我國傳感技術的現(xiàn)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(chǎn)品現(xiàn)代化程度的重要依據(jù)。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(xiàn)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(xiàn)狀；發(fā)展方向
一、概述
現(xiàn)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(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”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(chǎn)業(yè)的三大支柱。
信息采集系統(tǒng)的首要部件是傳感器，且置于系統(tǒng)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(xiàn)代自動檢測系統(tǒng)中，如果沒有傳感器，就無法監(jiān)測與控制表征生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的各種參量，也就無法實現(xiàn)自動控制。在現(xiàn)代技術中，傳感器實際上是現(xiàn)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(nèi)工業(yè)自動化、信息化和國防現(xiàn)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(nèi)傳感器技術的創(chuàng)新和新產(chǎn)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(chǎn)傳感器，產(chǎn)品20000多種。我國研制生產(chǎn)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(nèi)外傳感技術的發(fā)展現(xiàn)狀
1、我國傳感技術的現(xiàn)狀
近30年來，經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(jié)構設計，后到溫度補償）；微機械加工技術，在國內(nèi)實現(xiàn)了用微機械加工工藝批量生產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)在：
（1）核心制造技術嚴重滯后于國外，產(chǎn)品品質(zhì)勉強過關，傳感器數(shù)字化、智能化、微型化已成趨勢，大多數(shù)產(chǎn)品已變成現(xiàn)實，且在不斷完善和更新?lián)Q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(xiàn)為：
1）產(chǎn)品的種類和規(guī)格不全，新品匱乏
我國目前傳感器產(chǎn)品品種數(shù)為6000個左右，而國外已達20000多個，產(chǎn)品品種滿足率遠遠滿足不了國內(nèi)傳感器市場需求，從行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構看，老產(chǎn)品比例占60%以上，新產(chǎn)品不足40%，高新技術類產(chǎn)品更少，數(shù)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、產(chǎn)品少、缺乏市場競爭力。
2）制造工藝及設備落后，產(chǎn)品品質(zhì)不好
經(jīng)過多年開發(fā)，雖然在制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量上均有所提高，但由于批量生產(chǎn)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(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。從技術角度看，由于國內(nèi)傳感器生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)
技術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)品的推銷商和代理商，在多數(shù)院校和研究院所中，對高技術的跟蹤和對高技術附加值產(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，自主開發(fā)和擁有自主知識產(chǎn)權的科研成果不多。
（2）專業(yè)技術人力資源匱乏，產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足
傳感器及其產(chǎn)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(nèi)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?lián)Q代步伐慢，產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足。
（3）產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)脫節(jié)，影響了科研成果的轉(zhuǎn)化，使我國傳感器產(chǎn)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(xiàn)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(cè)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量管理與市場分析。新產(chǎn)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(zhì)量、軟件試驗，產(chǎn)品設計工程技術人員共同對影響產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量的技術方案和質(zhì)量驗收文件。
（2）國外傳感器的研究、開發(fā)、生產(chǎn)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(jié)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(chǎn)中的不斷普及，使傳感器正在從傳統(tǒng)的結(jié)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(jié)構技術方向發(fā)展。如采用微機械加工技術制作的MEMS產(chǎn)品（微傳感器和微系統(tǒng)），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(xiàn)在傳感器能測量不同性質(zhì)的參數(shù)，實現(xiàn)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(xiàn)對環(huán)境的多參數(shù)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(jié)合，創(chuàng)造出各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)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(jīng)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(wǎng)絡化。網(wǎng)絡傳感器的開發(fā)，使測控系統(tǒng)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(jīng)過三十來年的發(fā)展，現(xiàn)已形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)格局，取得了一些驕人的成績，主要表現(xiàn)在：（1）綜合實力得到加強。目前我國從事傳感器開發(fā)生產(chǎn)的單位達到2000余家，傳感器行業(yè)產(chǎn)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(jīng)由過去的少數(shù)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(chǎn)品，主要產(chǎn)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(chǎn)能力。（3）組建了黑龍江（氣敏）、安徽（力敏）、陜西（電壓敏）三個產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)廣延，空間上實現(xiàn)擴張（三維），檢測量實現(xiàn)多元，檢測方式實現(xiàn)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(nèi)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(shù)字化發(fā)展。借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構或化學物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單*個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)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(nèi)能夠找到，我們可借助基因工程、生物合成分子傳感器系統(tǒng)。
采用硬件軟化、軟件集成、虛擬現(xiàn)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(wǎng)絡化發(fā)展。傳感技術與智能技術結(jié)合之后，由孤立的元器件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展，并使傳感器隨著*的計算機網(wǎng)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生的熱量，根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)基地，加大技術積累和相關投入，培育出傳感器產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)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(chǎn)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(wǎng)絡化，傳感器領域的主要技術將在現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)學研聯(lián)合的機制，組織協(xié)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)來講，要生存、要發(fā)展、要振興、要參與國內(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量、抓市場、抓管理為主要任務，以傳感器產(chǎn)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(jīng)濟緊密結(jié)合、促進其科技成果快速轉(zhuǎn)化的運行機制，基本形成傳感器產(chǎn)學研科技經(jīng)濟一體化的發(fā)展模式，努力實現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)從速度數(shù)量型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，以
達到技術和經(jīng)濟雙升級，創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)雙贏的效果。
五、結(jié)論
當今，我國傳感器產(chǎn)品及其產(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)傳感器的發(fā)展落后于需求的增加，國內(nèi)絕大部分市場，特別是市場被國外占領，國內(nèi)傳感器所占領的都是一些技術含量低、品質(zhì)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(xiàn)生存危機，因此，要抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，堅持走科技與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的道路，加強具有自主知識產(chǎn)權的新型傳感器的開發(fā)，加速現(xiàn)有科研成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，迅速提高國產(chǎn)傳感器的*，是我國傳感器產(chǎn)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(jīng)之路。