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傳感器材料與器件技術發(fā)展現(xiàn)狀與對策

日期:2021-04-07        來源:《科技中國》2021年第三期pp.12-14

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  楊斌1,牛永安2,秦文靜3,文震4

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

  傳感器是獲取物質世界信息的主要途徑與手段,是實現(xiàn)經濟社會各領域從數字化、網絡化向智能化加速躍升的基礎器件,因此成為各發(fā)達國家競相角逐的技術高點之一。本文對傳感器材料與器件技術的特點和發(fā)展趨勢,以及國內外發(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及其特點

  從技術角度講,傳感器是指具有信息采集功能的基礎性功能器件,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出高靈敏應答的功能材料,以及制造傳感器所需的結構材料,主要包括:半導體、金屬、復合材料等。

  傳感器技術及其產業(yè)具有技術密集、多技術協(xié)同、行業(yè)滲透力強、跨界融合度高、產業(yè)集中度低等特征;傳感器產品具有品種多、批量小、結構復雜、技術指標分散、參數跨度大、精度要求高、應用領域廣泛等特點;傳感器材料與器件則具有一致性和穩(wěn)定性,以及技術基礎性和協(xié)同性要求高等特性。

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

  二、傳感器材料與器件技術發(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、邊緣計算等技術方面,美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家處于國際領先地位。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及產業(yè)發(fā)展的推動作用主要表現(xiàn)為:重視基礎技術、基礎工藝和關鍵共性技術的協(xié)同性,基礎研究與關鍵共性技術并行,材料研究與器件設計并行,工藝基礎與應用技術并行;重視材料設計與制備的基礎設施建設,重視產品門類和市場應用的匹配;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,美國國家科學基金在傳感器相關基礎技術項目的投入,占高技術相關研究項目投入的20%以上。

  隨著新一代信息技術的發(fā)展,人工智能、物聯(lián)網、無人平臺等新技術的發(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)網傳感器節(jié)點中,數個月更換一次電池是不現(xiàn)實的。“零功耗”傳感器平時可將搭配的電路、通訊等系統(tǒng)徹底關閉,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)可同時對單個應用場景的多個參量進行測量,并將采集到的多維度的數據經過邊緣計算等方式進行處理,輸出與應用場景強相關的結果的,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,提高對應用場景和環(huán)境的適應性,提升可靠性。

  四是網絡協(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)同設計,經過統(tǒng)一的材料平臺一次加工完成。還可與現(xiàn)有CMOS工藝兼容,形成網絡協(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據處理、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,即智能傳感器與人工智能相結合。

  三、我國傳感器材料與器件技術發(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、生產和應用,大專院校、科研機構都有不同程度涉及傳感器材料與器件研發(fā)、小批量生產。我國傳感器產業(yè)門類基本齊全,產品涵蓋了10大類、42小類、7000多個品種。近年,國內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)研制生產傳感器的企業(yè)比例還不高,大多為企業(yè)附屬產品,產值相對較低。

  長期以來,影響我國傳感器材料與器件技術發(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研發(fā)的資源匹配和關注度不夠,與傳感器的戰(zhàn)略需求和產業(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。我國整個傳感器產業(yè)基礎比較薄弱,研發(fā)與產業(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,技術分散、資金分散、布局分散、結構分散。因此,科研院所、大學以及企業(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)技術難度高,投資多、周期長、回報率低、風險大,很多金融機構不愿選擇投資這種長線又風險高的技術,導致研發(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、無人平臺領域的傳感器材料與器件技術的研究。

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

  四是設立“傳感器產業(yè)化發(fā)展專項基金”。激勵中小企業(yè)發(fā)展專業(yè)性強、有特色的技術與產品,加強對敏感機理與材料、工藝技術創(chuàng)新、生產設備與裝備、智能化網絡化應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的產業(yè)基礎。

  五是創(chuàng)建傳感器產業(yè)園。通過優(yōu)化產業(yè)發(fā)展環(huán)境,促進產學研結合,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業(yè)生態(tài)環(huán)境。

  本文特約編輯:姜念云

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