楊斌1，牛永安2，秦文靜3，文震4

　　(1.科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.沈陽化工大學(xué);3.天津理工大學(xué);4.蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院)

　　傳感器是獲取物質(zhì)世界信息的主要途徑與手段，是實現(xiàn)經(jīng)濟社會各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速躍升的基礎(chǔ)器件，因此成為各發(fā)達國家競相角逐的技術(shù)高點之一。本文對傳感器材料與器件技術(shù)的特點和發(fā)展趨勢，以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及我國面臨的問題進行了分析梳理，提出了對策建議。

　　一、傳感器材料與器件技術(shù)及其特點

　　從技術(shù)角度講，傳感器是指具有信息采集功能的基礎(chǔ)性功能器件，主要包括：生物、光電、紅外、力敏等傳感器。而傳感器材料則是指對聲、光、電、磁、熱等信號的微小變化反應(yīng)出高靈敏應(yīng)答的功能材料，以及制造傳感器所需的結(jié)構(gòu)材料，主要包括：半導(dǎo)體、金屬、復(fù)合材料等。

　　傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)具有技術(shù)密集、多技術(shù)協(xié)同、行業(yè)滲透力強、跨界融合度高、產(chǎn)業(yè)集中度低等特征;傳感器產(chǎn)品具有品種多、批量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)指標分散、參數(shù)跨度大、精度要求高、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點;傳感器材料與器件則具有一致性和穩(wěn)定性，以及技術(shù)基礎(chǔ)性和協(xié)同性要求高等特性。

　　在傳感器技術(shù)領(lǐng)域，我國受限于整體發(fā)展水平、技術(shù)實力、人才積累等因素，已與歐美等國家形成了“代差”，技術(shù)追趕尤為迫切。

　　二、傳感器材料與器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　總體來看，國外傳感器具有原理先進、技術(shù)覆蓋面廣、靈敏度高、集成度高的特點。在傳感機理、傳感器材料、制造工藝、裝備與測試、邊緣計算等技術(shù)方面，美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家處于國際領(lǐng)先地位。在傳感器市場銷售方面，美國、日本、德國占世界傳感器市場銷售額的70%。

　　各國對傳感器材料與器件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動作用主要表現(xiàn)為：重視基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝和關(guān)鍵共性技術(shù)的協(xié)同性，基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵共性技術(shù)并行，材料研究與器件設(shè)計并行，工藝基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)并行;重視材料設(shè)計與制備的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，重視產(chǎn)品門類和市場應(yīng)用的匹配;在全面掌握傳感材料與器件發(fā)展過程中，注重上下游接口聯(lián)接的各項標準的完整性、統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性;制定發(fā)展規(guī)劃、基金投入巨大。2010年以來，美國國家科學(xué)基金在傳感器相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)項目的投入，占高技術(shù)相關(guān)研究項目投入的20%以上。

　　隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、無人平臺等新技術(shù)的發(fā)展，對傳感器材料與器件提出了新的要求和挑戰(zhàn)。新一代傳感器體現(xiàn)出以下幾個明顯的發(fā)展趨勢：

　　一是零功耗。在龐大的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點中，數(shù)個月更換一次電池是不現(xiàn)實的?！傲愎摹眰鞲衅髌綍r可將搭配的電路、通訊等系統(tǒng)徹底關(guān)閉，且自身不需要消耗電能也可維持對外界刺激的敏感。當接收到外界的變化“事件”時(如車輛經(jīng)過、有害氣體泄漏、出現(xiàn)特定光譜等)，才將后端的電路等接通，實現(xiàn)真正的“零功耗”環(huán)境監(jiān)測。

　　二是無線按需連接。物聯(lián)網(wǎng)無線傳感節(jié)點的另一大能耗來自無線通訊。因此，利用新的材料和器件，實現(xiàn)無線按需連接，平時整個通訊系統(tǒng)徹底關(guān)斷，在需要的時候成功喚醒，是未來無線傳感器發(fā)展的重要方向。

　　三是多維信息集成。即開發(fā)可同時對單個應(yīng)用場景的多個參量進行測量，并將采集到的多維度的數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣計算等方式進行處理，輸出與應(yīng)用場景強相關(guān)的結(jié)果的，具有多傳感器融合和系統(tǒng)集成特點的新型傳感器，以實現(xiàn)單個傳感器對多維信息的感知能力，實現(xiàn)感知端邊緣的算、存、傳一體，提高對應(yīng)用場景和環(huán)境的適應(yīng)性，提升可靠性。

　　四是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與集成化。未來傳感器需要建立在統(tǒng)一的材料工藝平臺上，形成傳感器的協(xié)同設(shè)計，經(jīng)過統(tǒng)一的材料平臺一次加工完成。還可與現(xiàn)有CMOS工藝兼容，形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議化的多個傳感器、多個信號讀取電路的單芯片集成，極大地提高傳感器的集成度。

　　五是特殊應(yīng)用的傳感器。包括針對特殊環(huán)境的生理信號采集傳感器，針對特殊應(yīng)用需具有透明、柔韌、延展、可彎曲、可穿戴等特點的傳感器。

　　六是多感知功能傳感器。傳感器已由對力、熱、聲、電、磁等單一維度物理量感知，擴展到對氣體、液體、紅外等信息的新型感知功能，未來將出現(xiàn)可以對人皮膚的熱、疼痛、濕度、觸覺等感知的傳感器。

　　七是智能化。將多種傳感功能與數(shù)據(jù)處理、存儲、雙向通信等功能集一體，全部或部分實現(xiàn)傳感器的自動控制、自動檢測、自動分析、自動診斷等功能。智能化的另一個方向是軟傳感技術(shù)，即智能傳感器與人工智能相結(jié)合。

　　三、我國傳感器材料與器件技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與對策建議

　　總體來看，目前我國已有1300余家單位從事傳感器材料與器件的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，大專院校、科研機構(gòu)都有不同程度涉及傳感器材料與器件研發(fā)、小批量生產(chǎn)。我國傳感器產(chǎn)業(yè)門類基本齊全，產(chǎn)品涵蓋了10大類、42小類、7000多個品種。近年，國內(nèi)傳感器市場保持快速增長，年均增長速度超過20%。但我國目前專業(yè)研制生產(chǎn)傳感器的企業(yè)比例還不高，大多為企業(yè)附屬產(chǎn)品，產(chǎn)值相對較低。

　　長期以來，影響我國傳感器材料與器件技術(shù)發(fā)展的問題，主要在以下幾個方面：

　　一是重視程度不夠。對傳感器材料與器件技術(shù)研發(fā)的資源匹配和關(guān)注度不夠，與傳感器的戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)地位不相符，與面向“2025中國制造”的需求嚴重不匹配。

　　二是資源分散。我國整個傳感器產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，研發(fā)與產(chǎn)業(yè)規(guī)模小而分散，主要表現(xiàn)為，科研人員少、企業(yè)小、盈利少，技術(shù)分散、資金分散、布局分散、結(jié)構(gòu)分散。因此，科研院所、大學(xué)以及企業(yè)都難以單獨支撐材料到器件的研發(fā)，需要一個能夠把傳感器材料與器件沿著產(chǎn)業(yè)鏈方向進行整合的平臺與機制。

　　三是缺少多元化的投入。傳感器材料與器件研發(fā)技術(shù)難度高，投資多、周期長、回報率低、風(fēng)險大，很多金融機構(gòu)不愿選擇投資這種長線又風(fēng)險高的技術(shù)，導(dǎo)致研發(fā)投入不足。

　　對此，我們提出如下建議：

　　一是加強統(tǒng)籌規(guī)劃。提升戰(zhàn)略地位，把發(fā)展傳感器材料與器件作為國家戰(zhàn)略，在2035戰(zhàn)略規(guī)劃中凸顯出來。

　　二是加大支持力度。加大國家科技計劃對傳感器材料與器件研發(fā)的支持力度，重點支持涉及人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、無人平臺領(lǐng)域的傳感器材料與器件技術(shù)的研究。

　　三是建立創(chuàng)新中心。建立由政府主導(dǎo)，企業(yè)牽頭，大學(xué)、科研院所、金融機構(gòu)共同參與的，傳感器材料與器件方面創(chuàng)新中心。從前沿基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、檢測和標準，以及知識產(chǎn)權(quán)管理等全創(chuàng)新鏈的角度，加強對相關(guān)研發(fā)資源的整合與系統(tǒng)推動。

　　四是設(shè)立“傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展專項基金”。激勵中小企業(yè)發(fā)展專業(yè)性強、有特色的技術(shù)與產(chǎn)品，加強對敏感機理與材料、工藝技術(shù)創(chuàng)新、生產(chǎn)設(shè)備與裝備、智能化網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用等各重點方向的支持，形成堅實的、完全自主可控的傳感器材料與器件技術(shù)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

　　五是創(chuàng)建傳感器產(chǎn)業(yè)園。通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，促進產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，創(chuàng)造上下游整合契機，形成行業(yè)資源優(yōu)勢互補，打造良好的傳感器產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

　　本文特約編輯：姜念云