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博九我国工业基础传感器急需破解核心器件产业

发布日期:2021-08-11 02:32

  为适应国家工业发展需要,特别是能源、化工、交通、航空航天等特殊领域针对传感器的需求,从上世纪50年代起,国家先后组织一批国家级研究机构、专业生产企业及部分重点高校共同针对工业传感器进行攻关和生产。在经历了几代人、近半个多世纪的努力后,至今为止基本建成了具有中国特色的覆盖全工业领域的工业传感器体系。很多传感器从无到有,相当程度满足了国家工业发展的需求。特别是上世纪“七五”期间,明确将敏感元件及传感器列入国家攻关计划,“八五”开始特别针对现代工业发展急需的力敏、热敏、光敏、化学、电磁电量等各类工业传感器进行传感器技术研究及共性技术研究专项攻关,“九五”期间实施的微电子机械系统攀登计划、集成微光机电系统研究及“863”MEMS微机电系统重大专项研究,形成了涵盖传感器芯片、材料(半导体晶圆)、封装测试、软件处理及算法、应用示范生产线在内的传感器科研与产业链,建成了包括国家级科研院所、传感器国家工程研究中心、传感器国家重点实验室等专业研发机构和典型企业在内的科研、中试、规模化生产队伍。在金属薄膜应变式力敏感元件及传感器、薄膜磁敏感元件、硅霍尔开关器件、光电开关、NTC热敏电阻和过载保护用PTC热敏电阻、热电偶、电化学传感器及催化燃烧式气体传感器、硅基压力敏感元器件及传感器等很多领域取得巨大成就,一定程度上满足了国内快速发展的工业传感器产业需求,形成了东北、环渤海地区、中原、西北、长三角、闽粤珠三角等为核心的工业传感器设计、研发、生产产业布局或集散中心。工业传感器产品已经覆盖我国工业制造过程全产业。

  “十二五”以来,随着国家工业快速发展的需要、国家对工业传感器越来越重视,相关传感器的政策密集出台,政策环境越来越好。2011年工信部印发了《物联网“十二五”发展规划》,提出提升感知技术水平,重点支持超高频和微波RFID标签、智能传感器、嵌入式软件的研发,支持位置感知技术、基于MEMS的传感器等关键设备的研制。传感器作为物联网重要的组成部分,被提到了新的高度。2013年,为进一步增强传感器产业的创新力和国际竞争力,推动传感器产业创新、持续、协调发展,工信部、科技部、财政部及国家标准化管理委员会组织制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》。为传感器及传感器在工业领域应用,加快传感器及智能仪表快速发展给出了行动时间表。密集的传感器相关政策推动了我国传感器行业飞跃发展。

  “十三五”期间,政府支持力度进一步加大,工信部发布《关于开展工业强基2016专项行动的通知》,提出组织实施“一揽子”突破行动,联合多部委组织实施一批(传感器)示范项目,重点支持机器人、高端传感器、高端医疗设备部件、超级电容器等核心基础零部件,重点围绕新型材料、大数据、传感器等提升产业技术基础公共服务能力。同年国务院发布的“十三·五”国家科技创新规划提出了构建具有国际竞争力的十项现代产业技术体系,涉及包括新型传感器的新一代信息技术、工业传感器的智能绿色服务制造技术。2017年工信部出台《智能传感器三年(2017—2019)行动指南》及《促进新一代人工智能产业三年(2018——2020)行动计划》,从而直接催生了重大科学仪器及设备开发、制造基础技术与关键部件研究两大专项。2019年中央政治局会议提出要加快推进新型基础设施建设后,2020年8月国务院直接推出《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,针对我国集成电路产业发展从财税政策、投融资政策、研究开发政策、进出口政策、人才政策、知识产权政策、市场应用政策、国际合作政策等全方位多方面提出部署,直接将当前新时期新阶段的集成电路产业和软件产业发展推进到一个全新的发展阶段,为其他相关基础产业发展起到了引领示范作用。

  形成了基本全覆盖的产业布局、工业需求传感器从自主到引进全产业链覆盖。中低档产品满足自给自足的前提下实现出口,设计、研发、应用一条龙配套建设和水平得到普遍提升。

  在快速发展的中国工业市场,针对传感器的需求已经从原始的配套变成刚性需求,巨大的中国制造转型升级带来的市场吸引力不仅对国内企业,对国外工业传感器龙头企业也是巨大的吸引,美国艾默生、德国E+H、日本横河等工业传感器巨头在中国市场的份额已经成为其公司重要组成部分。

  在政府支持和行业需求的双层推动下,我国工业传感器已形成包括材料、器件、系统、网络等全方面构成的产业链模式,产业链规模、质量也不断得到提高和完善。据统计,国内具有一定规模的应用于工业制造业的各类传感器生产厂家约2000余家,产品基本覆盖工业制造各领域。生产的各类工业用传感器品种、规格约1.6万种。已经显现出有区域特点的传感器产业集群,重点集中在长三角,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辐射的区域布局。这些集群各有侧重优势,形成了我国较为完备的传感器产业链。

  尽管取得不俗成绩,但我国工业基础传感器仍存在许多问题需要破解,主要表现在:

  一是顶层设计仍缺乏统筹设计,规范引导。工业传感器在仪表行业是小行业,在中国制造中更是小小行业,但工业传感器在制造强国战略中却有举足轻重的地位。由于传感器具有的专业分散和行业分属的特点,长期以来在传感器顶层始终缺乏统一的认识、在传感器行业始终缺乏统一的行业认知。工业传感器的发展、行业规划如“九龙治水各自为政”,未按国家产业发展规划的整体布局有序发展。虽然国家投资逐年加大、政策力度逐年增强,但传感器产业需要长期不断地培育养成的特点在(地方政府、企业)急于求成、急功近利的作用下,想取得传感器产业化的标志性成果,往往事与愿违。

  二是产业规模小,盈利能力低、核心技术缺乏。以压力传感器行业为例,国内具有一定规模的生产厂商大约有千余家,其中民企数量约占企业总数的90%,已经成为了中国工业压力传感器、变送器行业的与国外厂商争夺国内工业用压力传感器、变送器的市场主力军。但这些企业年销售额大于2000万元的企业不足三成,七成以上的传感器生产厂商为中小微企业,产业规模很小,自身盈利能力也不强。由此而连锁的企业核心技术、企业研发能力、企业核心竞争力严重不足或缺乏。

  统计国内主要传感器厂商的产品分析也可以发现,目前国内厂商生产的压力传感器,70%以上是常规应变式、溅射薄膜式等传感器产品,30%左右为陶瓷材料为主的低端产品,产品结构相对单一。

  由于基础研究乏力,长期在“市场换技术”的“快钱效应”指引下,近几十年来新产品新技术多停留在国外样品(样机)分析测绘的“模仿”,自主特色的技术突破产品凤毛麟角。

  共性关键技术,如可靠性技术研究尚待突破。国外典型流程工业高端典型传感器在上世纪末已实现五年免调校,但国内相关产品免调校功能还在推广验证中。工业传感器共性技术如材料、设备、方法、可靠性验证分析等基础理论的研究与发展同国外发达国家的差距仍然巨大。

  四是工业传感器核心敏感技术产业化缺“芯”严重。尽管传统的工业传感器如应变、电感、电容、光栅、称重、位移量、位置量、金属弹性器件等年产量居世界领先地位,有些甚至已经实现出口。但是对于高端工业传感器,尤其是高端制造的重点领域、重点行业、重大工程用配套工业传感器基本上100%依靠进口。即使国内生产,也仅仅停留在研究、样机、小批量中试阶段,相关传感器核心技术(器件)的产业化仍然“路漫漫”,严重制约我国工业的快速发展及工业制造的“自主可控”。如:国内硅基MEMS压力传感器全产业基本处于封装代工阶段,从普通硅基压力传感器、OEM硅基压力传感器到流程工业高端设备控制用变送器,核心硅基敏感芯片基本上全部进口,国内自主配套不足1%;高端智能制造、CNC数控机床、大型工程机械等配套需求的位置、压力、图像、惯性器件等传感器以欧美日或欧美日在国内的合资企业垄断;国内工业基础气体传感器主要集中在中低端的催化燃烧式、电化学式、红外式、以及MOS气体传感器阶段,仅有少量高端的激光红外气体传感器及光离子化PID气体传感器在工业制造领域使用。新产品、新技术的工业气体传感器产业化落后国际先进水平至少五年左右。MEMS硅基压力传感器核心敏感元器件、高端气体传感器敏感芯片等虽然完成技术攻关,但产业化配套基本为零,国内产业化生产敏感核心器件及传感器高端市场基本上全部依赖进口。国内工业传感器主要集中在中低端制造业市场。高端应用的产业化发展空“芯”化问题已经成为制约中国制造由大到强的关键阻碍。

  五是针对工业传感器的数据统计严重“失真”。国内对于工业传感器产业进行分析时,都是以传感器这一大概念进行,“泛”传感器的数据统计方式导致大量非工业领域传感器数据被采集,工业传感器数据的真实度严重失真,对顶层设计和真正认识工业传感器现状毫厘千里、弊端无限。

  1.以德国X-Fab的精、专、特标准化核心器件产业基地为对标,建成力、热、磁、气核心器件专业定点产线,实现国内工业基础传感器基础核心器件成果产业化转移,配套快速发展的中国制造业对传感器的需求特别是核心器件的需求。

  工业基础传感器是制造工业的基础,首先解决当前产业急需的核心器件产业化问题,完善从材料、制造、销售、使用的一条龙产业生态,彻底解决国内工业基础传感器有“器”无“芯”的尴尬局面,真正实现工业基础传感器对国家工业基础的基石和支撑作用,形成分工明确、配套清晰的产业化发展链条。建成中国的X-Fab专业产线。

  标准化定点专业产线不仅要求有良好洁净的工作环境,更需要清晰的产品(不可唯利是图),清晰的工艺管控、素质技能稳定的管理管控团队。做到环境、产品、工艺、管控四“净”。

  2.集中开展传感器跨学科培养,在人才评价、人才团队建设树立领军人物,培养高端扛旗帜的企业;在标准、可靠性、专利等多角度加大奖励制度,推动人才队伍快速成长。

  继续加大、做强重大基础理论与实验研究及传感器领域人才培养与储备,传感器设计方法与关键制作技术研究,鼓励高等院校、科研机构根据需求和自身特色,联合公共服务平台和企业,建设跨学科的智能传感器综合人才培养基地,为企业输送高层次工艺人才和技术创新人才。鼓励示范性微电子学院和仪器学院的人才培养向智能传感器方向倾斜。积极引进海外领军人才和高端技术人才,持续优化人才环境,支持相关技术中心、孵化创业中心等建设,为高端人才集聚提供载体。建立应用型人才良性评价机制,加大对应用性基础研究的引导力度,建立产、学、研良好生态。

  3.从材料、制造、销售龙头抓起,建成工业传感器“一条龙”生态。健全分工清晰明确的工业传感器生态链,实现传感器工业“基石”的支撑作用。

  加大流程工业用力、热、磁、流量、环境气体安全检测传感器和离散传感器产业基地建设,形成流程工业、离散工业传感器精、专、特、新的产业布局,培养一批各自的产业领域的隐形冠军。针对隐形冠军培养在市场、技术、团队从不同角度给予政策支持,设立专项资金对技术创新型企业进行扶持,在功能工业传感器生态链上培养领军企业。

  4.加大对传感器中、小微企业知识成果及科研成果保护,鼓励企业技术创新,积极开展共性关键技术、基础工艺技术的研究,降低企业科研成果转化风险,开展新型一体化智能工业传感器研究,提倡建设工业传感器小微企业的技术隐形冠军。

  加大国家对于传感器产业化方面的投入,鼓励建设产业集聚园区和公共创新平台,加速新设计、新工艺导入。加强对共性关键技术、基础工艺技术研究的投入,在政策、制度、资金等给予倾斜,缩短技术向产品转化的周期。强化市场应用对产业的需求牵引作用,鼓励应用厂商通过商业合作、投资入股等方式参与智能传感器的研发与制造,整合产业链上下游。支持科研院所和高等院校开展智能传感器关键技术和基础理论研究、关键芯片开发,提升产品的集成化、智能化水平,加强知识产权保护,鼓励科研成果转化。鼓励开展新型工业传感器一体化及技术及应用研究,在感知、控制、通讯、算法、智能化、网络化应用开展工作,满足新一代工业传感器需求。

  5.以市场需求为引领,产品质量为准入门槛,企业对自身产品的质量责任保障为前提,从政策面给予工业传感器在国家重点行业、重点领域、重大工程中的配套使用力度,给予国货配套更优惠条件,在工业传感器应用领域落实并加大力度实施国家“政府采购法”和“国货优先”政策。保障工业传感器在中国制造的发展过程中同步快速成长。

  6.针对传感器的泛在性和工业传感器的特殊性,在数据统计、分析和政策制定上加强统计的准确性和合理性,避免出现一叶障目,导致数据失误带来的不良后果,为工业传感器发展提供准确依据。

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