时至今日,科技高速发展,新技术不断涌现,世界已经入信息时代。而传感器不仅能为手机用户带来更好的使用体验,同时在工业生产、社交网络、家居智能、健康检测、线路规划和交通管理等方面催生了大量的应用和系统。
可以说,传感器成为了电子机械的“五官”。
产业逆势增长
近年来,传感器产业规模迅速扩大,如2014年,全球图像传感器市场价值97亿10万美元,预计2015-2020年复合年增长率为8.8%;全球流量传感器市场2014-2019年复合年增长率为7.68%。

我国传感器行业也是逆势增长,平均增长速度为20%以上。2013年2月18日,工业和信息化部等4部委制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》,具体行动有:技术创新工程、产品升级工程、产业和企业转型升级工程、产业化应用工程。至此,我国的传感器产业发展进入了重要战略机遇期。
从2013年发展至今,我国传感器产业已有1000多家企业,产业规模有500亿元左右,具体产品规格约有12大类、42小类、6000多品种、20000多种规格。值得一提的是,近几年,国际国内大型企业开始充分重视传感器产业,兼并重组,提高核心竞争力,占领高端市场,中低端市场技术更新,使市场不断扩大。
产业化成关键
目前,我国传感器产业区域分布不均,生产企业主要集中在长三角地区,并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域布局。
长三角区域以上海、无锡、南京为中心,逐渐形成包括热敏、磁敏、图像、称重、光电、温度、气敏等较为完备的传感器生产体系及产业配套;
珠三角区域以深圳中心城市为主,由附近中小城市的外资企业组成以热敏、磁敏、超声波、称重为主的传感器产业体系;
东北地区以沈阳、长春、哈尔滨为主,主要生产MEMS力敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器;京津冀区域主要以高校为主,从事新型传感器的研发,在某些领域填补国内空白;
中部地区以郑州、武汉、太原为主,产学研紧密结合的模式,在PTC/NTC热敏电阻、感应式数字液位传感器和气体传感器等产业方面发展态势良好。此外,随着物联网的升温,陕西、四川和山东等地传感器发展也很快。
我国的传感器产业特点十分明显,其基础面广,依附性强;技术密集,产业难度大;产品规格多,应用分散;投资密集且强度高。这些均成为传感器产业化的阻滞。
传感器产业化的关键在于市场、技术和机制。随着我国的传感器市场容量增大,其竞争压力也逐渐增加,产品性价比、企业盈利能力、市场进入的方向选择都是企业值得关注的方面。而在技术层面,成熟的技术、稳定性高的产品、掌握技术人员的构成等是提升企业传感器技术的核心内容。除了市场和技术因素,传感器的产业化也离不开政府机制的支持,政府对新型传感器产业的扶持,对前沿传感技术研发的扶持,对传感器企业的扶持,以及对竞争环境的优化、产品的市场培育、人才的培养都是传感器产业化的重要推手。
“由于没有规模化,国内传感器产品普遍性价比较低。解决方法首先是在现有基础上加强管理,其中管理顶层、上层设计还是大有潜力可挖的。在改革开发的大好形势下,应继续与国外合作,拿来主义可以暂时解决‘有品无芯’问题,国家要给出政策,实施技术攻关,限期解决专用芯片相关技术。此外,要加强技术创新,逐步实现微型化、网络化、集成化、智能化,在提高可靠性、高适应性、高灵敏度基础上,要积极采用新材料、新机理、新结构。”
技术创新解决共性问题
总体来看,我国传感器领域的产业布局基本形成,产品门类基本齐全,其中低档产品也能基本满足市场需求,设计研发和应用水平也普遍在提高。
然而,传感器行业所存在的共性问题和产业化问题较多,突出表现在:核心技术和基础能力缺乏,顶层设计少,创新能力弱。
传感器在高精度高敏感度分析、成分分析和特殊应用的高端方面差距巨大,中高档传感器产品几乎全部从国外进口,90%芯片依赖国外,国内缺乏对新原理、新器件和新材料传感器的研发和产业化能力;共性关键技术未真正突破。设计技术、封装技术、装备技术等方面都与国外存在较大差距。
国内仍没有自主知识产权的传感器设计软件,国产传感器可靠性比国外同类产品稍低,传感器封装尚未形成系列、标准和统一接口;产业结构不合理,品种、规格、系列不全,技术指标不高。国内传感器产品往往形不成系列,产品在测量精度、温度特性、响应时间、稳定性、可靠性等指标与国外也有相当大的差距;企业能力弱,从目前市场份额和市场竞争力指数来看,外资企业仍占据较大的优势。
要改善这些问题,首先要加强可靠性设计,从而提高产品可靠性。徐开先分析道:“要先确定可靠性指标,与产品功能、性能指标一起确定,然后要建立可靠性模型、可靠性分配、可靠性设计评审、产品可靠性试验、设计改进等一系列可靠性监控。其次要明确审计原则,使结构、使用、维修等简单化。第三要拥有成熟的技术,采用局部失效时不至对全局造成影响的可靠性高的方案。”图尔克(天津)传感器有限公司在产品可靠性的提高上下足了功夫。在其所有的1.5万种产品中,除了重视技术的先进性,还将用户友好性作为重点关注,以确保产品更可靠操作更简易。
其次,要从芯片起步,改变我国传感器的根本面貌。卞正岗认为:“企业可以由国外引进芯体,国内做后道工序,投资少、风险小、见效快。也可以从芯片的设计、制备、封装起步,掌握核心技术,不受制于国外。从而解决国内‘有品无芯’的尴尬状况。”
从工业应用角度分析,离散型传感器以前受重视程度不够,如接近传感器、光电传感器、旋转编码器、直线位移传感器、激光传感器,以及视觉传感器等的软硬件,都是汽车、机器人、食品包装等行业所需要的。“要打破原来行业界限,实行大协作,补短板。”卞正岗强调,“作为仪器仪表行业应与其他机械制造行业多合作,多承担任务,才能使离散型传感器的生产赶上来。”在石化、电力等过程行业,传感器应用,特别是在物性、物质成分分析方面的传感器和检测仪表应用已经有一定的基础,但也局限于主流程相关的控制策略等方面,在环境及大型设备的自身检测、保全、寿命及故障的预测等应用方面还大有可为,所以应该在无线传感器、特殊环境传感器等方面与相关制造部门配合,开发新产品和新的应用领域。
智能传感器是发展方向
“智能制造”的提出,使制造业不仅要实现全面自动化和智能化,而且要实现工业化和信息化融合,所以需要大量的传感器,如机器人的应用、汽车生产线、电子产业生产线等都需要应用智能传感器,来实现智能制造。
智能传感器有别于传统传感器,除能提供受控量或待感知量大小外,还能简化其应用于网络环境并集成于系统中。其敏感元件可借助于微机械技术、硅集成技术,以提高测试精度与可靠性,有些可将多种敏感元件以一定的方式复合分布在感知模块中,以感知多种待测量。
如堡盟(电子)上海有限公司在智能检测传感器方面成绩显著,继Poscon3D发布后,新的距离测量和高度测量传感器MESAX,PosconHM发布,提供了更多作为检测用产品的解决方案,使用上类似于传感器操作方便,并可以替代许多视觉检测的产品。
智能传感器的感知功能就是通过敏感元件和调理电路等来完成的,而智能传感器的认知功能则要通过信号处理技术来完成。因此,通信技术即智能传感器与物联网间的通信接口也十分关键。
物联网中传感器应用较成熟的例子是RFID射频识别,实际上各行各业应用物联网,都有共同的传感器和特殊的传感器。如物位传感器、一般的导波电波探测传感器、传导探头传感器、雷达物位计、微功率脉动电波液位传感器、超声波物位传感器、两线制电波探测传感器等。“运动物体的‘物-物’相连或‘人-物’相连,更多的是解决管理上的问题,这是应用智能传感器的关键,也是物联网之所以能满足用户需求而能立足的真谛。”卞正岗说。
物联网是在传感器网基础上发展起来的,由于对感知识别、识知能力提高,相关的智能传感器需求量将会越来越大。
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