傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術,被認為是現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一,也是國內(nèi)外公認的最具有發(fā)展前途的高技術產(chǎn)業(yè)。在國內(nèi)有自動化方面的專家指出,傳感器技術直接關系到我國自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢,認為“傳感器技術強,則自動化產(chǎn)業(yè)強”。由此可見傳感器技術對自動化產(chǎn)業(yè)乃至整個國家工業(yè)建設的重要性。
然而,在傳感器迎來春天的時候,中國公眾看到的似乎仍然是國外半導體巨頭的盛宴。業(yè)內(nèi)人士認為,雖然中國的傳感器市場發(fā)展很快,但本土傳感器技術與世界水平相比仍存在很大差距。
這種差距,一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后,另一方面,則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡化方面的技術落后。由于沒有形成足夠的規(guī)?;瘧茫瑢е聡鴥?nèi)的傳感器不僅技術低,而且價格高,在市場上很難有競爭力。
各國傳感器發(fā)展情況
目前全球傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭公司主導。美國、日本、德國及中國合計占據(jù)全球傳感器市場份額的72%,其中中國占比約11%。與全世界生產(chǎn)的超過2萬種產(chǎn)品品種相比,中國國內(nèi)僅能生產(chǎn)其中的約1/3,整體技術含量也較低,是目前急需改變的一個狀態(tài)。
美 國
美國早在80年代就聲稱世界已進入傳感器時代,美國早在80年代初就成立了國家技術小組(BGT),幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業(yè)部門的傳感器技術開發(fā)工作。美國國家長期安全和經(jīng)濟繁榮至關重要的22項技術中有6項與傳感器信息處理技術直接相關。關于保護美國武器系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)勢至關重要的對項關鍵技術之中,8項就為無源傳感器。美國空軍2000年舉出15項有助于提高21世紀空軍能力關鍵技術,傳感器技術名列第二。
美國發(fā)展模式走的先軍工后民用、先提高后普及的路子。有顯著特點:
(一)非常重視傳感器功能材料研究;
(二)對傳感器技術開發(fā)十分重視:例如美國霍尼威爾公司的固態(tài)傳感器發(fā)展中心每年用于設備投資就有5000萬美元,目前擁有包括計算機輔助設計、單晶生長、加工、圖形發(fā)生器,對步重復照像、自動涂膠和光刻、等離子刻蝕、濺射、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)測試等最先進的成套設備和生產(chǎn)線,而且是大約每三年左右就要更新其中大部分儀器設備,聲稱只有這樣,才能保證其技術領先水平。
(三)重視工藝研究:傳感器原理不難,也不保密,而最保密的是工藝。有不少評價“傳感器”不是一般的工業(yè)產(chǎn)品,而是一種完美的工藝品之佳作。研發(fā)方面,美國約有1,300家生產(chǎn)和開發(fā)傳感器的廠家,100多個研究院所和院校。
德 國
德國視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術,德國傳感器充分發(fā)揮了老牌工業(yè)強國的固有優(yōu)勢,再經(jīng)德國制造商依托自有品牌聲譽和技術研發(fā)、質(zhì)量管理方面的優(yōu)勢進行整合,其產(chǎn)品的市場競爭力必然獲得顯著提升。
一方面更加注意原材料成本的節(jié)約;重人力資本的投入,以便使產(chǎn)品保持技術上的領先,進而保持較高的市場占有率!
日 本
日本則把傳感器技術列為十大技術之首。日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術就能夠支配新時代”。日本對開發(fā)和利用傳感器技術相當重視并列為國家重點發(fā)展6大核心技術之一。
日本科學技術廳制定的90年代重點科研項目中有70個重點課題,其中有18項是與傳感器技術密切相關。
日本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,后者花錢少,更快些。研發(fā)方面,日本約有800家生產(chǎn)和開發(fā)傳感器的廠家。
中 國
我國早在20世紀60年代就開始涉足傳感器制造業(yè)。我國在1972年組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位;1974年,研制成功中國第一個實用壓阻式壓力傳感器;1978年,誕生中國第一個固態(tài)壓阻加速度傳感器;1982年,國內(nèi)最早開始硅微機械系統(tǒng)(MEMS)加工技術和SOI(絕緣體上硅)技術的研究。進入20世紀90年代后,硅微機械加工技術的絕對壓力傳感器、微壓傳感器、呼吸機壓傳感器、多晶硅壓力傳感器、低成本TO-8封裝壓力傳感器等相繼問世并實現(xiàn)生產(chǎn)。
改革開放30年來,我國傳感器技術及其產(chǎn)業(yè)取得了長足進步,主要表現(xiàn)在:建立了傳感技術國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室、國家傳感技術工程中心等研究開發(fā)基地;MEMS、MOEMS(微光機電系統(tǒng))等研究項目列入了國家高新技術發(fā)展重點;在“九五”國家重點科技攻關項目中,傳感器技術研究取得了51個品種86個規(guī)格新產(chǎn)品的成績,初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)。
目前,中國傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關鍵階段,它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡化發(fā)展的總趨勢。
國內(nèi)傳感器行業(yè)現(xiàn)狀
國內(nèi)傳感器一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后,另一方面,則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡化方面的技術落后。由于沒有形成足夠的規(guī)?;瘧?,導致國內(nèi)的傳感器不僅技術低,而且價格高,在市場上很難有競爭力。
中國大致從1980年以后開始重視傳感器技術的研究。經(jīng)過多年的努力,在傳感器研究方面的發(fā)展水平還算是比較好的。但是,在產(chǎn)品化方面的技術進步還不是很理想,很多傳感器技術,其實國內(nèi)的實驗室研究水平并不是很差,可惜未能充分利用,沒有轉化為進入市場的成熟產(chǎn)品。
傳感器技術的研究需要比較長時間的投入,一款傳感器的研發(fā),要6年-8年才能成熟,一般中國企業(yè)都承受不了這么長的周期。中國企業(yè)更難以承受失敗,而傳感器的研究失敗的風險很高。
日本企業(yè)支持的研發(fā)中,很多形不成產(chǎn)品,但是企業(yè)能夠承受,10項中只要2項-3項能夠變成產(chǎn)品就行。相比之下,我們很多企業(yè)都是準備去拿別人現(xiàn)有的東西。這種思路是有問題的,包括我們總是希望引進國外現(xiàn)成的、有自己項目的人才。都不準備養(yǎng)魚,而是撈一條魚來。
相比于比較大型的儀器設備,傳感器在產(chǎn)品化過程中需要的投資一般不是很大,所以比較適合小型企業(yè)投資。在這方面,中國應該是有優(yōu)勢的。然而,如果從另外一個方面考慮,這也是一個短處。
傳感器行業(yè)的一個特點是,傳感器本身技術含量高,但單只傳感器的價格一般不高。此特點導致的一個結果是,盡管傳感器的技術附加值高,但單純依賴傳感器很難形成可觀的產(chǎn)值。
一般來說,傳感器有點像中藥里的“藥引”,本身功能很重要,但真正形成規(guī)模還需要依賴整服藥劑才行。國外很多傳感器公司一旦在某種傳感器上有突破,很快會有相關的測量儀器開發(fā)出來。
另外,在中國的專利保護機制下,傳感器中辛辛苦苦研發(fā)出來的關鍵技術,往往呈現(xiàn)一種“訣竅”性質(zhì),被抄襲后,很難說清楚,企業(yè)也打不起官司。國內(nèi)雖然也有MEMS傳感器企業(yè),但都是委托加工,搞不好就被加工企業(yè)自己拿去做了,目前的企業(yè)創(chuàng)新體系有很大的問題。
中國傳感器發(fā)展與國外差距
國內(nèi)傳感器廠商占據(jù)中低端市場從發(fā)展態(tài)勢看,國內(nèi)傳感器廠商有三種情況:
一、民營或合資企業(yè)的產(chǎn)品占據(jù)了中低端市場,傳統(tǒng)技術和裝備手段可以滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的制造要求,市場發(fā)展狀態(tài)良好。除個別廠家在個別品種方面將國外生產(chǎn)的芯片拿到國內(nèi)封裝出相關產(chǎn)品、占據(jù)市場較大份額外,其他高端產(chǎn)品均是國外廠商在壟斷。
二、隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的興起,傳感器產(chǎn)業(yè)成為世界各國在高新技術發(fā)展中爭奪的一個重要領域。近年來我國傳感器產(chǎn)業(yè)快速增長,應用模式也日漸成熟。但由于產(chǎn)業(yè)檔次偏低、技術創(chuàng)新能力較差,國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)低端過剩、中高端被國外壟斷的市場格局。傳感器技術發(fā)展滯后已掣肘國內(nèi)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的順利推進。
目前從材料、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡我國已形成較為完整的傳感器產(chǎn)業(yè)鏈。在網(wǎng)絡接口、傳感器與網(wǎng)絡通信融合、物聯(lián)網(wǎng)體系架構等方面取得較大進展。但產(chǎn)業(yè)檔次偏低、企業(yè)規(guī)模小、技術創(chuàng)新能力差,很多企業(yè)只是引進國外元件進行加工,同質(zhì)化嚴重。而生產(chǎn)裝備落后、工藝不穩(wěn)定等造成產(chǎn)品指標分散、穩(wěn)定性差。模仿產(chǎn)品在敏捷度方面也不盡如人意。在相對研發(fā)突出的領域,卻忽略了工業(yè)化基礎性開發(fā),商品化開發(fā)嚴重滯后。
目前我國傳感器產(chǎn)品約6000種左右,而國外已達20000多個,遠遠滿足不了國內(nèi)市場需求。中高端傳感器進口占比達80%,傳感器芯片進口更是達90%,國產(chǎn)化缺口巨大。其中數(shù)字化、智能化、微型化等高新技術產(chǎn)品嚴重短缺。國家重大裝備所需高端產(chǎn)品主要依賴進口。而涉及國家安全和重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表,國外對我國往往采取限制。外資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)國內(nèi)高端市場絕大多數(shù)的市場份額,并將會在今后很長一段時間內(nèi)持續(xù)把持高端市場,這種勢頭在短期內(nèi)不會得到根本轉變。
三、國有企業(yè)發(fā)展處于平穩(wěn)增長狀態(tài),總體上跟不上國外最新技術發(fā)展的步伐,除少數(shù)廠家外,總體差距有擴大的趨勢。這是因為傳感器技術發(fā)展快,工藝和制造設備更新快,許多新設備國內(nèi)廠商無法制造等原因造成的。并且設備的單臺價格少則幾十萬美元,多則數(shù)百萬美元,絕大多數(shù)廠家靠自身積累很難購買新型設備,致使在許多新技術、新工藝方面無法跟上國外企業(yè)飛速發(fā)展的步伐。
我國傳感器發(fā)展差距的主要原因
一、核心制造技術嚴重滯后于國外,國內(nèi)產(chǎn)品差強人意。
國外傳感器的新技術、新產(chǎn)品、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn),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、不斷升級,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,所以在深度和廣度上差異較大,主要表現(xiàn)為:
1、產(chǎn)品品種不全、規(guī)格少,新品欠缺。
我國目前傳感器產(chǎn)品品種數(shù)為3000個左右,而國外已達20000多個,產(chǎn)品品種滿足率僅在60%-70%左右,遠遠滿足不了國內(nèi)傳感器市場需求。從行業(yè)產(chǎn)品結構看,老產(chǎn)品比例占60%以上,新產(chǎn)品不足吟,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、高檔產(chǎn)品少、缺乏市場競爭力。
2、科技創(chuàng)新差,擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品少。
企業(yè)自主開發(fā)與技術創(chuàng)新能力差。由于多重因素影響,國內(nèi)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。
二、工藝裝備落后,產(chǎn)品質(zhì)量差。
經(jīng)過多年開發(fā),雖然研制出一批工藝和產(chǎn)品,但由于批產(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國外差1-2個數(shù)量級,使用壽命差2-3級。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。
三、人才資源匱乏,產(chǎn)業(yè)發(fā)展不足。
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、技術管干、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。
四、統(tǒng)籌規(guī)劃不足,投資力度不夠。
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,牽制了信息技術的飛速發(fā)展。
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