不只是芯片 看看传感器技术我们离世界顶级有多远

国际金属加工网 2018年05月03日

传感器作为现代科技的前沿技术,被认为是现代信息技术的三大支柱之一,也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。在国内有自动化方面的专家指出塑料工业网,传感器技术直接关系到我国自动化产业的发展形势,认为“传感器技术强,则自动化产业强”。由此可见传感器技术对自动化产业乃至整个国家工业建设的重要性。

然而,在传感器迎来春天的时候,中国公众看到的似乎仍然是国外半导体巨头的盛宴。业内人士认为,虽然中国的传感器市场发展很快,但本土传感器技术与世界水平相比仍存在很大差距。

这种差距,一方面表现为传感器在感知信息方面的落后,另一方面,则表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。由于没有形成足够的规模化应用,导致国内的传感器不仅技术低,而且价格高,在市场上很难有竞争力。

目前全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙头公司主导。美国、日本、德国及中国合计占据全球传感器市场份额的72%,其中中国占比约11%。与全世界生产的超过2万种产品品种相比,中国国内仅能生产其中的约1/3,整体技术含量也较低,是目前急需改变的一个状态。

中国传感器发展状况

我国早在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业。我国在1972年组建成立中国第一批压阻传感器研制生产单位;1974年,研制成功中国第一个实用压阻式压力传感器;1978年,诞生中国第一个固态压阻加速度传感器;1982年,国内最早开始硅微机械系统(MEMS)加工技术和SOI(绝缘体上硅)技术的研究。进入20世纪90年代后,硅微机械加工技术的绝对压力传感器、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实现生产。改革开放30年来,我国传感器技术及其产业取得了长足进步,主要表现在: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;MEMS、MOEMS(微光机电系统)等研究项目列入了国家高新技术发展重点;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。

目前,中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段,它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。

传感器技术历经了多年的发展,其技术的发展大体可分三代:

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。

第二代是上70年代发展起来的固体型传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成。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。

第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物,使传感器具有一定的人工智能。

中国传感器发展与国外差距

国内传感器厂商占据中低端市场从发展态势看,国内传感器厂商有三种情况:

一、民营或合资企业的产品占据了中低端市场,传统技术和装备手段可以满足绝大多数产品的制造要求,市场发展状态良好。除个别厂家在个别品种方面将国外生产的芯片拿到国内封装出相关产品、占据市场较大份额外,其他高端产品均是国外厂商在垄断。

二、随着物联网等新兴产业的兴起,传感器产业成为世界各国在高新技术发展中争夺的一个重要领域。近年来我国传感器产业快速增长,应用模式也日渐成熟。但由于产业档次偏低、技术创新能力较差,国内传感器产业呈现低端过剩、中高端被国外垄断的市场格局。传感器技术发展滞后已掣肘国内战略性新兴产业的顺利推进。

目前从材料、器件、系统到网络我国已形成较为完整的传感器产业链。在网络接口、传感器与网络通信融合、物联网体系架构等方面取得较大进展。但产业档次偏低、企业规模小、技术创新能力差,很多企业只是引进国外元件进行加工,同质化严重。而生产装备落后、工艺不稳定等造成产品指标分散、稳定性差。模仿产品在敏捷度方面也不尽如人意。在相对研发突出的领域,却忽略了工业化基础性开发,商品化开发严重滞后。

目前我国传感器产品约6000种左右,而国外已达20000多个,远远满足不了国内市场需求。中高端传感器进口占比达80%,传感器芯片进口更是达90%,国产化缺口巨大。其中数字化、智能化、微型化等高新技术产品严重短缺。国家重大装备所需高端产品主要依赖进口。而涉及国家安全和重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表,国外对我国往往采取限制。外资企业产品占据国内高端市场绝大多数的市场份额,并将会在今后很长一段时间内持续把持高端市场,这种势头在短期内不会得到根本转变。

三、国有企业发展处于平稳增长状态,总体上跟不上国外最新技术发展的步伐,除少数厂家外,总体差距有扩大的趋势。这是因为传感器技术发展快,工艺和制造设备更新快,许多新设备国内厂商无法制造等原因造成的。并且设备的单台价格少则几十万美元,多则数百万美元,绝大多数厂家靠自身积累很难购买新型设备,致使在许多新技术、新工艺方面无法跟上国外企业飞速发展的步伐。

国内传感器行业现状

国内传感器一方面表现为传感器在感知信息方面的落后,另一方面,则表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。由于没有形成足够的规模化应用,导致国内的传感器不仅技术低,而且价格高,在市场上很难有竞争力。

中国大致从1980年以后开始重视传感器技术的研究。经过多年的努力,在传感器研究方面的发展水平还算是比较好的。但是,在产品化方面的技术进步还不是很理想,很多传感器技术,其实国内的实验室研究水平并不是很差,可惜未能充分利用,没有转化为进入市场的成熟产品。

传感器技术的研究需要比较长时间的投入,一款传感器的研发,要6年-8年才能成熟,一般中国企业都承受不了这么长的周期。中国企业更难以承受失败,而传感器的研究失败的风险很高。

日本企业支持的研发中,很多形不成产品,但是企业能够承受,10项中只要2项-3项能够变成产品就行。相比之下,我们很多企业都是准备去拿别人现有的东西。这种思路是有问题的,包括我们总是希望引进国外现成的、有自己项目的人才。都不准备养鱼,而是捞一条鱼来。

相比于比较大型的仪器设备,传感器在产品化过程中需要的投资一般不是很大,所以比较适合小型企业投资。在这方面,中国应该是有优势的。然而,如果从另外一个方面考虑,这也是一个短处。

传感器行业的一个特点是,传感器本身技术含量高,但单只传感器的价格一般不高。此特点导致的一个结果是,尽管传感器的技术附加值高,但单纯依赖传感器很难形成可观的产值。

一般来说,传感器有点像中药里的“药引”,本身功能很重要,但真正形成规模还需要依赖整服药剂才行。国外很多传感器公司一旦在某种传感器上有突破,很快会有相关的测量仪器开发出来。

另外,在中国的专利保护机制下,传感器中辛辛苦苦研发出来的关键技术,往往呈现一种“诀窍”性质,被抄袭后,很难说清楚,企业也打不起官司。国内虽然也有MEMS传感器企业,但都是委托加工,搞不好就被加工企业自己拿去做了,目前的企业创新体系有很大的问题。

我国传感器发展差距的主要原因

一、核心制造技术严重滞后于国外,国内产品差强人意。

国外传感器的新技术、新产品、新工艺、新材料不断涌现,传感器数字化、智能化、微型化已成趋势,大多数产品已变成现实,且在不断完善、不断升级,而我国的传感器虽然所涉足的研究开发领城基本与国外相差无几,但由于在某些核心制造工艺技术上还严重滞后于国外,所以在深度和广度上差异较大,主要表现为:

1、产品品种不全、规格少,新品欠缺。

我国目前传感器产品品种数为3000个左右,而国外已达20000多个,产品品种满足率仅在60%-70%左右,远远满足不了国内传感器市场需求。从行业产品结构看,老产品比例占60%以上,新产品不足吟,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、缺乏市场竟争力。

2、科技创新差,拥有自主知识产权的产品少。

企业自主开发与技术创新能力差。由于多种因素影响,国内企业仍以手工方式生产技术含量低或国外已停产的产品。很多新公司就是国外产品的推销商和代理商,在多数院校和研究院所中,对高技术的跟踪和对高技术附加值产品的研发能力还是可以的,但其成果以样品居多,距产业化较远,自主开发和拥有自主知识产权的科研成果不多。

二、工艺装备落后,产品质量差。

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。

三、人才资源匮乏,产业发展不足。

传感器及其产业的特点之一是技术密集,由于技术密集,也自然要求人才密集。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、技术管干、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。

四、统筹规划不足,投资力度不够。

目前存在的问题是重复分散、统筹规划不足,科研投资强度偏低,科研设备落后,科研和生产脱节,影响了科研成果的转化,使我国传感器产品综合实力较低。其次是由于政府重视不够, 在信息技术发展的过程中, 对传感器技术重要性的认识滞后于计算机技术和通讯技术, 发展需求的资源投入规模和强度太小, 使传感器技术的发展速度缓慢, 牵制了信息技术的飞速发展。

我国传感器产业分布状况

目前我国传感器企业正努力追赶国外企业,并出现区域的传感器企业集群,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空间布局。

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。北京已建立微米/纳米国家重点实验室。

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。

未来传感器的重要应用方向

从应用领域来看,工业、汽车电子、通信电子、消费电子四部分是传感器最大的市场。国内工业和汽车电子产品领域的传感器占比约42%左右,而发展最快的是汽车电子和通信电子应用市场。

智能汽车和无人驾驶是驱动MEMS传感器发展的重要动力。在智能汽车时代,将会使用大量的MEMS运动传感器实现主动安全技术:语音将成为人与智能汽车的重要交互方式,MEMS麦克风将迎来发展新机遇。自动驾驶技术的兴起,进一步推动了MEMS传感器进入汽车。汽车行业占据整个MEMS市场份额超过30%,2015年全球汽车MEMS行业营收为37.3亿美元。根据预测,未来六年,全球汽车MEMS市场预计将以4.2%的复合年增长率稳步增长。

此外,MEMS传感器也是智能工厂的“心脏”,从这个层面上讲,它是工业机器人变得“神通广大”的利器。它让产品生产流程持续运行,并让工作人员远离生产线和设备,保证人身安全和健康。据预测,未来六年,MEMS在工业市场预计将以7.3%的复合年增长率快速增长。

我国传感器产业未来将遵循的五大方向:

1、以工业控制、汽车、通讯信息业、环保为重点服务领域;

2以传感器、弹性元件、光学元件、专用电路为重点对象,发展具有自主知识产权的原创性技术和产品;

3、以增加品种、提高质量和经济效益为主要目标,加速产业化,使国产传感器的品种占有率达到70%——80%,高档产品达60%以上;

4、以MEMS(微机电系统)工艺为基础;

5、以集成化、智能化和网络化技术为依托,加强制造工艺和新型传感器和仪表元器件的开发,使主导产品达到和接近国外同类产品的先进水平。

全球知名传感器制造商及特点

Measurement Specialties Inc. /美国MEAS传感器公司

精量电子-美国MEAS传感器公司掌握着世界领先的MEMS制造技术,专业生产各类传感器。产品广泛应用于航天航空、国防军工、机械设备、工业自动控制、汽车电子、医疗、家用电器、暖通空调、石油化工、空压机、气象检测、仪器仪表等领域。该公司在行业内第一个实现硅MEMS批量加工技术,第一个将LVDT商业化,第一个将Piezo Film技术转化为低成本的商业化传感器及生命特征传感器。主要的传感器产品:压力及动态压力传感器,位移传感器,倾角及角位移传感器,霍尔编码器,磁阻传感器,加速度传感器,振动传感器,湿度传感器,温度传感器等。

Honeywell International Inc. / 霍尼韦尔国际公司

霍尼韦尔国际公司是一家在技术和制造业方面居世界领先地位的多元化跨国公司,在全球,其业务涉及众多领域。Mircro Switch(微型开关公司)创立于1935,后加入霍尼韦尔成为霍尼韦尔传感与控制战略部。全球首先研制出STC3000型智能压力传感器,技术领先。目前共有20多个系列近六万种产品,在全世界拥有三十万用户。近半个世纪以来,霍尼韦尔公司的传感与控制分部以其优秀的产品质量和可靠性,以及不断的技术创新,在全世界赢得了很高的声誉。主要的传感器产品:扩散硅压力传感器、变送器,陶瓷电容式压力变送器,扩散硅和陶瓷电容式液位变送器,数字式压力表,压力校验仪等。

Keller America, Inc. / 美国凯勒公司

凯勒与压阻技术的发展有密切关系。凯勒先生开发了第一个压阻式压力传感器后不久,于1975年创办了凯勒公司,现已成长为提供压力测量解决方案的全球领导者。公司年产量100万只传感器,拥有10个系列的OEM压力传感器产品。主要的传感器产品:压力传感器,压力变送器等。

Emerson Electric Co. / 美国艾默生电气公司

美国艾默生电气公司于1890年在美国密苏里州圣路易斯市成立,当时是一家电机和风扇制造商。经过100多年的努力,Emerson已经由一个地区制造商成长为一个全球技术解决方案的集团公司,是《财富》世界500强企业,在电子行业中长期名列前两位。主要的传感器产品:振动传感器,P H 传感器等。

罗克韦尔自动化有限公司

罗克韦尔自动化公司是拥有百年历史的工业自动化巨擎。它在全球工业自动化动力、控制与信息技术解决方案等领域占据领先地位。1988年进入中国,在上海设有生产基地,为中国制造业提供世界一流产品与解决方案、服务支持及技术培训。同时,罗克韦尔自动化为客户提供各种工业领域的专家支持,诸如采矿、水泥、起重机及船舶应用地铁、半导体、水及污水处理、轮胎、石油及石化、冶金、汽车、食品与饮料、电力及能源等。主要的传感器产品:压力传感器、温度传感器、容性接近传感器、感性接近传感器、光电传感器、超声传感器等。

General Electric Company / 通用电气公司

通用电气公司(GE)是一家多元化的科技、媒体和金融服务公司,也是全球知名传感器厂商之一,致力于不断创新、发明和再创造,为客户解决问题。GE由四大业务集团构成,每个集团都包括多个共同增长的部门。GE的产品和服务范围广阔,从飞机发动机、发电设备、水处理和安全技术,到医疗成像、商务和消费者金融、媒体和工业产品。主要的传感器产品:车载传感器、压力传感器、温度传感器、光学传感器(元件)等。

Raytek Corporation / 雷泰公司

美国雷泰公司是世界上非接触红外测温仪的最大生产厂家之一,红外测温传感器销量居世界同行业之首。该公司提供红外测温仪、温度传感器约13个系列、上百个品种,测温范围覆盖:-50℃~+3000℃,RAYTEK(雷泰)红外测温仪广泛应用于设备故障诊断、冶金和热处理、电力、铁路、食品等诸多领域。主要的传感器产品:温度传感器等

PCB Piezotronics, Inc. / 美国PCB公司

美国PCB公司是世界著名的传感器及测量仪器制造商。公司于1967 年成立,致力于压电测量技术的研究、开发和产品制造。其首创的ICP 型传感器(内装集成电路电荷放大器),在世界上享有盛誉。生产的加速度、压力、力、扭矩传感器以及相应的测量仪器,广泛应用于航空、航天、船舶、兵器、核工业、石化、水力、电力、轻工、交通和车辆等领域。主要的传感器产品:加速度、压力、力、扭矩、冲击、振动、声学、模态及水声测量的传感器和配套的仪器设备等。

Banner Engineering Corp. /美国邦纳工程国际有限公司

美国邦纳公司总部位于美国的明尼苏达州,是全球顶尖的自动化技术专家、整体解决方案提供者。在40多年的发展过程中,始终将创新作为产品应用与研发的源动力。公司拥有22000多种产品,具有最为齐全的产品线。主要的传感器产品:光电传感器,视觉传感器,旋转编码器等。

Siemens AG /西门子股份公司

西门子一直活跃在中国市场,并在工业、能源和医疗业务领域处于领先地位。公司致力于产品开发和制造,设计和安装复杂的系统和工程,定制一系列解决方案。同时,它还是全球知名的传感器制造厂商,传感器质量优良。主要的传感器产品:温度/压力传感器,工业自动化产品中所用传感器。

EPCOS AG / 爱普科斯公司

爱普科斯开发、制造和销售电子元件模块和系统,重点关注增长迅速的尖端技术市场,范围包括汽车电子产品、信息和通信技术、工业电子产品和消费电子产品。爱普科斯的营销网点密布,遍及全球,有60%的产品在全球市场上处于领先地位。主要的传感器产品:温度/液位/压力传感器等。

First Sensor Technology GmbH

First Sensor技术公司于1999年从德国柏林科技大学的核心研究部门分离出来的。由于雄厚的技术力量,勇于创新的精神,对客户需求的精确把握和对属下员工的高度负责,现在已经成为压力传感技术市场的企业领袖。该公司集中致力于压力传感器的研究,已能将产品的最高工作温度提高到225 °C;年生产百万片压力传感器芯片,具有10万级到万级超净车间。主要的传感器产品:力敏芯片,压力传感器等。

alluff GmbH / 巴鲁夫公司

德国巴鲁夫公司成立于1921年,是世界范围内首屈一指的传感器制造商,产品包括了一个BNS完整的电子式和机电式行程开关系列、BOS光电开关、BES感应式接近开关、电容开关、BMF磁敏开关、BTL直线位移传感器、RFID识别系统,以及各种插接件产品。在广阔的工业应用领域,尤其是机械装备领域,为用户提供创新的、有经验的传感器应用方案。主要的传感器产品:光电传感器,位移传感器,电感式/电容式接近传感器等。

Hans Turck GmbH & Co. KG / 图尔克公司

集团公司成立于六十年代初,在美国、瑞士和中国设有分厂,在英国、荷兰、比利时、日本等国家和地区设有分公司和办事机构,已经发展成为专业性跨国集团公司。该公司是世界上生产接近开关类传感器、工业现场总线、本安隔离栅及工业用各种快速接插件的最大专业公司之一。主要的传感器产品:电感式、磁感应、电容式接近开关类传感器,光电传感器,本安隔离式安全栅,流量开关传感器,总线产品用的各种接插件等。

Pepperl+Fuchs GmbH / 倍加福公司

倍加福公司是全球最著名也是最大的传感器专业公司之一,产品种类全,数量大,质量可靠。公司创建于1945年,于1958年向世界推出具有革命意义的第一代电感式传感器,成功应用于化工、石油行业。从电感式传感器到超声波传感器,从光电式传感器到旋转编码器,从识别系统到现场总线系统,从液位、料位传感器到安全光幕,从防爆传感器到安全栅、隔离栅等各类传感器都有特别的研究和优质产品提供。主要的传感器产品:电感式/电容式/磁式接近开关,距离/测距传感器,光电传感器,编码器,视觉传感器,对射式传感器,倾斜传感器,超声波传感器等。

Christian Bürkert GmbH & Co. KG / 宝得公司

该公司是流体控制领域的全球领先者,在世界40个国家和地区建立了经销商和合作伙件,建立各种客户网络。每年,公司员工致力于发展新的和高度先进的产品和解决方案、系统集成过程测量和控制单元解决方案。公司对研发的投资较高,技术解决方案先进,服务良好。主要的传感器产品:流量传感器,气体传感器,压力传感器,分析传感器,温度传感器等。

Infineon Technologies AG /英飞凌科技股份公司

总部位于德国Neubiberg的英飞凌科技股份公司,为现代社会的三大科技挑战领域——高能效、连通性和安全性提供半导体和系统解决方案。英飞凌平均每年投入销售额的17%用于研发,全球共拥有22900项专利。该公司是全球领先的半导体公司之一,生产的半导体传感器性能优良。主要的传感器产品:压力传感器,磁力传感器,胎压传感器等。

MEMSENS公司

MEMSENS公司是从事专业开发和制造压力传感器和压力变送器的瑞士公司。目前,公司向市场推出两大类产品:OEM压力传感器和配套使用的压力变送器。除了几种标准产品外,主要是为用户设计和提供非标准产品和技术服务,服务的主要内容有提供传感器技术开发和咨询。MEMSENS公司位于瑞士微电子技术和微机械加工技术的中心,周围有欧洲和世界有名的大专院校以及研究机构,并且与他们有着紧密联系和合作。主要的传感器产品:传感器芯体,隔离式压力传感器,压力变送器等。

Yokogawa Electric Corporation /日本横河电机株式会社

以来,一直致力于为用户提供尖端的专业技术,支援顾客进行提高经营效率的改革。其计测技术事业核心——测量仪器事业部,有着高稳定性和高可靠性的产品以及始终领先于时代的计测技术。通过与安藤电气公司的合并,进一步扩大了通信测量仪器的生产领域。在信息处理领域,尖端技术也得到了充分的发挥,目前,医疗用图像信息系统已经在许多医院得到应用,为支持医疗和医疗现场信息化作出了贡献。主要的传感器产品:EJA型谐振式压力传感器,P H传感器,流量传感器等。

OMRON Corporation / 欧姆龙公司

欧姆龙集团产品品种达几十类,涉及工业自动化控制系统、电子元器件、汽车电子、社会系统以及健康医疗设备等广泛领域。它是全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商,掌握着世界领先的传感与控制核心技术。主要的传感器产品:温/湿传感器,开关量传感器等。

Fuji Electric Group / 富士电机集团

富士电机集团通过创造经济利润,实现集团企业价值最大化,把对社会、对股东和投资者的贡献作为经营的基本方针。为了实现这个目标,从2003年10月开始导入了把整体事业划分成子公司的纯控股公司体制。通过专业公司的自负盈亏经营和快速经营,形成“行业中最强的专业公司”的集合体。该公司的硅电容传感器和变送器在技术方案上有独到之处,特别是在静压保护方面。主要的传感器产品:压力传感器,电容传感器和变送器等。

KEYENCE Corporation / 基恩士集团

随着工业自动化方面的迅速发展,KEYENCE作为传感器和测量仪器的主要供应商,在不断开发制造更新、更可靠的产品,以满足各制造行业的需求。公司一直致力于支持广大用户,并协助他们成为其行业中的佼佼者。主要的传感器产品:光纤传感器,光电传感器,数字激光传感器,接触式传感器,RGB 颜色传感器,近接传感器,压力传感器等。


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