传感器材料与器件技术发展现状与对策

　　杨斌1，牛永安2，秦文静3，文震4

　　(1.科学技术部高技术研究发展中心;2.沈阳化工大学;3.天津理工大学;4.苏州大学功能纳米与软物质研究院)

　　传感器是获取物质世界信息的主要途径与手段，是实现经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升的基础器件，因此成为各发达国家竞相角逐的技术高点之一。本文对传感器材料与器件技术的特点和发展趋势，以及国内外发展现状及我国面临的问题进行了分析梳理，提出了对策建议。

　　一、传感器材料与器件技术及其特点

　　从技术角度讲，传感器是指具有信息采集功能的基础性功能器件，主要包括：生物、光电、红外、力敏等传感器。而传感器材料则是指对声、光、电、磁、热等信号的微小变化反应出高灵敏应答的功能材料，以及制造传感器所需的结构材料，主要包括：半导体、金属、复合材料等。

　　传感器技术及其产业具有技术密集、多技术协同、行业渗透力强、跨界融合度高、产业集中度低等特征;传感器产品具有品种多、批量小、结构复杂、技术指标分散、参数跨度大、精度要求高、应用领域广泛等特点;传感器材料与器件则具有一致性和稳定性，以及技术基础性和协同性要求高等特性。

　　在传感器技术领域，我国受限于整体发展水平、技术实力、人才积累等因素，已与欧美等国家形成了“代差”，技术追赶尤为迫切。

　　二、传感器材料与器件技术发展现状与趋势

　　总体来看，国外传感器具有原理先进、技术覆盖面广、灵敏度高、集成度高的特点。在传感机理、传感器材料、制造工艺、装备与测试、边缘计算等技术方面，美、德、日等工业发达国家处于国际领先地位。在传感器市场销售方面，美国、日本、德国占世界传感器市场销售额的70%。

　　各国对传感器材料与器件技术及产业发展的推动作用主要表现为：重视基础技术、基础工艺和关键共性技术的协同性，基础研究与关键共性技术并行，材料研究与器件设计并行，工艺基础与应用技术并行;重视材料设计与制备的基础设施建设，重视产品门类和市场应用的匹配;在全面掌握传感材料与器件发展过程中，注重上下游接口联接的各项标准的完整性、统一性、协调性;制定发展规划、基金投入巨大。2010年以来，美国国家科学基金在传感器相关基础技术项目的投入，占高技术相关研究项目投入的20%以上。

　　随着新一代信息技术的发展，人工智能、物联网、无人平台等新技术的发展，对传感器材料与器件提出了新的要求和挑战。新一代传感器体现出以下几个明显的发展趋势：

　　一是零功耗。在庞大的物联网传感器节点中，数个月更换一次电池是不现实的。“零功耗”传感器平时可将搭配的电路、通讯等系统彻底关闭，且自身不需要消耗电能也可维持对外界刺激的敏感。当接收到外界的变化“事件”时(如车辆经过、有害气体泄漏、出现特定光谱等)，才将后端的电路等接通，实现真正的“零功耗”环境监测。

　　二是无线按需连接。物联网无线传感节点的另一大能耗来自无线通讯。因此，利用新的材料和器件，实现无线按需连接，平时整个通讯系统彻底关断，在需要的时候成功唤醒，是未来无线传感器发展的重要方向。

　　三是多维信息集成。即开发可同时对单个应用场景的多个参量进行测量，并将采集到的多维度的数据经过边缘计算等方式进行处理，输出与应用场景强相关的结果的，具有多传感器融合和系统集成特点的新型传感器，以实现单个传感器对多维信息的感知能力，实现感知端边缘的算、存、传一体，提高对应用场景和环境的适应性，提升可靠性。

　　四是网络协议与集成化。未来传感器需要建立在统一的材料工艺平台上，形成传感器的协同设计，经过统一的材料平台一次加工完成。还可与现有CMOS工艺兼容，形成网络协议化的多个传感器、多个信号读取电路的单芯片集成，极大地提高传感器的集成度。

　　五是特殊应用的传感器。包括针对特殊环境的生理信号采集传感器，针对特殊应用需具有透明、柔韧、延展、可弯曲、可穿戴等特点的传感器。

　　六是多感知功能传感器。传感器已由对力、热、声、电、磁等单一维度物理量感知，扩展到对气体、液体、红外等信息的新型感知功能，未来将出现可以对人皮肤的热、疼痛、湿度、触觉等感知的传感器。

　　七是智能化。将多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等功能集一体，全部或部分实现传感器的自动控制、自动检测、自动分析、自动诊断等功能。智能化的另一个方向是软传感技术，即智能传感器与人工智能相结合。

　　三、我国传感器材料与器件技术发展的现状与对策建议

　　总体来看，目前我国已有1300余家单位从事传感器材料与器件的研制、生产和应用，大专院校、科研机构都有不同程度涉及传感器材料与器件研发、小批量生产。我国传感器产业门类基本齐全，产品涵盖了10大类、42小类、7000多个品种。近年，国内传感器市场保持快速增长，年均增长速度超过20%。但我国目前专业研制生产传感器的企业比例还不高，大多为企业附属产品，产值相对较低。

　　长期以来，影响我国传感器材料与器件技术发展的问题，主要在以下几个方面：

　　一是重视程度不够。对传感器材料与器件技术研发的资源匹配和关注度不够，与传感器的战略需求和产业地位不相符，与面向“2025中国制造”的需求严重不匹配。

　　二是资源分散。我国整个传感器产业基础比较薄弱，研发与产业规模小而分散，主要表现为，科研人员少、企业小、盈利少，技术分散、资金分散、布局分散、结构分散。因此，科研院所、大学以及企业都难以单独支撑材料到器件的研发，需要一个能够把传感器材料与器件沿着产业链方向进行整合的平台与机制。

　　三是缺少多元化的投入。传感器材料与器件研发技术难度高，投资多、周期长、回报率低、风险大，很多金融机构不愿选择投资这种长线又风险高的技术，导致研发投入不足。

　　对此，我们提出如下建议：

　　一是加强统筹规划。提升战略地位，把发展传感器材料与器件作为国家战略，在2035战略规划中凸显出来。

　　二是加大支持力度。加大国家科技计划对传感器材料与器件研发的支持力度，重点支持涉及人工智能、物联网、无人平台领域的传感器材料与器件技术的研究。

　　三是建立创新中心。建立由政府主导，企业牵头，大学、科研院所、金融机构共同参与的，传感器材料与器件方面创新中心。从前沿基础研究、关键技术研发、检测和标准，以及知识产权管理等全创新链的角度，加强对相关研发资源的整合与系统推动。

　　四是设立“传感器产业化发展专项基金”。激励中小企业发展专业性强、有特色的技术与产品，加强对敏感机理与材料、工艺技术创新、生产设备与装备、智能化网络化应用等各重点方向的支持，形成坚实的、完全自主可控的传感器材料与器件技术的产业基础。

　　五是创建传感器产业园。通过优化产业发展环境，促进产学研结合，创造上下游整合契机，形成行业资源优势互补，打造良好的传感器产业生态环境。

　　本文特约编辑：姜念云