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郭源生:国际战略竞争下的传感器产业再认识

为此,本报特开辟“传感器产业‘十四五’展望”专栏,邀请业内专家把脉传感器产业,从技术、应用、市场全面梳理国内传感器产业的发展状况,为新基建的建设以及新一代信息技术的快速发展提供有力支撑。
发布时间:2020-07-14 08:55        来源:中国电子报        作者:郭源生

编者按:传感器是多学科的高技术聚合物,被称为“工业工艺品”。当前,传感器正在向智能化、微型化、多功能、低功耗、高精度等方向发展。“十四五”期间,我国智能传感器产业将在技术创新和产业规模上取得重大突破,设计与制造技术创新能力将大幅提升,模拟仿真、MEMS工艺、晶圆级封装、个性化测试和软硬件集成能力将达到国际先进水平,产业规模突破千亿元,成为支撑工业互联网和智能制造的新型基础产业。为此,本报特开辟“传感器产业‘十四五’展望”专栏,邀请业内专家把脉传感器产业,从技术、应用、市场全面梳理国内传感器产业的发展状况,为新基建的建设以及新一代信息技术的快速发展提供有力支撑。

在数字经济体系或系统架构中,贯穿始终或流淌的“血液”就是数据。在由感知术、传输和处理,以及存储、反馈与执行等构成的整个信息系统中,始终传递也是“数据”。然而,作为数字经济最核心技术之一,传感器的产业化令人担忧。严重制约和影响着数据采集与所获取的功能与效率。成为影响和制约数字经济发展的最大的障碍与瓶颈,应当从战略方面引起高度重视。

战略定位再认识

依据当前我国传感器产业发展现状和问题,结合当前“十四五”规划将至、产业结构调整与制造业转型升级、疫情后数字经济产生的影响等几个方面的综合因素,进行重新定位。传感器作为数据采集的唯一功能器件,是信息技术的基础核心技术。

众所周知,信息技术是由感知术、传输和处理三大技术构成,即:计算机技术、通信技术、传感器技术。信息系统的硬件是由三大技术加上信息存储、反馈与执行等构成,而在整个系统中传递的信息正是“数据”。如果把一个人看做成一个完整的信息系统,那么五官和皮肤与外界交互的信息就是“数据信息”,感知器官就是数据采集装置,是数据获取的核心。现实中与其相对应的实物器件就是传感器产品,因此传感器也被称为“电子五官”;5G等通信技术被称为人的神经系统;计算机被称为人体的大脑,负责并承担数据处理功能。

因此,应当把传感器提升到国家战略高度进行重新再认识,以便价值回归,受到其应有的重视。应该像扶持集成电路、显示技术一样,在国家战略规划中,突出传感器的战略地位,并给予相应的配套政策(专项扶持、税收减免、市场准入)持续支持,以弥补产业技术短板与政策缺失。

技术工艺再认识

虽然传感器是多学科、多技术、多领域的融合体,涉及物理、化学、生物基础学科,从敏感机理、工艺技术、结构设计、产成品测试、市场应用等全产业链过程,几乎与材料、机械、电子、数学、计算机软硬件、测量、半导体等等所有二级学科紧密相关。生产工艺也极为繁杂,被称为制作“工业工艺品”。但是,一味追求产品高精度、高可靠性、高稳定性指标就极大地增加了生产工艺技术难度和产业化水平与能力。经济效益上不去,创新成果收效甚微。因此,单一器件多功能复合和多个器件集成组合是传感器技术创新发展的趋势。

传感器单一地追求高精度,标新立异地把产品做到极致是科研领域常常出现的问题。然而,在配套市场和应用场景上,往往需要的是可靠性和稳定性指标,以及对使用成本的要求,通过系统的整体功能来体现对传感器单一指标的要求。甚至是单独敏感元器件可以同时具备感知两个或两个以上的物理、化学量;多个不同物理、化学量敏感元器件集成、复合在同一个芯片上;或者组合成一个组件(模组),形成一个智能化模块。依据应用场景数据测量要求,结合多维度识别和软件算法,来弥补单一追求高精度带来的诸多问题。

因此,在八大敏感元件采用共性MEMS工艺技术,提高产业化水平的同时,需要在产品使用功能及技术标准与规范上下功夫。把多个敏感元件复合,结合软件处理,组合构成多维度测试和多参数融合的微系统,来弥补片面追求高精度,而给产业化规模生产增加的难度,从而减少高精度生产难度和产成品测试成本,提高规模生产的经济效益。

产业化能力再认识

目前全球约有2.6万种不同类型的传感器,形成了多品种、小批量的现状。因此产业过于“散”,缺乏从研发设计、功能指标、外形结构以及应用场景的规范和标准,导致往往为了创新而创新。不仅造成浪费,增加了产业化难度,也给市场应用带来了更多的复杂性。

现有的传感器企业散落在全国各地、产业链协同难度较大;生产工艺流程繁琐复杂、技术要点繁多;工装夹具独特、装备昂贵;企业规模偏小、人才集聚和培养难难度大。这些导致产业化长期处于“尴尬”与“无奈”的境地。更有甚者,把传感器与集成电路产品、技术、工艺混淆,将其划分到集成电路之列,导致长期得不到产业政策的倾斜与支持。

市场协同与融合再认识

国内外传感器市场总规模上年度已突破1870亿美元,并以大于10%的平均速度增长,有些领域的市场呈现出爆发式增长态势。然而,在生产企业与用户之间存在着难以跨越的障碍,各自对技术的理解和对方的需求也不尽相同,难以找到有效方法和途径来贯通和突破。从使用者角度看,存在技术参数、结构选择上的高深莫测,一时难以搞清楚,导致“不会用”和“不敢用”现象,也根本提不出详细内容和不同场景下的特殊使用要求。从生产角度看,厂家对市场应用的场景数据模型把握不准,产品从结构到性能缺乏柔性化设计,难以提供个性化和精准化的参数指标,也很难了解用户需要用什么、怎么用、为什么要这么选。从技术角度看,现实中的场景和状态是动态、多变、复杂的,取什么参数不仅从现场需要角度考虑,更需要系统整体设计。因此,在数据采集现场,在传感器类型、结构与参数选取上各持己见、各持一词现象频发,可谓是“南腔北调”,甚至是“南辕北辙”,差异极大。可是,选用什么类型的传感器对系统或装置装备性能和智能化水平来说又至关重要。

此外,用户在对待国内企业和产品上存在较大的偏见和分歧。在同等情况下,用户往往选用的是价格大大高于国内企业的国外产品。尤其是资源垄断性行业,为了减轻责任和避免麻烦,就形成了“能买国外的就一定不用国内产品”的普遍现象。除对用户国内企业的偏见外,有时苛刻的额外条件、繁杂的程序和流程也让企业望而却步。因此,国内企业即使长期追踪却也是无功而返,这样也逐步抬高了准入门槛和行业壁垒。

由此可见,产、用之间的障碍与瓶颈成为产业化发展的一大障碍。因此,传感器产品既要向参数指标的归一化、标化化、智能化、网络化方向发展,同时,也要建立产用之间的协同创新关系,组建产业与应用之间的相互信任、相互交流与沟通的信息通道和技术研发平台,为传感器产业化发展扫除道路上的障碍。

复合型人才需求再认识

人才协同是技术融合的前提,是产业化的基础保障。然而,目前传感器行业内缺少企业家或龙头企业的引领和带动,企业内部缺乏复合型技术创新和产业化的高端人才,特别是国际化领军人才,使得资本关注度不高,产业重组和资源整合难于形成。

因此,基础研究型人才、技术复合型人才、产业化工程型、国际化视野的人才的培养和聚集至关重要。对传感器行业来说,具有战略头脑和市场化能力的企业家人才更是重中之重。

产业化建议和构想

传感器产业发展问题集中表现为:多品种小批量、产品分散性大、产业集中度不高、企业规模偏小以及专业化及龙头企业偏少。从而呈现出以下五个方面问题:缺人、缺钱、缺技术、缺市场、不够重视。

在数字经济快速发展的今天,人们必须认识到我国产业化中的突出矛盾和问题,并应结合我国结构调整与转型升级,结合“十四五”规划要求,结合疫情、国际摩擦升级与环境变化产生的具体影响,做好战略定位和顶层设计,配置相应资源,梳理规范和标准等。其实若要实现我国传感器产业化并非难事,红外热电堆传感器的产业化便是最好的例子。

具体建议如下:第一,明确战略定位,做好顶层设计。把传感器产业化作为数字经济基础的核心,并提升到国家战略高度来认识,分层次、分阶段的持续培育和支持。第二,挖掘产业中的问题,弥补短板与瓶颈。从产业体系和链条中的具体问题入手,解决工艺技术、产业化瓶颈、市场供需矛盾、人才引领作用(特别是企业家人才)、资源优化配置等问题。第三,政策精准配套,资源持续配置。结合地方产业配套政策资源,设立国家产业化专项政策,并在税收等方面给予优惠,针对产业化进行持续引领与指导。第四,持续评估效果,及时调整实施方式。按照产业化层次、阶段、步骤进行分段评价与考核,根据实时状态及时修正和调整实施步骤,避免造成经济损失和更大的机会成本。

根据以上建议,结合区域产业文化特征,可在条件具备的地区建立中国“传感谷”,努力建设我国完整产业链,打造具备“政、产、学、研、用、服”六位一体的协同化、专业化和精准化的“双生态”体系。实现传感器基础产品的500亿元产值,达到系统集成与应用产品千亿元级以上的目标,形成具有明显产业化特色的国际传感器产业集群。

作者郭源生系九三学社中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟副理事长

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