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传感器的发展现状及西安传感器的优势

2006年09月04日 09:53:00 中国传动网

我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后,随着国民经济信息化进程的加快,之后又进入持续快速发展的新时期。这个时期电子信息产业的主要特征表现为:一是正在从单一的制造业转变为物质生产与知识生产,装备制造与系统集成,硬件制造与软件制造,工业生产与信息服务相结合的现代信息产业;二是产业结构,产品结构,企业结构,运行机制,管理模式等方面发生了深刻变化;三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产业,是新世纪的战略产业,为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。 传感器技术及其产业的特点是:基础、应用两头依附;技术、投资两个密集;产品、产业两大分散。基础、应用两头依附,是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别,敏感材料多种多样,工艺设备各不相同,计测技术大相径庭,没有上述四块基石的支撑,传感器技术难以为继。 应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术,其市场开发多依赖于检测装置和自动控制系统的应用,才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。也即发展传感器技术要以市场为导向,实行需求牵引。技术、投资两个密集技术密集是指传感器在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。它是多种高技术的集合产物。由于技术密集也自然要求人才密集。投资密集是指研究开发和生产某一种传感器产品要求一定的投资强度,尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时,更要求较大的投资。增加投资和正确的投资方向是提高传感器产业水平的主要条件之一,也是企事业决策者谋求最佳经济效益的重要手段。产品、产业两大分散,产品结构和产业结构的两大分散是指传感器产品门类品种繁多,生产、研究单位分布在除地方外有12个部委(电子、机械、科学院、航空航天、教委、冶金、船舶、铁道、轻工、化工、煤炭等),其应用渗透到各个产业部门,它的发展既是各产业发展的推动力。只有按照市场需求,不断调整产业结构和产品结构,才能实现传感器产业的全面、协调、持续发展。 一、在国家的支持下,“八五”以来,我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。 在学术交流方面,1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC〞89 首届全国敏感元件与传感器学术会议”已延续至今,固定每两年召开一次,每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前,其论值组织机构为:“全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会”。 在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感器分会的积极组织下,实施的“双加工程”即:加快力度加快发展,的方针指导下,建立了我国敏感元器件与传感器生产基地。这三大基地分别为: “安徽基地”,主要是建立力、光敏规模经济。 “陕西基地”,1990年2月成立了“陕西省敏感技术产业集团公司”主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标。 “黑龙江基地”主要建立气、湿敏规模经济为主要目标。 多年来,三大基地在发展过程中虽然兴衰不一,历史地看,它对我国敏感元件与传感器行业的建设起到了一定的推动作用。“九五”期间传感器技术研究国家重点科技攻关项目取得了51个品种86个规格的新产品。初步建立了敏感元件与传感器产业。 产品已进入到亿万人民的家庭生活中,并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。近年来,在研发主力军的建设方面,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。 全国已有1688家企事业从事传感器的研制、生产和应用,其中从事MEMS研制生产的已有50多家。目前全行业正在执行“十五”规划,MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点;国家计委决定从2002年开始组织实施的新型电子元器件产业化专项中有5项新型敏感元件与传感器已经启动;一些省、市新建立的“传感器产业基地”、“MEMS科技股份有限公司”,呈现出良好的发展态势。 我国开发新一代的高、精、尖传感器已具备条件,如光纤、红外、超声波、生物、智能及模糊控制传感器,采用MEMS技术制作微传感器等,这些新产品逐步实现了CAD设计、全部实现可靠性设计,质量分析及质量信息管理均采用计算机化。 2003年,我国传感器销售额达186亿元,同比增长32.9%。热敏年产量在1000万只以上的企业有5家。虽然它的附加值不高,但它在整个电子行业是不可或缺的。 以热敏电阻器为例,西安市榜上有名,名列全国前五。 由于该行业近年来一直保持稳定的增长态势,目前,年总产量超过13亿只,从而初步形成了电子制造业中的经济增长点。 以流量计批量生产为例,多年来,西安市可谓是全国的排头兵。 以力敏元件与传感器批量生产为例,陕西省名列榜首。 “九五”其间,通过科技攻关,传感器技术领域水平得到较大的提高。主要以工业自动控制、机电一体化、科学测试仪器为服务领域,以市场需求为导向,以提高敏感元件及传感器的技术水平、可靠性水平和产业孵化为目标,安排工程化研究、新产品、共性关键技术攻关三个层次内容。在国家计委,科技部,国家机械工业局的组织和领导下,在承担单位和广大科技人员的努力下,比较圆满地完成了攻关任务,攻关成果具有一定的显示度。通过三年的攻关:(1) 工程化课题共计建成中试生产线11条,使18个品种75个规格的新产品形成一定规模的生产;(2) 新产品课题开发力敏、磁敏、温度、湿度、气敏传感器的新产品共5个品种86个规格,90%开始小批量生产并供应市场;(3) 在共性关键技术课题自主开发方面,攻克了一批共性新工艺技术和批量生产技术,传感器的CAD技术、关键工艺技术、微机械加工技术、可靠性技术在生产中得到应用,使传感器的成品率普遍提高10%,可靠性水平提高1~2个等级;(4) 据不完全统计攻关三年累计销售各类传感器1260多万只,实现销售收入14418万元。取得科研成果59项,获得国家专利32项,在国内外各类期刊上发表论文和研究报告244篇,攻关成果的总体水平达到国外90年代的先进水平。取得了较好的成绩 。“十五”其间,传感器技术国家指定的科技攻关范围较小,仅选择了少数项目,集中在几个单位内进行,没有起到行业推动作用。 通过国家实施“863”计划,中国半导体行业专门成立了“支撑业”分会,按照一般制造业的发展规律应该是前端材料先行。我国集成电路产业由于特殊的现状和历史原因,选择了产业链中端的集成电路制造作为突破口,这也符合市场引导的原则,先建生产线再吸引上下游企业,在发展过程中人们看到了材料先行,但从外部环境来看,许多地区,支撑材料企业没有享受到国家规定的集成电路产业的优惠政策,影响了支撑材料的发展,而企业面临的是提高产品质量水平与降底价格双重压力也无法回避。没有好的支撑材料就作不出好的传感器。未来10~20年,传统硅技术将进入成熟期(预测为2014~2017年),届时,φ300mm(12英寸)硅晶片将大量用于生产,我国(有研半导体材料股份有限公司)12英寸硅单晶抛光片和外延片,将于2005年地底形成月产1万片试生产能力;大直径硅外延片“SOI”材料(上海新傲科技有限公司)利用注氧隔离(SIMOX)和外延技术开发的大直径“SOI”材料,目前4英寸——6英寸“SOI”圆片年生产规模达30000片;由北京师范大学低能核物理研究所承担的“大直径SOI材料国产化装备及相关工艺研究”已通过讨论了专家验收;清华大学微电子学研究所承担的“大直径SiGe/Si外延材料”目前月产5英寸硅片达3000片;由中电科技集团第四十六研究所承担的“直径6英寸半绝缘GaAs单晶晶片制备技术研究”,目前其指标达到了国际同类商品水平的6英寸“开盒即用”半绝缘砷化鎵双面抛光片,已建成年产5000片的生产线。上述进步,使得材料的低成本制造技术和材料的应用技术将得到空前的发展,这无疑将为研制生产微型传感器、智能传感器等新型传感器提供技术保障。 从总体发展看,传统硅技术将一直延续到2047年(即晶体管发明100周年),才趋于饱和(即达到芯片特征尺寸的极限)和衰退。而当前微电子技术仍将依循“等缩比原理”和“摩尔定律”两条基片规律走下去,在尽力逼近传统硅技术极限中,不断扩展硅的跨学科横向应用(如MEMS等)和突破“非稳态物理器件”(量子、分子器件),而上述微电子技术发展中的两大方向正是当前乃至未来20年传感器技术的主要发展方向。 多学科、多种高新技术的交叉融合,推动了新一代传感器的诞生与发展:例如:当前我国正在重点开发的MEMS(微电子与微机械的结合)、MOMES(MEMS与微光学的结合)、智能传感器(MEMS与CPU、信息控制技术的结合)、生物化学传感器(MEMS与生物技术、电化学的结合)等以及今后将大力开发的网络化传感器(MEMS网络技术的结合)、纳米传感器(纳米技术与传感器技术的结合)均是多学科、多种新技术交叉融合的新一代传感器。 二、“十一五”发展敏感元件与传感器的总体思路、发展战略和发展目标 1. 市场预测和分析 我国目前的传感技术产业现状还不能满足国内市场的需要。据统计,2003年我国在工业自动化工程中使用了大约270万台套压力传感器,其中进口传感器约占市场的70%,用汇额约30亿美元以上。部分国产化的压力传感器仅占20%,而全部采用国产技术生产的传感器大约占市场总量不足10%。毒性气体传感器在环境保护中使用大约在20万台套,其中,进口产品占78%,农业及工业用CO2传感器几乎全部依靠进口,而汽车电子用传感器除低档车用一些温度、转速、位置、压力传感器国产外,其余全部为引进,并占市场总额的90%。面对严峻的形势,加速高技术含量的新型传感器的发展,加速产业产品调整,适应国民经济的需要,已是当前具有战略意义、刻不容缓的任务。 从总体上看,近年来传感器产业取得了长足进步,已形成了一定的产业基础,但离市场需求及国际水平有较大差距,据传家们估测,科研开发与新品研制仍落后国际水平5~10年,而规模生产技术则落后10~15年。其主要差距表现在: (1)具有知识产权的创新成果少,科研成果工程化速度慢,并未能真正转化为生产力而进入国民经济主战场,取得显著社会经济效益的项目少; (2)如:热敏电阻器与温度传感器的年销售量仅为日本的15%~20%,实现规模经济生产的企业少; (3)品种少,高档产品更少,市场满足率低。 (4)生产工艺装备水平低, 2.发展思路和行业定位 行业的发展思路简单地讲:产品应定位在量大面广的期望尽快占领国内外市场的产品,作为企业应从设备、技术引进、合资做起;基础研究、及各类新型敏感元器件与传感器的开发,应由大专院校、研究所承担。就全国状况而言,近年来与国外知名企业合资及引进国外先进技术和自动生产线的企业,通过消化吸收、创新,产品的技术水平、品质及管理,在不同程度上,已达到国际同类产品的先进水平。为我国敏感元器件与传感器行业发展已迈出可喜的一步。 为了提升技术水平,发展规模经济,在国家贴息政策的扶持下,2001年西无二电子集团公司进行了第三期技术改造。技改投入资金6500万元,目前已接近完工。共引进世界一流专业化生产设备29台套,购置国产先进生产和检测设备100台套,形成了以进口设备为主,国产设备为辅的高自动化联合生产线。三期技改后,可形成年产35000万标准只通用型压敏电阻,和年产200万只防雷组合件产品。2003年的产量达到1.8亿标准只,年递增率达25%,2004年上半年产量已达1.4亿标准只,全年应达到约3亿标准只左右。 近年来,国内压敏电阻的生产企业也有了不同程度的发展。广东丰华年产约2亿只,四川铁达年产1亿只,咸阳795厂年产约0.6亿只,佛山科星年产约0.4亿只,加上其它一些小企业的产量,年产共约5亿只左右,其产品主要供应国内市场。 3.产业结构调整目标 经过“十五”的努力,我国敏感元器件与传感器产业的门类、品种、质量体系、价格体系、市场占有率均有长足进步。随着社会的进步,各种不同类型的敏感元器件与传感器在国民经济各部门的广泛应用。 在“十一五”期间敏感元器件与传感器产业结构调整方面,要对在应用方面量大面广的产品继续实行“吸收型”的发展战略方针,引进技术、引进设备,加以改进提高,逐步形成自主的技术开发能力,并要特别重视研究大生产工艺技术和提高产业水平; 重点发展消费类应用产品: 逐步发展高新技术,在科学研究方面注重“应用、实际、大生产制造技术”的实效; 环保用各种类型传感器: 我国生态系统已严重恶化,加强生态建设、遏制生态恶化、加大环境保护治理已成为刻不容缓的重点项目之一,而传感器技术对重点区域、流域、海域治理的监测将发挥重大作用。 目前环保用各种类型传感器几十种参数检测的多数我国尚不能实用化,甚至属于空白,急待开发。大气环境质量的监测:CO、CO2、SO2、NOx、O3、H2S等20多种有害气体、 总悬浮颗粒物(工业粉尘、烟尘等); 温度、湿度、风向、风速、气压、雨量等江河湖海的水质监测:主要监测内容有:水流量、自动比例采样、电导、浊度PH、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氧化物、总磷、总氮、氨、氮以及金属离子浓度等 。目前环保用各种类型传感器几十种参数检测的多数我国尚不能实用化,甚至属于空白,急待开发。大气环境质量的监测:CO、CO2、SO2、NOx、O3、H2S等20多种有害气体、 总悬浮颗粒物(工业粉尘、烟尘等); 温度、湿度、风向、风速、气压、雨量等江河湖海的水质监测:主要监测内容有:水流量、自动比例采样、电导、浊度PH、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氧化物、总磷、总氮、氨、氮以及金属离子浓度等 。 4.设施农业(工厂化农业)用各种类型传感器 目前,我国的设施园艺面积已达140万公顷,居世界第一。全国塑料大棚面积已达5万公顷,大型温室面积已达588万公顷,其中引进现代化温室面积近200万公顷。今后5-10年内,大型连株温室将以每年超过100公顷的速度增长。 设施农业(工厂化农业)所用各种类型传感器主要检测的参数有 ⑴ 室外环境:空气温度、湿度、光照、风力、风向、降雨量; ⑵ 室内环境:空气温度、湿度、光照、CO2、浓度,栽培基质温度、加温,水温度及流量等; ⑶ 灌溉系统:营养液参数(供液温度、pH值、EC值及各种离子成份等); ⑷ 作物生理生态:叶面温度和湿度、蒸腾强度、光合作用强度等。 由此可见,设施农业需要大量的质优价廉的传感器,传感器技术在我国农业现代化中大有可为。 ⑸ 医疗卫生与食品业检测: 重点开发诊治各种疾病的生物和化学传感器、食品发酵和酶电子敏感元器件与传感器等。 ⑹ 行业要为振兴东北老工业基地添砖加瓦 ⑺ 行业要为开发大西北贡献力量 5.重点发展产品和项目 根据我国的实际国情和敏感元器件与传感器市场需求以及国外行业发展趋势,“十一五”应重点进行以下方面的研究开发和生产: ⑴ 微电子机械系统(微、纳米级产品); ⑵ 汽车传感器系统; ⑶ 环保传感器系统; ⑷ 过程控制传感器(力、热、湿、气、磁、光、电压、电流等); ⑸ 医疗卫生与食品业检测用各种不同类型的传感器; ⑹ 微型化、元件化电量隔离传感器 ⑺ 数字化、网络化、智能化电量隔离传感器 ⑻ 系列过电压防雷组合件(压敏电阻器) ⑼ 磁敏元件及巨磁电阻(GMR)传感器 CH4传感器及其监测报警器 6.存在的主要问题与初步分析 产业的企业结构分布过于分散,企业成长缓慢。传感器行业的属性是分散性的,行业集中度低,但当前全行业厂家与公司的产业结构分布过于分散,中小型企业约占全行业企业总数的90%以上,且大多数企业长期处于“小、弱、散”的落后状况,无论是生产规模、产品档次、技术水平都无法与世界同行大公司相比,尤其是缺少实力雄厚、市场占有率高和竞争力强的大型企。 三、 西安发展敏感元器件与传感器展望 充分利用国家对发展敏感元器件与传感器技术的相关政策,是发展敏感元器件与传感器产业的保证,这些政策主要有:在《国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要》中明确提出将新兴元器件作为电子工业发展的重点。为了推动我国新型电子元器件发展,国家计委组织实施新型电子元器件专项中第二项为敏感元器件和电子元件。 随着深化改革和社会主义市场经济的发展,传感器行业虽已开始形成了多元化的所有制结构,国有经济一统天下的局面已不复存在,但目前国有经济的比重仍然过大,且企业多数经营困难。例如,一些生产规模在20世纪80年代中后期曾处于中、上水平的国有企业,而在其后的10~15年里始终发展缓慢,如今已大在落后于一些后期成立的合资企业和股份公司。 传感器被誉为“信息装备的特种元件”,是信息技术的三大支柱之一,是一项符合我国先进生产力发展要求的高技术,是当前乃至未来10~20年我国信息产业重点发展的基础类新型产业。为此,我们要在现有的基础上,分析现状,总结经验,从而展望未来,规划未来,在国家政策导向下,与时俱进,抓住机遇,发展开拓,以更快的速度将我国的传感器产业建设成为具有更高技术水平和更强综合实力与国际竞争力的新型高科技产业,全行业必须树立创新意识,大力加强新型传感器的开发,紧密结合我国国情和市场发展需求,努力开发新技术含量高、拥有自主知识产权的新型传感器,提高产品的性能价格比,加快科研成果的转化,加快新型传感器的产业化,迅速提高国产传感器的市场占有率。 西安以古老闻名中外,她有几千年人类神奇的历史背景,具有丰富的历史文化遗产,人文环境极佳,人杰地灵。一流的高校、科研机构、高新企业云集在开发区内,已形成了不可估量的“能量团”;陕西电子工业基础设施雄厚,电子材料、电子元器件、电子整机、电子专用设备等具有得天独厚的配套环境,因此,科研生产协作的互补区域半径小;陕西已有80多家从事敏感元器件与传感器的研制与生产,有的已发展成为业内举足轻重的“小巨人”;敏感元器件与传感器是学科密集型的产业,而西安的高校与科研机构各类高层次的专业技术人员密集(高校数量全国排名第三)很适合该行业的发展;从地域上讲,西安降雨量与气候变化十分适合敏感元器件与传感器的批量生产;相信在国家级西安高新技术产业开发区的指导下,结合多年来已有的品牌产品,继续“八五”未尽工程,根据需求调整开发生产新一代产品,尽快形成新的行业基地是完全可能的。 来源:测试仪器网

供稿:(转)测试仪器网

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