工信部：中國智能傳感器最亟需突破的11大卡脖子技術（重點方向）

我國高度重視智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展，工業(yè)和信息化部編制了“智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017～2019 年）”，為把握新一代信息技術深度調(diào)整戰(zhàn)略機遇期，提升智能傳感器產(chǎn)業(yè)核心競爭力奠定了基礎。

2019年，在工信部指導下，中國電子技術標準化研究院開展了智能傳感器發(fā)展戰(zhàn)略研究，對我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)進行了摸底調(diào)查，調(diào)研的傳感器產(chǎn)品涉及我國近千家傳感器主流廠商，是目前我國規(guī)模較大、較深入的智能傳感器產(chǎn)業(yè)調(diào)研活動之一。

此次調(diào)研形成了《智能傳感器型譜體系與發(fā)展戰(zhàn)略白皮書》報告，成為我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略制定的重要參考依據(jù)之一。報告中，提出了我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)需要重點發(fā)展的11個技術方向和建議，這也是我國傳感器的部分重點卡脖子技術，我們來看看哪些傳感器技術被重點提及。

雖然3年時間過去，但對于極其考驗技術沉淀，需要厚積薄發(fā)的傳感器產(chǎn)業(yè)來說，這11個重點技術我國突破有限，仍需努力！

1、MEMS 技術與 IC 技術的集成與融合

MEMS 技術用微加工技術將各種產(chǎn)品整合到基于硅的微電子芯片上，與傳統(tǒng)的 IC 工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光等，有些復雜微結(jié)構(gòu)難以用 IC 工藝實現(xiàn)，須采用微加工技術，如硅的體微加工技術、表面微加工技術等。

MEMS技術將是未來傳感器的主要制造技術，但國內(nèi)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)盈利難等問題，如同三座大山壓著國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)。

MEMS最初用于汽車安全氣囊，近年來隨著技術發(fā)展，市場需求迅猛，將如同計算機技術和微電子技術給人們生活帶來的改變一樣，MEMS技術也將給我們的生活帶來巨大改變。

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)等領域用途廣泛，技術門檻處于傳感器領域較高水平，國內(nèi)外各廠商投入力度大，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的企業(yè)和科研單位在這領域取得突破性進展，但中國這方面起步晚、發(fā)展慢，國內(nèi)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(shù)，且產(chǎn)量和市場占有率都非常低。

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

3、高性能磁傳感器

高性能磁傳感器技術門檻高，市場廣、應用范圍大，在工業(yè)自動化控制，醫(yī)療設備以及汽車工業(yè)等領域均存在巨大需求，每年全球銷售逾數(shù)十億顆，金額達百億美元。

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

然而目前中國市場銷售的車輛，磁傳感器全部被國外廠家壟斷，嚴重依賴進口， 霍尼韋爾（Honeywell）、村田（MURATA）、精量電子（MEAS） 、羅姆（ROHM）等國外廠商瓜分了這一市場。

精密制造、勘探、電力、儀器設備等工控領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)升級和自主化進程埋下巨大隱患。

國內(nèi)磁傳感器制造領域研發(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，國內(nèi)市場也應該扶持國內(nèi)磁傳感器廠商，產(chǎn)業(yè)鏈范圍內(nèi)對自主產(chǎn)品的市場進行培育及推廣。

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域有著廣闊的應用場景，例如小米、OPPO等手機廠商近期密集推出的“無邊框”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景廣闊。

MEMS 微型超聲波測距傳感器體積不到目前同類產(chǎn)品的 1/10，產(chǎn)品實現(xiàn)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）工藝壓電材料開發(fā)等方面有較高技術難點。

目前市場上，該技術主要被日本企業(yè)村田壟斷，國內(nèi)沒有具備設計和量產(chǎn)能力的企業(yè)。

5、寬溫區(qū)硅壓力傳感器芯片

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

從具體技術參數(shù)指標上來說，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。

同時，低應力無引線封裝、溫度補償、高溫專用電路（ASIC）芯片等關鍵技術，開發(fā)測控接口電路，是實現(xiàn)批量化生產(chǎn)并在重大技術裝備中應用的關鍵。

6、紅外陣列傳感器

紅外傳感器市場需求廣，在國內(nèi)傳感器中是起步相對較早的領域，目前國內(nèi)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域，與國外先進水平仍有較大差距。

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(zhuǎn)換后輸出與目標物體的溫度分布及紅外輻射強度相關的電信號。

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、能輸出可觀察的圖像信號等優(yōu)點，在工業(yè)檢測、家庭安防、智能家居、節(jié)能控制、醫(yī)療看護、流量計數(shù)、氣體檢測、火災監(jiān)控、消費電子等領域有著廣闊的應用場景，將取代單元紅外傳感器。

據(jù)知名市場研究機構(gòu)Yole的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，紅外陣列式傳感器市場規(guī)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被 ULIS，F(xiàn)LIR等歐美廠商壟斷，國內(nèi)廠商在晶圓級封裝技術、信號處理專用芯片技術等方面有較大差距。

7、智能光纖傳感器

智能光纖傳感器主要用于航空發(fā)動機，重型燃氣輪機的狀態(tài)監(jiān)測，對發(fā)動機工作過程中的壓力、溫度、振動、應變、位移、尾氣成分等參數(shù)進行實時測量，為發(fā)動機/燃氣輪機的工作狀態(tài)，健康狀態(tài)，故障分析提供數(shù)據(jù)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(shù)字化通用接口等諸多優(yōu)點，因此在重大工程設備上智能光纖傳感器有很大作用。

被譽為制造業(yè)皇冠上的明珠——發(fā)動機/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)動機/燃氣輪機產(chǎn)品的狀態(tài)監(jiān)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域，關注度不夠，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域的差距尤為明顯。

8、小型化集成式氣體傳感器

國內(nèi)氣體傳感器領域目前有漢威科技、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，落后德國先進水平兩代。

目前國際先進智能氣體傳感器已能在一個小型封裝內(nèi)集成氣體傳感、信號采集、信息處理、校準數(shù)據(jù)存儲、溫度補償以及數(shù)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 2.7mm×4mm，最大功耗不超過 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(nèi)仍沒有廠商的技術水平能夠達到，在敏感材料研發(fā)、敏感材料加載技術、集成信號調(diào)理采集技術、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術、智能氣體傳感器 SIP 封裝工藝、海量傳感器批量校準技術等方面，存在較大差距，亟待提升。

9、集成式智能傳感器和微系統(tǒng)模組

物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)和人工智能技術對智能傳感器和微系統(tǒng)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(tǒng)模組方面我們和國外處于同一起跑線。

這是一個難得的機遇，我國需要把握住，推動基于 SESUB（半導體基板埋

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

此外，研發(fā)跨環(huán)境和聲學類、慣性類等集成式智能傳感器以及手機、手表、手環(huán)、無線耳機、AR/VR 以及 IoT、IPM（智能功率模塊）、TPMS 胎壓監(jiān)測等消費類電子、汽車電子和智能家具等應用領域的 SiP 模組產(chǎn)品。

10、傳感器網(wǎng)絡技術

許多場景下，需要獲取多個參量數(shù)據(jù)對測控的設備、環(huán)境進行判斷，這樣單個傳感器遠遠無法達到需求。而在多傳感器應用下，使用有線或者無線等網(wǎng)絡技術對傳感器進行集成，將是關鍵。

傳感器網(wǎng)絡技術采用的方法有：單個節(jié)點通過多個數(shù)據(jù)通道對多個測點數(shù)據(jù)進行采集數(shù)據(jù)；通過無線方式，對多個單個智能傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行采集處理；先通過有線方式將多個測點數(shù)據(jù)進行采集處理，然后通過無線網(wǎng)技術對有線方式處理后的節(jié)點進行組網(wǎng)，對數(shù)據(jù)進行二次處理。

例如在汽車應用中，傳統(tǒng)上使用有線線束進行數(shù)據(jù)傳輸，總長度一般有近2公里，最多達5公里。而在特斯拉上使用了車載以太網(wǎng)芯片技術進行傳感器信號的傳輸，有效較少了線束長度。

傳感器網(wǎng)絡技術主要存在網(wǎng)絡協(xié)議技術、功耗技術、無線射頻技術等難點。

11、傳感器智能處理算法

如同EDA技術，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，同時使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡、回歸算法等計算技術和數(shù)據(jù)融合處理方法，將廣泛應用于越來越復雜的檢測中，并且實現(xiàn)自校準功能。

為了使傳感器滿足具體行業(yè)應用要求，需要開發(fā)新傳感器智能算法，通過數(shù)據(jù)融合技術，將多參量數(shù)據(jù)進行綜合處理。為了使傳感器功耗更低，還需要研究開發(fā)智能控制算法、傳感器休眠算法、時間同步算法等。

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

結(jié)語

雖然離本份報告發(fā)布已過去3年，但傳感器是個需要技術沉淀、厚積薄發(fā)的基礎技術產(chǎn)業(yè)，報告中所列11個重點發(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(jié)。

這11個關鍵傳感器技術，從技術重要程度和市場應用角度出發(fā)，是中國傳感器領域最亟需攻破，未來也具備廣闊需求和應用場景的細分領域。當前我國傳感器企業(yè)突破有限，仍需努力！

本文部分資料來自：中國電子技術標準化研究院

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