冯翔:打造传感器产业链技术平台

作者:文晓
  点击数:7191  发布时间:2019-06-04 10:47
2018年7月3日,国家智能传感器创新中心在上海正式揭牌成立,这标志着承载着解决我国智能传感器“关键和共性技术协同研发,实现首次商业化”战略任务的国家级创新中心全面转入实质性运营阶段,我国智能传感器领域的强“芯”之旅正式起航。国家智能传感器创新中心以关键共性技术研发和中试为目标,专注传感器设计集成技术、先进制造及封测工艺,布局传感器新材料、新工艺、新器件和物联网应用方案等领域,以“公司+联盟”模式运行,力争打造世界级智能传感器创新中心。
关键词:MEMS智能传感器 ,智能传感器 ,传感器

国家智能传感器创新中心副总裁冯翔

2018年7月3日,国家智能传感器创新中心在上海正式揭牌成立,这标志着承载着解决我国智能传感器“关键和共性技术协同研发,实现首次商业化”战略任务的国家级创新中心全面转入实质性运营阶段,我国智能传感器领域的强“芯”之旅正式起航。国家智能传感器创新中心以关键共性技术研发和中试为目标,专注传感器设计集成技术、先进制造及封测工艺,布局传感器新材料、新工艺、新器件和物联网应用方案等领域,以“公司+联盟”模式运行,力争打造世界级智能传感器创新中心。本刊记者特采访了国家智能传感器创新中心副总裁冯翔,请他解读中国智能传感器产业面临的挑战及突破之路。

自动化博览:请您谈谈目前中国智能传感产业的发展现状?

冯翔:我国早在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业,并在1972年组建成立中国第一批压阻传感器研制生产单位;1978年诞生中国第一个固态压阻加速度传感器;1982年国内最早开始MEMS加工技术和SOI技术的研究;进入20世纪90年代后,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。在国家的大力扶持下,建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地;在“九五”国家重点科技攻关项目中,传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩,初步建立了敏感元件与传感器产业;经过“八五”、“九五”和“十五”的攻关和产业化建设,目前全国已有2000多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用,其中从事微机电系统MEMS研制、生产的企业有50多家,产品种类有6000多种,年产量40多亿只,市场销售额突破1000亿元。

智能传感技术器以传感器为核心,结合射频、功率、微处理器、微能源等技术,是未来实现万物互联的基础性、决定性核心技术之一。无论是现有的基础传感器的规模市场,还是新兴应用市场,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,初步统计,中国MEMS及先进传感器的市场需求约占到全球需求总量的四分之一,但在中国市场中的供应商仍然以国际大厂为主。

随着以物联网代表的新型信息技术的发展,基于各种独特物联体系的应用市场呈现出百花齐放的局面,如智慧城市中的智慧交通、智能停车、无人超市、共享单车等各种智能应用不断涌现。但是,处于传感物联底层的传感器本身的研发却严重落后于应用端的发展,芯片级的传感器产品大部分依赖进口,特别是要求高性能、高稳定性的传感器产品,几乎90%以上都要进口,这成为制约整个产业发展的最大瓶颈。所以,必须通过打通整个技术产业链,建立和完善一个用于开发芯片级传感器的技术平台,才能保证整个物联体系的持续、健康、稳定发展。

自动化博览:目前中国的传感产业发展中主要面临哪些挑战?

冯翔:我国在发展智能传感器技术方面存在一些问题,尤其是核心的传感器技术与新材料技术在实际产品工艺中的整合。世界范围内智能传感器产业的发展已进入白热化阶段,然而今天活跃在国际市场上的仍然是德国、日本、美国等老牌工业国家的企业。因为在这些国家中,智能传感器的应用范围很广,许多厂家的生产都实现了规模化,有些企业的年生产能力达到几千万甚至几亿只。

相比之下,我国的传感器虽然所涉足的研究开发领域基本与国外相差无几,但是由于在某些核心制造工艺技术上还严重滞后于国外,在深度和广度上差异较大,主要体现在产品多样性差、科技创新能力弱和工艺装备落后。据《2016-2017年中国物联网发展年度报告》中指出,目前我国约60%的传感器依赖进口,MEMS传感器、中高端传感器对进口依赖度高于90%。从行业产品结构看,老产品比例占60%以上,新产品不足,高新技术类产品更少,数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。从总体看,品种不配套、系列不全、低档产品多、高档产品少、缺乏市场竞争力。

经过多年开发,虽然研制出一批工艺和产品,但由于批产工艺的稳定性、可靠性问题没有得到根本解决,限制了其应用领域和产业的发展。有些高性能产品,不是靠工艺保证,而是靠筛选分档。从技术角度看,由于国内传感器生产工艺与工艺设备相对落后,微机械加工技术和封装技术不够先进,手工操作比较多,检测手段不规范等,造成主要性能指标和国外差1~2个数量级,使用寿命差2~3级。因此,在化工、电站、冶金、石油、环保、机械等领城重大工程中,许多高性能传感器仍依赖于进口。

此外,中国人才资源的匮乏、产业发展不足也是导致传感器技术差距的原因之一。从目前国内的情况看,能够适应当今传感器技术发展需求的具有高水平的科研队伍及中青年科技专家、技术骨干、学术带头人相对缺乏,使行业技术更新换代步伐慢,产业发展后劲不足。

自动化博览:针对国内传感产业发展的不足,您有何建议?

冯翔:中国的智能传感器产业在应用市场的创新花样繁多,说明并不缺乏创新能力,缺的是实现创新想法和理念的完整的技术平台。

中国的传感器相关技术研发起步并不晚,在某些特定的前沿领域的研发成果也并不落后,但是,局部的、零散的先进技术很少能融入产品化的工程技术体系,无法从终端产品体现其巨大的节点价值,所以,完整的技术平台对于现有技术资源的整合,并通过产品应用到特定的市场中去,是发挥现有先进技术的关键。

要改变目前的现状需要产业链上的各方协同合作,才能发挥各方优势,通过高性价比产品占据特定的应用市场,发挥产业链上各个企业的节点技术潜能。

由此,通过有效整合大学、科研院所以及骨干企业等优势单位资源,并进行有效的升级改造,打造面向国内物联网/传感器制造、设计、材料、设备、封装、测试等产业链内所有大中小型企业提供领先的技术平台,将有效解决产业发展中的一系列瓶颈。这也正是国家智能传感器创新中心的使命。

自动化博览:您曾参与工业无线传感网标准 ——WirelessHart标准(IEC62591)的制定与认证工作,请您简单介绍一下该标准的独特优势和目前的应用。

冯翔:无线HART标准是面向以石油化工为主体的过程工业的监测应用的一种工业级高可靠,高安全的无线现场总线协议。基于已经广泛应用的有线HART协议,无线HART可以让用户在保持现有设备、工具和系统一致性的基础上,快速方便地获得无线技术带来的好处。 无线HART最主要的特点就是高可靠性,适用于高密度基础设施环境、周围条件常变的环境,以及射频、电磁干扰较大的环境等。目前无线HART全球部署超过2.3万个无线现场网络,46亿小时运行时间,中国200多个用户,每年有30%以上的增长率。

自动化博览:今年的政府工作报告中特别提到了“智能+”,您如何看待“智能+传感器设备”?

冯翔:以流程工业为例,75%以上的传感器已经具备一定的智能,但是由于DCS的不兼容等种种原因,85%的上述智能传感器完全没有使用到它们的智能信息,从而变成了智能信息的孤岛。因此说,传感器和物联网是密不可分的。同时信息的互通有很多必要环节,缺一不可,实现的路径必须结合管理者和使用者的现实要求。无线工业总线技术提供了一个信息传输的新的通道。

摘自《自动化博览》2019年5月刊

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