中国传感器的创新发展

文/李萍、罗云、杜宁宁

传感器技术、通信技术和计算机技术构成现代信息技术的三大支柱，是衡量国家信息化程度的重要标志。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

我国传感器产业经历了一个艰难探索和创新发展的过程

我国传感器产业走出一条从无到有，引进技术和自主研发相结合，从结构型传感器、固体型传感器到智能型传感器的发展道路，大致可分为四个阶段。

第一阶段：20世纪50年代到70年代，传感器技术探索和起步阶段

我国传感器技术的发展起始于50年代初期，当时主要是以仿制苏联的机械式或机电式传感器为主,不少成果停留在实验研究阶段。50年代末出现第一只半导体热敏电阻；60年代研制出应变计、霍尔器件和离电极；70年代研制出扩散硅力敏元件、砷化稼霍尔元件、碳化硅热敏电阻等新型传感器。1972年建成了中国第一批压阻传感器研制生产单位，诞生中国第一个固态压阻加速度传感器。

第二阶段：80年代到90年代，传感器产业格局初步形成

从1986年开始，传感器被列入国家攻关计划，投入了以机械敏、力敏、气敏、温敏、生物敏为主的5大敏研究，研制出集成传感器、光纤传感器、高分子传感器和多种功能材料。1987年高等院校成立了传感器研究会，国家标准《传感器名词术语》颁布。

第三阶段：2000年到2015年，国产传感器替代进口达到国际先进水平

我国已经形成了较为完整的传感器产业链。MEMS压力传感器、微压传感器、呼吸机压传感器、多晶硅压力传感器、低成本TO-8封装压力传感器等相继问世并投入生产。自主研发的霍尔传感器应用于航空航天领域，标志着我国传感器已经替代进口，达到国际先进水平。

第四阶段：2015年以来，政策引领传感器产业迎来黄金发展期

2015年5月国务院颁布《中国制造2025》，2017年11月工信部颁布《智能传感器产业三年行动指南（2017－2019年）》，都对传感器产业特别是高端智能传感器的发展提出明确要求。相信不久的将来，我国传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

精心布局和培育科研创新体系，催生科研和产业化成果涌现

为赶超国际先进水平，提高我国传感器的技术水平，从“七五”开始，国家组织实施了一系列科技计划，建立传感技术研发和产业化创新体系，取得众多拥有自主知识产权的科技成果。

1.顶层设计建立研发和产业化的创新体系

为了加快我国传感器技术的发展，顶层设计建立了国家重点实验室、国家工程研究中心和专业研发基地。依托中科院电子学研究所和中科院上海微系统与信息技术研究所，分别建立了传感技术北方和南方国家重点实验室，确立了光传感器基地、厚膜传感器基地、气敏传感器基地、生物传感器基地 4个试验基地。依托沈阳仪器仪表工艺研究所建立了传感器国家工程研究中心。

此外，四川省航空传感器工程技术研究中心、西安传感器工程技术研究中心、北京信息工程学院传感技术研究中心、江苏省MEMS加速度传感器工程技术研究中心、山西省测控技术与新型传感器工程技术研究中心、广东省无源射频识别及传感器集成电路应用工程技术研究中心、微纳惯性传感与集成技术教育部工程研究中心、江苏省霍尔传感器工程技术研究中心、东南大学传感器网络技术研究中心等相继成立。

2.科技攻关奠定坚实的技术基础

我国传感器产品经历了三代：第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号；第二代是固体型传感器，由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成。如利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器；第三代是智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有人工智能。

科技攻关为我国传感器发展打下了坚实的技术基础。1986—2000年，科技攻关完成科技成果267项，获得专利42项。开发了51个品种86个规格的新产品，90%的成果进入市场，实现了批量或小批量生产。传感器的共性关键技术包括 CAD 技术、关键制造工艺、微机械加工技术、可靠性技术在生产中得到应用，产品的成品率提高10%以上，可靠性水平提高1—2个等级，总体水平达到国外90年代中期的先进水平。其中新型本征半导电高分子压力温度双参数传感器达到国际领先水平，获得国家发明二等奖。

在此基础上，涌现出“机器人用低成本全向视觉传感器及示范应用”“高铁用微纳传感器与轴承装备研制与应用”“光纤高温高压井筒测试技术”“先进光纤传感器系统研制及应用”“汽车电子稳定程序（ESP）微传感器及系统”一批具有自主知识产权的重要科技成果。

“十二五”国家科技支撑计划“高铁用微纳传感器与轴承装备研制与应用”项目突破了高铁机车用微纳传感器电磁防护和耐高压等关键技术，研制出高铁机车用压力传感器和振动传感器，建成传感器生产线，解决了传感器在温度变化、震动冲击、电压冲击、电磁干扰等高铁极端环境应用的可靠性技术问题，促进了我国高速电气化铁路产业所需传感器技术的发展；项目研发还突破了该类机床关键功能部件、制造工艺、数控技术、磨削工艺和相关核心技术，研制定型的铁路轴承内外套圈精密磨削成套装备，为轴承行业重载铁路轴承的稳定生产和高铁轴承的研制提供了有力支撑，装备的技术水平不仅推动我国高铁和重载货运列车关键零部件的国产化，而且可推动我国高端数控装备技术水平的提升。

国家863计划“先进光纤传感器系统研制及应用”课题攻克了特种光纤、宽谱光源、单频光纤激光器、光纤陀螺环、高速高精度解调仪等基础器件和关键技术，突破了大电流、位置（包括导航、姿态和大型复杂机械装备运行状态）、应力、温度等多物理量测量用的基础器件和多项系统关键技术，实现了保偏-光子晶体-掺稀土光纤等特种光纤技术集成，填补了我国相关领域应用光纤传感器件的空白，研发出系列光纤传感器，可广泛应用于国防、航空航天、智能电网、物联网等多领域，对于我国工业、国防及其他众多高技术领域的发展具有十分重要的战略意义。

集聚产业发展格局,打造传感器制造新高地

经过多年的持续发展，我国传感器产业已形成长三角、珠三角、东北、京津等产业聚集区。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。

我国传感器已经形成完整的产业体系，已有2000多家企事业单位从事传感器的研发、设计、生产到应用，其中从事微机电系统MEMS研制、生产的企业有50多家，共有10大类42小类6000多种传感器产品。随着业内公司的兼并重组，产业格局将进一步走向聚集，涌现出歌尔股份、青鸟元芯、华润半导体、广微积电、敏芯微电子、纳微电子、中星测控、芯敏微系统、中旭电子、汉威科技等一批领军和骨干企业。

北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司由北大青鸟集团和北大宇环公司共同投资组建，以北大微电子学研究院“微米/纳米加工技术国家级重点实验室”为技术依托，专门从事微型传感器的研发和生产。公司是国内第一家采用MEMS技术批量生产微型传感器的企业，批量生产系列化微型湿度传感器及模块、MEMS压力传感器芯片、MEMS压力传感器、加速度传感器及相关传感器模块和解决方案。各种微型传感器芯片均采用具有国际先进水平的MEMS设备生产，生产能力达到月产传感器100万只以上；产品的测试环境也居国内先进水平。

上海芯敏微系统技术有限公司是一家从事基于MEMS（微机电系统）技术的传感器芯片的研发、生产和销售公司，在MEMS压力传感器及MEMS红外热电堆的研发、设计和生产能力方面达到国内领先水平。公司建立了扩散硅的DIE-压力传感器芯片-压力传感器模块的完整产品线，能为客户提供压力传感器die（裸片）、so-8和dip-6的塑封芯片、高精度宽温压力传感器模组，在电子血压计、胎压计、汽车进气压力传感器等细分市场处于国内领先地位。拥有自主知识产权的红外热堆集成了200对热电偶，达到国际先进水平，提高了对红外线的灵敏度，并在热堆基础上开发了红外CO2传感器模组，大量应用于教学装备、新风系统、室内环境监测、农业大棚、智能楼宇等领域。

南京中旭电子科技有限公司是专营霍尔元器件及霍尔传感器的主要骨干企业，已成为装备部、工信部、航天工业总公司、船舶工业总公司唯一定点的军用霍尔元器件、霍尔传感器的科研生产单位。公司为国家重点军工项目配套的军用霍尔传感器已达数百种，其中有为神舟飞船、风云号卫星、东方红通信卫星、嫦娥卫星、探月工程、飞机、船舰等配套生产的霍尔电流、电压传感器、位置传感器和霍尔集成电路。民用产品方面，已广泛应用于仪器、仪表、家电、纺织、印刷、机车、电动车、汽车、邮电通、电力等行业和领域，产品品质在同行业领域中遥遥领先，获得了有关部门和单位的表彰和嘉奖。

传感器渗透到国民经济的各个领域，并保持快速持续增长

传感器渗透到国民经济的各个领域，物联网、云计算、大数据、人工智能应用的兴起，推动传感技术由单点突破向系统化、体系化的协同创新转变。我国传感器根据应用领域可分为工业、汽车电子、通信电子、消费电子四大类。其中，工业和汽车电子产品用传感器占比约为42%，而发展最快的是汽车电子和通信电子应用市场。根据用途则可分为力敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、加速度传感器、生物传感器等。MEMS智能传感器已渗透到国民经济的各个层面，并保持快速、持续增长。据赛迪顾问2014—2021年中国传感器市场情况报告预测，2021年中国传感器市场规模将达到2951.8亿元。

1.霍尔传感器在汽车工业上的应用

霍尔传感技术包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统，主要有开关式、模拟式和数字式传感器三种形式。在汽车发动机点火系统中，用霍尔开关电路构成霍尔翼片传感器，放在分流电气中，取代机械断电器，作点火脉冲触发器。在汽车分电器中，将翼片连接在凸轮轴上，传感器固定于分电器底板上。当翼片磁移入气隙时给出一高电平，移出气隙时给出一低电平，形成规矩波，利用下降沿或上升沿触发点火电路，进行点火。在防抱死制动系统（ABS，ABS是汽车中广泛使用的行车安全装置）中，采用霍尔传感器制作的速度传感器，在整个车速范围内信号幅值恒定，即使速度为零，信号幅值仍保持不变。这些输出信号可做牵引控制、速度表、里程表、导航系统及发动机和变速器的管理。在机车测速中，霍尔传感器通过测量磁场强度，得到稳定的脉冲方波信号，实现机车转速的测量。具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点。

2.传感器在农业上的应用

农业传感器包括生命信息传感器和环境传感器。生命信息传感器主要是通过对植物生长过程中氮元素、植物信息指标和农药化肥等含量的分析，判断植物的生长情况，展示植物的生长信息和生理信息，并对植物的生长体征进行数字化处理。环境传感器则是对植物生长所需要的水、土壤、空气等进行监控，及时了解外部环境的变化，重点对作物土壤环境进行检测，并对环境因素进行综合检测和评估，以便为农作物的健康成长创造更好的条件，促进农作物管理质量的提升。农业中所用的传感器种类主要有温度传感器、湿度传感器、气敏传感器、pH值传感器、光电传感器、压力传感器、生物传感器等，应用于育种、农产品分类、农产品储藏、农机化、禽畜饲养、气象及环境监测、遥感等领域。

3.传感器在现代医学及诊疗上的应用

医用传感器按制作材料不同可分为压电单晶转换器、压电薄膜换能器、复合材料换能器等。应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。由于X射线的波长比电磁波、光波的波长更短，能量更大，对人体的穿透性很强，因此X射线传感器正在医学检测上发挥其独特的优势，广泛应用于医学CT、CR、DR等医疗设备中，并在人体骨骼、颅脑等部位检查中发挥了重大作用。医用传感器在呼吸机、血液分析器、多参数监护仪器、核磁共振仪、心脑电导联系统、心血管系统治疗装置等方面也担负重要角色。

4.传感器在物联网上的应用

物联网的感应机构就是传感器，尽管常见的传感器已有几十年的历史而且在现代工业中广泛应用，但近年物联网的发展又为传感器创造出更多前所未有的新的应用领域，使它们完全突破了既有的用法和应用范围，通过功能强大的云软件平台为设备、操作者和环境等形成智能化解决方案。目前广泛应用于物联网的传感器有：温度传感器、湿度传感器、光传感器、声音传感器、液位传感器、存在与接近传感器、运动传感器、陀螺仪传感器、化学传感器、图像传感器、心律传感器、MEMS 传感器等。

5.传感器在生活上的应用

现代生活中普遍应用着传感器。传感器在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、手机、电冰箱、彩色及平板电视机、录像机、录音机、收音机、影碟机及家庭影院等方面得到了广泛的应用。高精度传感器使家用电器更加方便、安全、可靠，并减少能源消耗。

我国在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，取得了一批可喜的为世界瞩目的科研和产业化成果。但从总体上讲，它还不能完全适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器信号处理和识别系统仍然依赖进口，大片市场被国外产品所占领。目前，我国传感技术正处于由传统传感器向新型传感器发展的关键阶段，传感器更新换代快、需求量大且增长速度快。为此，国内传感器的研究开发应重视基础性研究，针对中试规模的新产品，在攻克制造工艺技术的前提下，进行工艺稳定性研究及市场应用研究，开展产业化技术及配套技术研究。还应加强具有自主知识产权的新型传感器的开发，加速现有科研成果的转化和产业化，迅速提高国有传感器的市场占有率。