2019年，在工信部指導下，中國電子技術(shù)標準化研究院開(kāi)展了智能傳感器發(fā)展戰略研究，對我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了摸底調查，調研的傳感器產(chǎn)品涉及我國近千家傳感器主流廠(chǎng)商，是目前我國規模較大、較深入的智能傳感器產(chǎn)業(yè)調研活動(dòng)之一。

此次調研形成了《智能傳感器型譜體系與發(fā)展戰略白皮書(shū)》報告，成為我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)戰略制定的重要參考依據之一。報告中，提出了我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)需要重點(diǎn)發(fā)展的11個(gè)技術(shù)方向和建議，這也是我國傳感器的部分重點(diǎn)卡脖子技術(shù)，我們來(lái)看看哪些傳感器技術(shù)被重點(diǎn)提及。

雖然3年時(shí)間過(guò)去，但對于極其考驗技術(shù)沉淀，需要厚積薄發(fā)的傳感器產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，這11個(gè)重點(diǎn)技術(shù)我國突破有限，仍需努力！

1、MEMS 技術(shù)與 IC 技術(shù)的集成與融合

MEMS 技術(shù)用微加工技術(shù)將各種產(chǎn)品整合到基于硅的微電子芯片上，與傳統的 IC 工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機械拋光等，有些復雜微結構難以用 IC 工藝實(shí)現，須采用微加工技術(shù)，如硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)等。

MEMS技術(shù)將是未來(lái)傳感器的主要制造技術(shù)，但國內本土MEMS發(fā)展面臨高端研發(fā)人員缺失、產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成、企業(yè)盈利難等問(wèn)題，如同三座大山壓著(zhù)國內MEMS產(chǎn)業(yè)。

MEMS最初用于汽車(chē)安全氣囊，近年來(lái)隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，市場(chǎng)需求迅猛，將如同計算機技術(shù)和微電子技術(shù)給人們生活帶來(lái)的改變一樣，MEMS技術(shù)也將給我們的生活帶來(lái)巨大改變。

2、MEMS 陀螺芯片

MEMS陀螺儀是半導體行業(yè)的基礎元件，在消費電子、工業(yè)等領(lǐng)域用途廣泛，技術(shù)門(mén)檻處于傳感器領(lǐng)域較高水平，國內外各廠(chǎng)商投入力度大，但高端產(chǎn)品研發(fā)工作主要集中在高校和科研院所。

歐美日都有一批相關(guān)的企業(yè)和科研單位在這領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，但中國這方面起步晚、發(fā)展慢，國內具備 MEMS 陀螺芯片自主設計和量產(chǎn)的能力的企業(yè)屈指可數，且產(chǎn)量和市場(chǎng)占有率都非常低。

據《中國傳感器（技術(shù)和產(chǎn)業(yè)）發(fā)展藍皮書(shū)》介紹，國內眾多消費電子廠(chǎng)商大量使用的 MEMS 陀螺芯片基本依靠進(jìn)口，保守估計MEMS芯片進(jìn)口率達80%以上。

3、高性能磁傳感器

高性能磁傳感器技術(shù)門(mén)檻高，市場(chǎng)廣、應用范圍大，在工業(yè)自動(dòng)化控制，醫療設備以及汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域均存在巨大需求，每年全球銷(xiāo)售逾數十億顆，金額達百億美元。

以傳統燃油汽車(chē)為例，每輛車(chē)上平均安裝 30 余個(gè)磁傳感器，涵蓋曲軸、電路、踏板、液面、卡扣等近 20 種應用。而在智能自動(dòng)駕駛汽車(chē)上，這些傳感器的應用將更多、更細致。

然而目前中國市場(chǎng)銷(xiāo)售的車(chē)輛，磁傳感器全部被國外廠(chǎng)家壟斷，嚴重依賴(lài)進(jìn)口， 霍尼韋爾（Honeywell）、村田（MURATA）、精量電子（MEAS） 、羅姆（ROHM）等國外廠(chǎng)商瓜分了這一市場(chǎng)。

精密制造、勘探、電力、儀器設備等工控領(lǐng)域使用的高端磁傳感器同樣被國際傳感器巨頭把控，對我國產(chǎn)業(yè)升級和自主化進(jìn)程埋下巨大隱患。

國內磁傳感器制造領(lǐng)域研發(fā)基礎非常薄弱，設備、人才積累有限，產(chǎn)品性能、良品率、成本、生產(chǎn)流程等等方面都亟待優(yōu)化和提高。

同時(shí)，國內市場(chǎng)也應該扶持國內磁傳感器廠(chǎng)商，產(chǎn)業(yè)鏈范圍內對自主產(chǎn)品的市場(chǎng)進(jìn)行培育及推廣。

4、MEMS 微型超聲波傳感器

MEMS 微型超聲波傳感器在消費電子領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用場(chǎng)景，例如小米、OPPO等手機廠(chǎng)商近期密集推出的“無(wú)邊框”手機，為了在窄窄的邊框塞入用于息屏功能的感應傳感器，MEMS 微型超聲波傳感器是最佳的成熟應用方式。

MEMS 微型超聲波測距傳感器工作原理與普通傳感器傳感器一樣，通過(guò)發(fā)射接收超聲波，探測物體距離，但體積非常小，有利于集成，在智能手機、智能終端、智能家居家電、智能辦公設備等使用場(chǎng)景廣闊。

MEMS 微型超聲波測距傳感器體積不到目前同類(lèi)產(chǎn)品的 1/10，產(chǎn)品實(shí)現需要達到耐高溫貼裝工藝要求，且在微型壓電芯片加工工藝、微型裝配工藝、 （MEMS）工藝壓電材料開(kāi)發(fā)等方面有較高技術(shù)難點(diǎn)。

目前市場(chǎng)上，該技術(shù)主要被日本企業(yè)村田壟斷，國內沒(méi)有具備設計和量產(chǎn)能力的企業(yè)。

5、寬溫區硅壓力傳感器芯片

壓力傳感器一直以來(lái)都是傳感器領(lǐng)域里面出貨量、使用量最大的類(lèi)型之一，尤其是寬溫區硅壓力傳感器和芯片，這也是我國與世界先進(jìn)水平差距比較大的方向。

從具體技術(shù)參數指標上來(lái)說(shuō)，使用溫度范圍在－55℃～225℃之間，精度優(yōu)于 0.25%FS 的高可靠性 MEMS 高溫硅壓力傳感器是亟需突破的重點(diǎn)。

同時(shí)，低應力無(wú)引線(xiàn)封裝、溫度補償、高溫專(zhuān)用電路（ASIC）芯片等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)測控接口電路，是實(shí)現批量化生產(chǎn)并在重大技術(shù)裝備中應用的關(guān)鍵。

6、紅外陣列傳感器

紅外傳感器市場(chǎng)需求廣，在國內傳感器中是起步相對較早的領(lǐng)域，目前國內有高德紅外，睿創(chuàng )微納、大立科技、颯特紅外等中大型紅外傳感器和熱像儀企業(yè)。但在紅外陣列式傳感器這一細分領(lǐng)域，與國外先進(jìn)水平仍有較大差距。

紅外陣列傳感器是指在同一芯片上集成了80×60至240×180個(gè)敏感單元的紅外傳感器，可接收并檢測目標物體輻射的紅外能量，經(jīng)光電轉換后輸出與目標物體的溫度分布及紅外輻射強度相關(guān)的電信號。

紅外陣列式傳感器相比目前日常廣泛應用的單元紅外傳感器具有精度高、檢測范圍寬、能輸出可觀(guān)察的圖像信號等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)檢測、家庭安防、智能家居、節能控制、醫療看護、流量計數、氣體檢測、火災監控、消費電子等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用場(chǎng)景，將取代單元紅外傳感器。

據知名市場(chǎng)研究機構Yole的統計數據顯示，紅外陣列式傳感器市場(chǎng)規模已達 10 億美元以上，并且每年的增速高達 50%以上。

紅外陣列式傳感器的技術(shù)被 ULIS，FLIR等歐美廠(chǎng)商壟斷，國內廠(chǎng)商在晶圓級封裝技術(shù)、信號處理專(zhuān)用芯片技術(shù)等方面有較大差距。

7、智能光纖傳感器

智能光纖傳感器主要用于航空發(fā)動(dòng)機，重型燃氣輪機的狀態(tài)監測，對發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中的壓力、溫度、振動(dòng)、應變、位移、尾氣成分等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，為發(fā)動(dòng)機/燃氣輪機的工作狀態(tài)，健康狀態(tài)，故障分析提供數據支撐。

我們知道，光纖傳感器天然具有抗電磁、原子輻射干擾的能力，具備工作溫度高，多傳感器組網(wǎng)，可信號預處理分析，數字化通用接口等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在重大工程設備上智能光纖傳感器有很大作用。

被譽(yù)為制造業(yè)皇冠上的明珠——發(fā)動(dòng)機/燃氣輪機，智能光纖傳感器的應用不可少。國際上的工業(yè)商巨頭們——GE，西門(mén)子，普惠，羅爾斯羅伊斯等，都已經(jīng)將智能光纖傳感器用于自家發(fā)動(dòng)機/燃氣輪機產(chǎn)品的狀態(tài)監測。

而我國光纖智能傳感器研究起步較晚，且目前相比其他傳感器領(lǐng)域，關(guān)注度不夠，投入的人力物力較少，與國外的研制水平相差較大，用于燃燒室超高溫環(huán)境的智能光纖傳感器領(lǐng)域的差距尤為明顯。

8、小型化集成式氣體傳感器

國內氣體傳感器領(lǐng)域目前有漢威科技、四方光電等中大型企業(yè)，但產(chǎn)品多為單獨的氣敏元件，落后國際平均水平一代，落后德國先進(jìn)水平兩代。

目前國際先進(jìn)智能氣體傳感器已能在一個(gè)小型封裝內集成氣體傳感、信號采集、信息處理、校準數據存儲、溫度補償以及數字接口等功能。

劍橋傳感器Cambridge CMOS Sensors(CCS)采用 DFN/LGA 封裝的氣體傳感器最大尺寸不超過(guò) 2.7mm×4mm，最大功耗不超過(guò) 10mW。博世已推出集氣體、氣壓、溫度和濕度傳感器于一體的 MEMS 環(huán)境傳感器。瑞士 盛 思 銳 采 用 DFN 封 裝 的 氣 體 傳 感 器 尺 寸 達 到2.45mm×2.45mm×0.75mm。

這些代表性的氣體傳感器目前國內仍沒(méi)有廠(chǎng)商的技術(shù)水平能夠達到，在敏感材料研發(fā)、敏感材料加載技術(shù)、集成信號調理采集技術(shù)、多傳感器數據融合技術(shù)、智能氣體傳感器 SIP 封裝工藝、海量傳感器批量校準技術(shù)等方面，存在較大差距，亟待提升。

9、集成式智能傳感器和微系統模組

物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)和人工智能技術(shù)對智能傳感器和微系統模組有強烈的需求，全球科技巨頭紛紛布局。我國在單體傳感器上已經(jīng)遠遠落后歐美日等國家，而在集成式智能傳感器和微系統模組方面我們和國外處于同一起跑線(xiàn)。

這是一個(gè)難得的機遇，我國需要把握住，推動(dòng)基于 SESUB（半導體基板埋

入）和 SiP（系統級封裝）工藝的集成式智能傳感器和微系統模組的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

此外，研發(fā)跨環(huán)境和聲學(xué)類(lèi)、慣性類(lèi)等集成式智能傳感器以及手機、手表、手環(huán)、無(wú)線(xiàn)耳機、AR/VR 以及 IoT、IPM（智能功率模塊）、TPMS 胎壓監測等消費類(lèi)電子、汽車(chē)電子和智能家具等應用領(lǐng)域的 SiP 模組產(chǎn)品。

10、傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

許多場(chǎng)景下，需要獲取多個(gè)參量數據對測控的設備、環(huán)境進(jìn)行判斷，這樣單個(gè)傳感器遠遠無(wú)法達到需求。而在多傳感器應用下，使用有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)對傳感器進(jìn)行集成，將是關(guān)鍵。

傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)采用的方法有：?jiǎn)蝹€(gè)節點(diǎn)通過(guò)多個(gè)數據通道對多個(gè)測點(diǎn)數據進(jìn)行采集數據；通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式，對多個(gè)單個(gè)智能傳感器節點(diǎn)數據進(jìn)行采集處理；先通過(guò)有線(xiàn)方式將多個(gè)測點(diǎn)數據進(jìn)行采集處理，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)技術(shù)對有線(xiàn)方式處理后的節點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，對數據進(jìn)行二次處理。

例如在汽車(chē)應用中，傳統上使用有線(xiàn)線(xiàn)束進(jìn)行數據傳輸，總長(cháng)度一般有近2公里，最多達5公里。而在特斯拉上使用了車(chē)載以太網(wǎng)芯片技術(shù)進(jìn)行傳感器信號的傳輸，有效較少了線(xiàn)束長(cháng)度。

傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)主要存在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議技術(shù)、功耗技術(shù)、無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)等難點(diǎn)。

11、傳感器智能處理算法

如同EDA技術(shù)，高效的算法在智能傳感器里面具有重要的作用，能夠更大程度發(fā)揮傳感器的性能，提高傳感器的精度，同時(shí)使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、回歸算法等計算技術(shù)和數據融合處理方法，將廣泛應用于越來(lái)越復雜的檢測中，并且實(shí)現自校準功能。

為了使傳感器滿(mǎn)足具體行業(yè)應用要求，需要開(kāi)發(fā)新傳感器智能算法，通過(guò)數據融合技術(shù)，將多參量數據進(jìn)行綜合處理。為了使傳感器功耗更低，還需要研究開(kāi)發(fā)智能控制算法、傳感器休眠算法、時(shí)間同步算法等。

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機器人等新應用場(chǎng)景，要求傳感器需要更加“智能”，而這些智能很多時(shí)候都是通過(guò)算法賦予。

結語(yǔ)

雖然離本份報告發(fā)布已過(guò)去3年，但傳感器是個(gè)需要技術(shù)沉淀、厚積薄發(fā)的基礎技術(shù)產(chǎn)業(yè)，報告中所列11個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向，即使在2023年的今天，仍是我國傳感器產(chǎn)業(yè)薄弱中的薄弱環(huán)節。

這11個(gè)關(guān)鍵傳感器技術(shù)，從技術(shù)重要程度和市場(chǎng)應用角度出發(fā)，是中國傳感器領(lǐng)域最亟需攻破，未來(lái)也具備廣闊需求和應用場(chǎng)景的細分領(lǐng)域。當前我國傳感器企業(yè)突破有限，仍需努力！

來(lái)源：傳感器專(zhuān)家網(wǎng)