人、近半個多世紀的努力后，至今為止基本建成了具有中國特色的覆蓋全工業領域的工業傳感器體系。很多傳感器從無到有，相當程度滿足了國家工業發展的需求。特別是上世紀“七五”期間，明確將敏感元件及傳感器列入國家攻關計劃，“八五”開始特別針對現代工業發展急需的力敏、熱敏、光敏、化學、電磁電量等各類工業傳感器進行傳感器技術研究及共性技術研究專項攻關，“九五”期間實施的微電子機械系統攀登計劃、集成微光機電系統研究及“863”MEMS微機電系統重大專項研究，形成了涵蓋傳感器芯片、材料(半導體晶圓)、封裝測試、軟件處理及算法、應用示范生產線在內的傳感器科研與產業鏈，建成了包括國家級科研院所、傳感器國家工程研究中心、傳感器國家重點實驗室等專業研發機構和典型企業在內的科研、中試、規模化生產隊伍。在金屬薄膜應變式力敏感元件及傳感器、薄膜磁敏感元件、硅霍爾開關器件、光電開關、NTC熱敏電阻和過載保護用PTC熱敏電阻、熱電偶、電化學傳感器及催化燃燒式氣體傳感器、硅基壓力敏感元器件及傳感器等很多領域取得巨大成就，一定程度上滿足了國內快速發展的工業傳感器產業需求，形成了東北、環渤海地區、中原、西北、長三角、閩粵珠三角等為核心的工業傳感器設計、研發、生產產業布局或集散中心。工業傳感器產品已經覆蓋我國工業制造過程全產業。
“十二五”以來，隨著國家工業快速發展的需要、國家對工業傳感器越來越重視，相關傳感器的政策密集出臺，政策環境越來越好。2011年工信部印發了《物聯網“十二五”發展規劃》，提出提升感知技術水平，重點支持超高頻和微波RFID標簽、智能傳感器、嵌入式軟件的研發，支持位置感知技術、基于MEMS的傳感器等關鍵設備的研制。傳感器作為物聯網重要的組成部分，被提到了新的高度。2013年，為進一步增強傳感器產業的創新力和國際競爭力，推動傳感器產業創新、持續、協調發展，工信部、科技部、財政部及國家標準化管理委員會組織制定了《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業發展行動計劃》。為傳感器及傳感器在工業領域應用，加快傳感器及智能儀表快速發展給出了行動時間表。密集的傳感器相關政策推動了我國傳感器行業飛躍發展。
“十三五”期間，政府支持力度進一步加大，工信部發布《關于開展工業強基2016專項行動的通知》，提出組織實施“一攬子”突破行動，聯合多部委組織實施一批(傳感器)示范項目，重點支持機器人、高端傳感器、高端醫療設備部件、超級電容器等核心基礎零部件，重點圍繞新型材料、大數據、傳感器等提升產業技術基礎公共服務能力。同年國務院發布的“十三·五”國家科技創新規劃提出了構建具有國際競爭力的十項現代產業技術體系，涉及包括新型傳感器的新一代信息技術、工業傳感器的智能綠色服務制造技術。2017年工信部出臺《智能傳感器三年(2017—2019)行動指南》及《促進新一代人工智能產業三年(2018——2020)行動計劃》，從而直接催生了重大科學儀器及設備開發、制造基礎技術與關鍵部件研究兩大專項。2019年中央政治局會議提出要加快推進新型基礎設施建設后，2020年8月國務院直接推出《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》，針對我國集成電路產業發展從財稅政策、投融資政策、研究開發政策、進出口政策、人才政策、知識產權政策、市場應用政策、國際合作政策等全方位多方面提出部署，直接將當前新時期新階段的集成電路產業和軟件產業發展推進到一個全新的發展階段，為其他相關基礎產業發展起到了引領示范作用。
在一系列政策持續出臺的背景下，我國傳感器行業進入快速發展階段。
形成了基本全覆蓋的產業布局、工業需求傳感器從自主到引進全產業鏈覆蓋。中低檔產品滿足自給自足的前提下實現出口，設計、研發、應用一條龍配套建設和水平得到普遍提升。
在快速發展的中國工業市場，針對傳感器的需求已經從原始的配套變成剛性需求，巨大的中國制造轉型升級帶來的市場吸引力不僅對國內企業，對國外工業傳感器龍頭企業也是巨大的吸引，美國艾默生、德國E+H、日本橫河等工業傳感器巨頭在中國市場的份額已經成為其公司重要組成部分。
在政府支持和行業需求的雙層推動下，我國工業傳感器已形成包括材料、器件、系統、網絡等全方面構成的產業鏈模式，產業鏈規模、質量也不斷得到提高和完善。據統計，國內具有一定規模的應用于工業制造業的各類傳感器生產廠家約2000余家，產品基本覆蓋工業制造各領域。生產的各類工業用傳感器品種、規格約1.6萬種。已經顯現出有區域特點的傳感器產業集群，重點集中在長三角，并逐漸形成以北京、上海、南京、深圳、沈陽和西安等中心城市為輻射的區域布局。這些集群各有側重優勢，形成了我國較為完備的傳感器產業鏈。
諸多問題亟須突破
盡管取得不俗成績，但我國工業基礎傳感器仍存在許多問題需要破解，主要表現在：
一是頂層設計仍缺乏統籌設計，規范引導。工業傳感器在儀表行業是小行業，在中國制造中更是小小行業，但工業傳感器在制造強國戰略中卻有舉足輕重的地位。由于傳感器具有的專業分散和行業分屬的特點，長期以來在傳感器頂層始終缺乏統一的認識、在傳感器行業始終缺乏統一的行業認知。工業傳感器的發展、行業規劃如“九龍治水各自為政”，未按國家產業發展規劃的整體布局有序發展。雖然國家投資逐年加大、政策力度逐年增強，但傳感器產業需要長期不斷地培育養成的特點在(地方政府、企業)急于求成、急功近利的作用下，想取得傳感器產業化的標志性成果，往往事與愿違。
二是產業規模小，盈利能力低、核心技術缺乏。以壓力傳感器行業為例，國內具有一定規模的生產廠商大約有千余家，其中民企數量約占企業總數的90%，已經成為了中國工業壓力傳感器、變送器行業的與國外廠商爭奪國內工業用壓力傳感器、變送器的市場主力軍。但這些企業年銷售額大于2000萬元的企業不足三成，七成以上的傳感器生產廠商為中小微企業，產業規模很小，自身盈利能力也不強。由此而連鎖的企業核心技術、企業研發能力、企業核心競爭力嚴重不足或缺乏。
統計國內主要傳感器廠商的產品分析也可以發現，目前國內廠商生產的壓力傳感器，70%以上是常規應變式、濺射薄膜式等傳感器產品，30%左右為陶瓷材料為主的低端產品，產品結構相對單一。
三是共性化問題多，產業化問題多。由于基礎研究乏力，長期在“市場換技術”的“快錢效應”指引下，近幾十年來新產品新技術多停留在國外樣品(樣機)分析測繪的“模仿”，自主特色的技術突破產品鳳毛麟角。
共性關鍵技術，如可靠性技術研究尚待突破。國外典型流程工業高端典型傳感器在上世紀末已實現五年免調校，但國內相關產品免調校功能還在推廣驗證中。工業傳感器共性技術如材料、設備、方法、可靠性驗證分析等基礎理論的研究與發展同國外發達國家的差距仍然巨大。
四是工業傳感器核心敏感技術產業化缺“芯”嚴重。盡管傳統的工業傳感器如應變、電感、電容、光柵、稱重、位移量、位置量、金屬彈性器件等年產量居世界領先地位，有些甚至已經實現出口。但是對于高端工業傳感器，尤其是高端制造的重點領域、重點行業、重大工程用配套工業傳感器基本上100%依靠進口。即使國內生產，也僅僅停留在研究、樣機、小批量中試階段，相關傳感器核心技術(器件)的產業化仍然“路漫漫”，嚴重制約我國工業的快速發展及工業制造的“自主可控”。如：國內硅基MEMS壓力傳感器全產業基本處于封裝代工階段，從普通硅基壓力傳感器、OEM硅基壓力傳感器到流程工業高端設備控制用變送器，核心硅基敏感芯片基本上全部進口，國內自主配套不足1%；高端智能制造、CNC數控機床、大型工程機械等配套需求的位置、壓力、圖像、慣性器件等傳感器以歐美日或歐美日在國內的合資企業壟斷；國內工業基礎氣體傳感器主要集中在中低端的催化燃燒式、電化學式、紅外式、以及MOS氣體傳感器階段，僅有少量高端的激光紅外氣體傳感器及光離子化PID氣體傳感器在工業制造領域使用。新產品、新技術的工業氣體傳感器產業化落后國際先進水平至少五年左右。MEMS硅基壓力傳感器核心敏感元器件、高端氣體傳感器敏感芯片等雖然完成技術攻關，但產業化配套基本為零，國內產業化生產敏感核心器件及傳感器高端市場基本上全部依賴進口。國內工業傳感器主要集中在中低端制造業市場。高端應用的產業化發展空“芯”化問題已經成為制約中國制造由大到強的關鍵阻礙。
五是針對工業傳感器的數據統計嚴重“失真”。國內對于工業傳感器產業進行分析時，都是以傳感器這一大概念進行，“泛”傳感器的數據統計方式導致大量非工業領域傳感器數據被采集，工業傳感器數據的真實度嚴重失真，對頂層設計和真正認識工業傳感器現狀毫厘千里、弊端無限。
努力建成工業傳感器“一條龍”生態
1。以德國X-Fab的精、專、特標準化核心器件產業基地為對標，建成力、熱、磁、氣核心器件專業定點產線，實現國內工業基礎傳感器基礎核心器件成果產業化轉移，配套快速發展的中國制造業對傳感器的需求特別是核心器件的需求。
工業基礎傳感器是制造工業的基礎，首先解決當前產業急需的核心器件產業化問題，完善從材料、制造、銷售、使用的一條龍產業生態，徹底解決國內工業基礎傳感器有“器”無“芯”的尷尬局面，真正實現工業基礎傳感器對國家工業基礎的基石和支撐作用，形成分工明確、配套清晰的產業化發展鏈條。建成中國的X-Fab專業產線。
標準化定點專業產線不僅要求有良好潔凈的工作環境，更需要清晰的產品(不可唯利是圖)，清晰的工藝管控、素質技能穩定的管理管控團隊。做到環境、產品、工藝、管控四“凈”。
2。集中開展傳感器跨學科培養，在人才評價、人才團隊建設樹立領軍人物，培養高端扛旗幟的企業；在標準、可靠性、專利等多角度加大獎勵制度，推動人才隊伍快速成長。
繼續加大、做強重大基礎理論與實驗研究及傳感器領域人才培養與儲備，傳感器設計方法與關鍵制作技術研究，鼓勵高等院校、科研機構根據需求和自身特色，聯合公共服務平臺和企業，建設跨學科的智能傳感器綜合人才培養基地，為企業輸送高層次工藝人才和技術創新人才。鼓勵示范性微電子學院和儀器學院的人才培養向智能傳感器方向傾斜。積極引進海外領軍人才和高端技術人才，持續優化人才環境，支持相關技術中心、孵化創業中心等建設，為高端人才集聚提供載體。建立應用型人才良性評價機制，加大對應用性基礎研究的引導力度，建立產、學、研良好生態。
3。從材料、制造、銷售龍頭抓起，建成工業傳感器“一條龍”生態。健全分工清晰明確的工業傳感器生態鏈，實現傳感器工業“基石”的支撐作用。
加大流程工業用力、熱、磁、流量、環境氣體安全檢測傳感器和離散傳感器產業基地建設，形成流程工業、離散工業傳感器精、專、特、新的產業布局，培養一批各自的產業領域的隱形冠軍。針對隱形冠軍培養在市場、技術、團隊從不同角度給予政策支持，設立專項資金對技術創新型企業進行扶持，在功能工業傳感器生態鏈上培養領軍企業。
4。加大對傳感器中、小微企業知識成果及科研成果保護，鼓勵企業技術創新，積極開展共性關鍵技術、基礎工藝技術的研究，降低企業科研成果轉化風險，開展新型一體化智能工業傳感器研究，提倡建設工業傳感器小微企業的技術隱形冠軍。
加大國家對于傳感器產業化方面的投入，鼓勵建設產業集聚園區和公共創新平臺，加速新設計、新工藝導入。加強對共性關鍵技術、基礎工藝技術研究的投入，在政策、制度、資金等給予傾斜，縮短技術向產品轉化的周期。強化市場應用對產業的需求牽引作用，鼓勵應用廠商通過商業合作、投資入股等方式參與智能傳感器的研發與制造，整合產業鏈上下游。支持科研院所和高等院校開展智能傳感器關鍵技術和基礎理論研究、關鍵芯片開發，提升產品的集成化、智能化水平，加強知識產權保護，鼓勵科研成果轉化。鼓勵開展新型工業傳感器一體化及技術及應用研究，在感知、控制、通訊、算法、智能化、網絡化應用開展工作，滿足新一代工業傳感器需求。
5。以市場需求為引領，產品質量為準入門檻，企業對自身產品的質量責任保障為前提，從政策面給予工業傳感器在國家重點行業、重點領域、重大工程中的配套使用力度，給予國貨配套更優惠條件，在工業傳感器應用領域落實并加大力度實施國家“政府采購法”和“國貨優先”政策。保障工業傳感器在中國制造的發展過程中同步快速成長。
6。針對傳感器的泛在性和工業傳感器的特殊性，在數據統計、分析和政策制定上加強統計的準確性和合理性，避免出現一葉障目，導致數據失誤帶來的不良后果，為工業傳感器發展提供準確依據。
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