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关于中国传感器发展的四点冷思考
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关于中国传感器发展的四点冷思考

2021-01-27 16:55:53 来源:传感器专家网 点击:543

【哔哥哔特导读】通过重组国家队,培养多个领域传感器专业领军人才。国家队应在一些前沿先进传感器进行超前布局和安排,如石墨烯传感器、量子传感器、柔性传感器等。

冷思考一

重组国家队,加强基础研究,突出创新

培养多个领域传感器专业领军人才

世界传感器发展己经到新的阶段,以硅基材料为主的MEMS传感器,无论从工艺、装备、性能都己到“极限”,我国很难超越了,即使要超越其代价也难以承受,且国内基础研究薄弱,专业人才匮乏,跟在别人后面亦步亦趋,受制于人是必然结果。

柔性传感器

重组国家队,是重组而非完全新建,其主要任务是:

加强基础研究,开展新材料、新原理、新工艺、新结构的新颖(型)传感器研发;

对前沿的、国际上先进的传感器提前布局和预研,如石墨烯传感器、量子传感器、柔性传感器等;

对国内长期没有解决的关键技术和工艺、卡脖子的产品进行攻关;

提供我国传感器发展的顶层设计、战略规划、实施步署等咨询意见,供政府决策部门参考;

国家队的资金来源大部分应由国家提供。

通过重组国家队,培养多个领域传感器专业领军人才。国家队应在一些前沿先进传感器进行超前布局和安排,如石墨烯传感器、量子传感器、柔性传感器等。

1、石墨烯传感器

石墨烯材料被誉为“黑金”、“新材料之王”,是目前世界上最薄、最坚硬、导电性最好的纳米材料。科学家预言,石墨烯材料将“改变21世纪”。

可充分利用我国在石墨稀材料研究方面起步较早的优势,如常州有一石墨烯产业园,石墨烯研究院,鼓励科技人员开发出石墨稀传感器和相应的工艺装备。

要研究石墨稀传感器,研究石墨稀传感器的工业应用,有无“替代”目前硅基传感器在测温、测压、测流量方面的可行性。2019年10月25日,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进碳材料研究部的科研人员,首次制备出以肖特基结作为发射结的垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管,这是一个非常可喜的成果,有可能对传感器技术发展有石破天惊之作用。

世界各国由石墨烯材料制成的传感器有:

石墨烯电化学传感器:基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。因此,在电化学领域,石墨烯电化学传感器就有了大展身手的机会。

石墨烯电化学传感器的应用,有以下优点:①体积小,表面积大;②灵敏度高;响应吋间快;④电子传递快;⑤易于固定蛋白质并保持其活性;⑥减少表面污染的影响。

石墨烯气体传感器:石墨烯独特的二维特点使之在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表而积使之对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。当然目前检测可以分为直接和间接检测。通过TEM可以直接观测到单原子的吸附和释放过程,并且观察到了碳链和空位,实时研宂其动力学过程。

这些技术提供了一种研究更复杂化学反应的真实动力学途径,并能鉴别未知吸附物的原子结构。通过测量霍尔效应的办法通过霍尔电阻的变化能间接检测单原子的吸附和释放过程,极大提高了微量气体快速检测的灵敏性。

石墨烯光电传感器:由石墨烯制作而成的用途广泛的高光敏度传感器。这种新型传感器的关键在于使用了“滞留光线”的纳米结构。纳米结构能够比传统的传感器更长吋间的捕获产生光线的电子微粒。这就会导致产生一种更强的电信号,就像数码相机所拍摄的照片一样,它能够将这种电信号转变成图像。这种新型传感器是由新加坡南洋理工火学的研宄人员研制的,它对可见光和红外线都高度敏感,这就意味着它可以用于尼康品牌的所有产品。

还有石墨烯生物小分子传感器、石墨烯酶传感器、石墨烯电场传感器、石墨烯磁场传感器、石墨烯机械传感器(质量传感、应力传感)等。

2、量子传感器

随着量子控制研宄的深入,量子效应将不可避免的在传感器中扮演重要角色,传感器自身的发展有向量子型发展的趋势,随着对敏感元件的要求将越来越高,精确传感系统必将涉及量子传感器,量子传感器基于激光冷却原子,极可能大幅提升系统性能。而量子传感器相比于传统产品则实现性能上的“大跃进”:在灵敏度、准确率和稳定性上都有了不止一个量级的提高。

在经典控制中,测量过程山各种测量仪表完成,其中的变换过程一般由相应的测量传感器完成。测量仪表可以由若千个传感器以合适的方式联接而成,共同完成变换、选择、比较和显示功能。与经典控制中一样,量子控制中测量的关键也是被测量和标准量的比较。而量子控制中的可观测量与量子力学中的相应自共轭算符对应,量子系统状态的直接测量一般不易实现,需要将被测量按一定的规律转变为便于测量的物理量,进而实现量子态的间接测量。这一过程可以通过量子传感器完成。

各种量子传感器将在量子控制、状态检测等方而得到广泛应用:例如在航空航天、气候监测、建筑、国防、能源、生物医疗、安保、交通运输和水资源利用等尖端领域都实现了量子传感器的商业化应用。

德国成功研制出新型量子传感器,德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(IAF)和马普固体研究所发布消息称,其科研人员共同研发出一种量子传感器,未来可用于测量微磁场,如硬盘磁场和人脑电波。

3、柔性传感器

柔性传感器技术是极具挑战和潜力的发展方向,在人工智能、医疗健康等领域有着广阔的发展前景。随着人机交互、运动健康监控等细分领域的快速发展,相关产品对传感器提出了更高的要求,迫切需要具有柔韧、可弯曲、可拉伸、可回复特性的弹性传感技术,以满足人体穿戴舒适性的需求。

目前柔性传感器领域最热门就是柔性可穿戴电子传感器。柔性可穿戴电子传感器的信号转换机制主要分为压阻、电容和压电三大部分。

柔性压阻传感器。可以将外力转换成电阻的变化(与施加压力的平方根成正比),进而可以方便地用电学测试系统间接探测外力变化。而导电物质间导电路径的变化是获得压阻传感信号的常见机理。由于其简单的设备和信号读出机制,这类传感器得到广泛应用。

柔性电容传感器。电容是衡量平行板间容纳电荷能力的物理量。传统的电容传感器通过改变正对面积S和平行板间距d来探测不同的力,例如压力,剪切力等。电容式传感器的主要优势在于其对力的敏感性强,可以实现低能耗检测微小的静态力。在弹性基底上制备电容型透明、可拉伸的碳纳米管传感器,对压力和拉力同时有响应。

柔性压电传感器。压电材料是指在机械压力下可以产生电荷的特殊材料。这种压电特性是由存在的电偶极矩导致的。电偶极矩的获得是靠取向的非中心对称晶体结构变形,或者孔中持续存在电荷的多孔驻极体。压电系数是衡量压电材料能量转换效率的物理量,压电系数越高,能量转换的效率就越高。高灵敏,快速响应和高压电系数的压电材料被广泛应用于将压力转换为电信号的传感器。

柔性可穿戴传感器的应用也非常广泛,除了具有压力传感功能,还具有现实和潜在应用的多种功能,体温和脉搏检测、表情识别和运动监测等。

冷思考二

强化传感器产业链的研究和建设

培育中国传感器标志性企业

通过“补链”、“固链”、“强链”,实现传感器产业链高级化,通过MEMS技术+IC技术的深度融合,实现传感器产业链现代化。

“补链”:MEMS传感器专用设计软件、智能传感器专用设计软件、可靠性设计软件;传感器产业化生产(工艺)技术、传感器专用检测技术。

“固链”:传感器制造链条中工艺规范的固化,检测方法的固化,封装规范的同化。

“强链”:传感器工艺装备的国产化、检测装备的H产化。国家应重视传感器工艺装备和检测装置的研发和行业推广应用。

传感器技术的提升取决于MEMS技术和1C技术的融介深度,这一问题的解决,必须由专门的部门来承折和研发,如“智能传感器创新中心”,国家应加强资金投入,让科学家和工程技术人员安心研究,无后顾之忧。企业是不能解决这类问题的,因企业首要考虑的是盈利和生存问题,何况中国企业赋税确实很重、传感器大部分都是小微企业。

国家应该通过科研项目等方式,在温度、压力、流量、液位等主要过程参数测量行业,培育一批国内传感器标志性企业。使其在技术、产业、市场和品牌方面,逐步具备同国外企业竞争的能力。如果没有这个培养的过程,按着近些年的趋势,国产品牌的传感器、仪表与国外的差距,会越来越大。因此通过强化传感器产业链的研究和建设一一培育中国传感器标志性企业也是当前传感器产业发展要务之一。

在传感器产业化方面,国家应该出台政策:推进国产传感器、仪表产品在工程上应用。要求国内主要设计院,在设计阶段,传感器和国产品牌仪表的占比,不低于50%。

冷思考三

用好、用活现有的MEMS传感器芯片工艺线

培养传感器大国工匠

传感器芯片的研发是推动传感器产业发展的根本。传感器芯片企业的生存是难中之难,在传感器产业发展过程中,出现了大部分企业去搞传感器应用,而不愿搞传感器芯片的研究和开发,因为搞传感器芯片投资大、难度大、见效慢、风险岛,这里有国家政策、体制、机制等问题,但其本质是对传感器技术的特点和规律认识不足,如放弃研发传感器芯片,传感器应用难以为继,而且受制于人,会重蹈集成电路芯片之覆辙。不在传感器芯片上下功夫,不厚积薄发,想走捷径,中国传感器产业要取得突破性发展是很难的,甚至是没有希望的。

这需要国家有关主管部门下决心、下狠心。

国内4英寸以上MEMS传感器生产线至少有20条(以传感器为主的生产线),其中研发线5条、压力线4条、压力+惯性线3条、惯性线5条,惯性+磁传感器线1条、磁传感器线2条。

但据了解,这些生产线除5条研发线外,存在诸多问题,最主要问题是开工率严重不足。开工率不足的原因是某种传感器产品的产业化问题没有解决:

一是没有解决产业化的市场,没有市场需求,或没有规模化的市场需求,传感器产品达不到量产的指标和目标;

二是即使有规模化的市场需求而传感器的产业化技术或工艺技术没有解决,造成废品率高,成本增加,或者某些材料和辅料供应有问题,工艺线难以开工;

三是有些生产线并不完整,缺少某些关键设备;

四是传感器的工艺线运行成本很髙,没有足够的资金支持难以为继。

有些生产线成为摆设、供参观之用。毎一条生产线的建设均需巨大投资。

希望不要再盲目投资传感器芯片生产工艺线,而是用好、用足现有的芯片工艺线,这需国家、政府牵线,企业协作、共盈,关键是要转变观点和思维方式,要打破行业壁垒、要实施联合技术攻关,实现工艺线在全行业“低价格有偿”共用;其次应将专用的工艺线进行适当组合构成柔性工艺线;规划每条工艺线的专业分工和主业产品。这些需发挥中国特色的优势,发挥政府的作用。

传感器可以说是一种“高技术工艺品”,通过用好、用活现没的MEMS传感器芯片工艺线,培养传感器工艺人才一一进而培养传感器大国工匠。

冷思考四

尽快解决流程工业变送器“有器无芯”问题

培养众多传感器企业家

目前,国内工业用压力传感器或变送器,包括硅基OEM产品,其核心部件芯片(芯体)97%以上均从国外进口,国外占据绝大部分国内市场,技术始终在外方手里,我国变送器的生产只是零部件的装配,无自主知识产权。

这一问题国家曾经下功夫解决,二次攻关和立项,一次是2008年,由科技部立项,“高性能传感器关键技术研宄究”,经费1200万人民币;另一次是2015年,科技部863支持项目,“高精度硅压力传感器技术研究及产业开发”,经费720万人民币。但最终均未彻底解决,在行业影响不大。

究其原因,主要有:

①、攻关目标很高,指标性能要和国外知名大公司的成熟产品对标;

②、国内传感器的难础技术、基础材料、工艺水平达不到国外同类产品所规定的技术指标,与国外同类产品差距较大;

③、攻关中,对技术提升和性能改善做了很多工作,但产品的产业化研究基本未涉及,特别是某些关键技术未能突破,加之经费所限,形不成产业化生产线;

④、在确定攻关的技术方案上可商榷,技术人员解决实际问题的能力有限;⑤、项目立项或攻关的组织形式可推敲,二次都是以变送器(整机)企业牵头,有一定局限性;

⑤、国家下的决心和力度不大,资金投入太少,对产业化规模生产无资金投入。政策支持不够,采用国产自主知识产权的传感器或变送器应有优惠政策等。

“有器无芯”这一问题必须解决,应该解决,而且只要处置得当,也能够解决:

1.要提升到国家层面来解决,体现国家意志,国家要有大格局,企业要有大意识。不仅要解决“有器无芯”中传感器的技术问题,关键问题,系统性问题,而且要解决传感器产业化生产问题,建立传感器产业生产专用线。

体现国家意志,当然可由国家有关部委牵头,也可由省、市地方政府出面,或两者联合之。

2.解决“有器无芯”问题,对提升传感器的技术水平,缩短国内外差距,特别是对传感器后道工序(硬封、焊接、充硅油、封装等)的工艺研究、工艺装备制造有重要的作用,有明显的技术、经济意义,而且政治意义也不能小觑,如能真正解决该问题,国外产品会立刻降价。

3.不要迷信“招标制”。招标制这一做法是市场经济的产物。招标时把指标提得很高,而把价格压得很低,当然引入了竞争机制,有其优势之处,但弊端也不少,如互相攻击、挖墙脚、走后门、迷信专家,领导定调。应采用“协商制和招标制相结合的原则”,在协商时,应广开言路、听取正反二面意见、打破行业界线、打破专业界线。特别希望K:行业、MEMS行业、传感器行业、应用行业(仪器仪表行业等),按照传感器产业链的要求实行联合攻关。

4.国家要投钱,地方政府要投钱,企业当然也应投钱。但国家应投大头,企业只能是小头,实际上过去招标中企业投资所占比例偏高,落实往往很困难。

攻关成果归国家所有,全行业都能应用,不属于仅仅参加攻关单位。攻关牵头单位要愤重,最好由第三方“利益关联度”不大、技术上比较全而、有相当基础的单位担当。

5.技术方案要充分论证,要有系统性、可行性、操作性,可分阶段实施。从芯片-芯体-传感器-变送器;专用电路+MEMS工艺集成;器件补偿、测试;应用-领域-场合-政策等几个阶段分步实施。

结束语:

中国传感器(技术、产业)的发展,经历了近七十年的风风雨雨,克服了“造船不如买船,买船不如租船”、“用市场换技术”、“科技创新的主体在企业”这些认识上的偏颇,一路走来:从无到有,从有到全,全而不大,多而不强;成绩巨大,问题不少,进步卓然、崎岖不凡;有些问题是前进中的问题,发展中的问题!

随着物联网,智能制造,人工智能,云计算,大数据等等技术的蓬勃发展和广泛应用,必将对传感器(技术、产业)的发展,迎来新的机遇和挑战,这是时代、历史赋予“中国传感器人”的天赐良机,机不可失,时不我待!

国内外形势波谲云诡,中国传感器(技术、产业)风险犹存,必须从国家利益、国家安全着想,攻破技术壁垒、打破行业界线、突破人才禁区、解破产业难点,埋头工作、厚积薄发,国家要努力、企业要努力、每一位“中国传感器人”要努力,中国的传感器一定会在“世界的于无声处响起一片惊雷”!

 

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