傳感器與通信、計算機被稱為現代信息技術的三大支柱和物聯網基礎，其應用涉及國民經濟及國防科研的各個領域，是國民經濟基礎性、戰略性產業之一，直接影響到國防安全、經濟安全和社會安全。在現代控制系統中，傳感器處于連接被測對象和測試系統的接口位置，可直接或間接接觸被測對象，是信息輸入的“窗口”，是數據信息獲取的唯一功能器件，直接影響和決定著系統的功能和性能優劣，許多控制系統因數據采集障礙而無法實現功能。通俗地講，如果把計算機比喻為人的“大腦”，通信比喻成為“神經系統”，那么傳感器就是 “五官”和“皮膚”，承擔著“感知”環境一切參數和任何數據信息。特別是當前倍受國際關注的物聯網、大數據、云計算技術，乃至智慧城市中的各種技術實現，對于傳感器技術的依賴尤為突出。
國內外發展歷程與現狀
20世紀70年代初，西方發達國家大力發展計算機與通訊技術，忽視了傳感器技術發展，造成了“大腦”發達，而“五官”遲鈍的窘境，傳感器產業相對慘淡。80年代初，美、日、德、法、英等國家相繼確立加速傳感器技術發展的方針，視為涉及科技進步、經濟發展和國家安全的關鍵技術，紛紛列入長遠發展規劃和重點計劃之中。傾注人力和物力投資，以年10%-30%的增長率高速發展，在工藝技術與產品上有了明顯的突破，形成了技術領先優勢，占據了國際主要市場。并采取嚴格的保密規定對技術封鎖和控制，禁止技術出口，尤其是針對中國。
日本1979年在《對今后十年值得注意的技術》中列為首位；美國國防部1985年公布的二十項軍事關鍵技術中，被列為第十四項；《星球大戰》計劃、歐洲《尤里卡》計劃、前蘇聯《軍事航天》計劃，英、法、德等國家高技術領域發展規劃中均將傳感器列為重點發展技術，并將其科研成果和制造工藝與裝備列入國家核心技術。美國認為，計算機技術是核心，敏感技術、光電子技術是關鍵和重點，新材料、微電子技術是支撐和基礎。通信與計算機結合，以及多元化、新技術的融合代表著美國信息技術發展方向。1991年4月美國政府公布的《國家關鍵技術》報告中，確定了6個領域22項關鍵技術。其中包括傳感器和信號處理，以及與信息技術相關的材料技術、加工工藝等。2003年美國商業周刊“未來技術發展報告”中，傳感器列為21世紀最具影響和改變世界10大新技術之一。福布斯認為，當前，甚至今后幾十年內，影響和改變著世界經濟格局和人們生活方式的10大科技產品，傳感器列為10大科技產品之首。美國國家科學發展基金會認為，“80年代個人電腦把運算簡化到人們手指尖上；90年代互聯網技術把人們對信息的需求通過網絡變得全球化；本世紀的重大變革就是：通過網絡，把物質世界聯接起來，并賦予它一個電子神經系統，使它具有能夠感知信息的生命，而能夠擔當這一重任的核心就是傳感器”。每年度財政預算約有69億美元，用于傳感器基礎技術與應用研究，稱其為“Sensor Revolution”（即：傳感器革命）。
目前國際上缺乏制定國際標準的準則與規范，尚未制定出權威性的傳感器標準類型。其敏感機理、敏感材料、使用功能、應用領域等互相交錯及深度融合，難以厘清，各國及行業圍繞著標準劃分的爭論從未停滯，各抒己見、爭論不休，從而導致產品名稱混亂、種類繁多、結構復雜、參數各異等復雜狀況，只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。
例如，物理傳感器有：聲、力、光、磁、溫、濕、電、射線等等；化學傳感器有：各種氣敏、酸堿PH值、離子化、極化、化學吸附、電化學反應等現象等等；生物傳感器有：酶電極和介體生物電等等。然而物理、化學、生物傳感器中的材料、機理、參數、模型上往往互相滲透、融合，技術、工藝相互交叉現象較為普遍，像力敏、位置、液面、能耗、速度、熱敏、加速度、射線輻射、振動、濕敏、磁敏、氣敏、真空度、生物等傳感器在功能上，壓電效應、磁致伸縮、熱電、光電、磁電效應、電化學反應、熱敏、場效應、壓電、光學、聲波道等等，在產品用途和形成過程中的因果關系互相咬合，既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類，難以嚴格劃分。
常用傳感器分類和命名方式，主要有以下幾種類型：
（1）按轉換原理可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。
（2）按傳感器的檢測信息來分可分為聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏和射線敏等傳感器。
（3）按照供電方式可分為有源或無源傳感器。
（4）按其輸出信號可分為模擬量輸出、數字數字量輸出和開關量傳感器。
（5）按傳感器使用的材料可分為：半導體材料；晶體材料；陶瓷材料；有機復合材料；金屬材料；高分子材料；超導材料；光纖材料；納米材料等傳感器。
（6）按能量轉換可分為能量轉換型傳感器和能量控制型傳感器。
（7）按照其制造工藝，可分為機械加工工藝；復合與集成工藝；薄膜、厚膜工藝；陶瓷燒結工藝；MEMS工藝；電化學工藝等傳感器。
全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種，我國已經擁有約1.4萬多種，大多為常規類型和品種；7000多種可產品化，而在醫療、科研、微生物、化學分析等特殊品種上仍有短缺和空白，存在著較大的技術創新空間。
共性基礎工藝與三大技術創新趨勢
眾所周知，由于敏感機理、敏感材料不同，加之工業現場環境、使用場景，以及被檢測介質與個性化參數、結構等復雜性要求等特點，長期以來傳感器一直處于多品種小批量生產狀態，結合工藝技術的分散性、復雜性影響和設備裝置價格昂貴等因素制約，業界稱其生產過程為制造“工業工藝品”。各國工程技術人員圍繞著工藝技術協同、融合，在產品規范化、性能歸一化、功能集成化、結構標準化，以及工藝設備和工裝夾具的產業化方面展開了長期的技術開發與創新，形成了一大批不同特色和特點的技術成果。
在美國硅谷傳感器領域，圍繞著以MEMS工藝技術為基礎，根據不同行業和功能的需求，展開的不同封裝結構的各種傳感器產品創新，已經持續了近25年，形成的千奇百怪、五花八門的各種類型傳感器產品，應用領域不斷擴展，得到了各行業的廣泛認同與接受。正如硅谷MEMS工藝技術創始人丹尼斯先生所說：“20多年來，硅谷傳感器產品一直都是圍繞著以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業領域的市場應用需求，開展不同結構形式的封裝的產品競爭與創新”。因此，MEMS工藝技術是各種類型傳感器的共性基礎工藝技術，被業界稱之為傳感器創新源泉。目前，MEMS成熟工藝有4英寸、6英寸、8英寸、12英寸，伴隨著半導體平面工藝更新換代和不斷升級，工藝設備與裝置水平成熟度增強和價格不斷降低，MEMS工藝也正在向更大尺寸創新發展，工藝成熟度也隨之不斷增強。產品涉及并廣泛應用于物理、化學和生物傳感器中，在聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏等傳感器中的應用業已成熟。不僅提高了產業化能力，降低了產品成本，也大大的提高了產品的可靠性、穩定性、一致性，使得產品的分散性、離散性得到了極大改善，可進行規范化與標準化的封裝與生產，在批量化與規模化生產中發揮了重要作用。2011年，美國行業認為MEMS工藝已經成熟，可以廣泛推廣應用，確立并形成了傳感器產業圍繞MEMS工藝技術和應用兩大方向創新與突破：
一是 敏感機理創新與工藝突破。提高了MEMS工藝技術在材料與工藝結構等基礎理論與應用水平，比如在晶體與非晶體、各種半導體材料應用；在硅-硅鍵合工藝、硅薄膜工藝、金屬薄膜工藝等多個領域的工藝技術創新，大大提高了產品生產的微型化、低成本、復合型、集成度等產業化基礎水平。
二是 智能化水平提高和應用創新。在多功能集成化、模塊化構架、嵌入式能力、網絡化接口等形成了創新與突破。極大地改善了產用難以對接的矛盾，搭建了生產制造與市場應用橋梁與技術通道，突破了行業在生產和應用長期形成的技術壁壘和發展瓶頸。同時也提高了各行業的產品自主選擇和應用設計能力，大大刺激了應用需求，拓展了市場空間。
同時，美國還明確了傳感器智能化的三大核心技術與創新趨勢：
1、MEMS工藝技術：在微型化、低功耗、低成本、多材料復合、多參數融合；大片集成工藝技術與裝備、微米與亞微米級高精度控制技術、柔性生產工藝技術不斷迭代升級與創新。
2、無線網絡化技術：為適應各種物聯網（傳感網）技術推廣應用，在工業互聯網、人工智能技術、移動智能終端、5G技術標準下的無線網絡化傳感器產品與技術創新。把移動（手機、車、船、飛機等）或固定物體（機床、樓宇、商場、家庭、山林等）作為安裝和應用傳感器的平臺和智能化節點，實現嵌入式、多功能復合與集成、模塊化構架、網絡化接口等協同式創新，以滿足對一切物體智能化、“無人化”管理與控制的需求。
3、微能量獲取技術：傳感器智能化節點在室內外使用過程中，特別是野外使用環境下，供電問題始終是各個領域推廣應用的一大障礙。圍繞著自然界風能、光能、電磁能等微能量收集與獲取，稱為“微能量捕捉技術”，為傳感器供成為今后技術創新又一方向。
從美國傳感器產業發展來看，呈現幾個特點：一是在共性基礎技術上下功夫，并注重新技術、新工藝創新應用，不斷提升品質。二是強調傳感器網絡化、智能化節點技術、能量捕捉技術及協同創新。三是核心技術都有政府管控、扶持、資助與推動的影子。四是重點推廣應用領域的引領與帶動作明顯。如軍事工業、裝備制造、物流、生態環境監控（森林防控）、移動醫療、智能家居等。
產業化生態體系與環境建設
借助共性基礎技術和工藝，建立生產可柔性化、工藝規范化、產品標準化的生產體系，尋找產品的配套市場，徹底改變技術和市場的孤島化、碎片化問題是傳感器產業化的關鍵之處。根據MEMS工藝技術和產品市場應用特點，溫敏、聲敏、力敏、光敏、氣敏、磁敏、頻率等7大類型產品符合產業化技術特點和市場規?；枨?，可實現產業化規模生產。
另外，以硅麥克風為代表的聲敏傳感器已經在國內外形成了十大主流特色品牌產品和商家（其中有瑞聲、歌爾國內兩家企業），實現了產業化規模生產；溫、濕度傳感器美國、德國、瑞士、日本、中國等國家都有規模化生產能力，在未來發展中溫濕度將復合在其他物理量傳感器之中，比如，力敏、磁敏可同時檢測溫濕度參數；頻率含RF射頻、毫米波等共性工藝技術接近、而參數、功能、應用差異較大的產品，可在同一廠家實現產業化。特別是在手機、智能交通、生物感知等應用領域具有爆發式增長，具有較大的誘惑力。射頻器件95%仍是歐美廠商主導，甚至沒有一家亞洲廠商進入。為了打破行業壟斷現象，這將成為未來技術創新與競爭的焦點。
與國外相比，我國傳感器產業發展緩慢主要是認識上的差距所致！對傳感器帶有偏見和片面的認識，缺乏國家戰略認識高度。由于傳感器分屬不同行業和部門，存在多頭管理，在發展上難于取得共識，管理亂象，政策支持缺乏力度導致產業分散，產品不能成為系列化；1200多家企業中95%以上屬于小微企業，一方面缺乏足夠的人力、物力、工藝技術條件等資源配置，產業化基礎薄弱；另一方面市場準入門檻過高，缺乏相應的應用開發和技術創新能力，產品整體技術水平和參數性能指標，特別是可靠性、穩定性指標與國外同類產品相比要低1～2個數量級，無法滿足市場對企業資質和配套能力的要求。第三是缺乏龍頭企業引領和行業帶動，缺乏國際化品牌、市場影響力、競爭優勢和基礎研究能力，導致行業內專業化企業數不足3%；核心芯片大都依賴進口，中高檔產品幾乎100％進口。整體工藝技術水平落后國外先進國家10～15年。
針對國內外產業現狀對比和行業特點及存在問題，結合傳感器技術工藝特征，業內期待在經濟、技術優勢和發達地區，聚集國內外數十家以上的傳感器專業性公司和科研院所，組成具有產品技術工藝特色和產業化規模優勢，以及國際市場影響力的產業集群或基地，形成年銷售額1000億元人民幣（150億美元）以上，并以年增長大于20%速度增長的國際化傳感器特色產業園區。形成以敏感元器件為核心，智能化、網絡化、模塊化等集成應用為創新主體，物聯網、智慧城市為應用目標的產業鏈構架（產業生態），同時具備政、產、學、研、用、服六維一體生態環境，實現產業化集群式發展，形成我國傳感器“雙生態”產業鏈，具有產業特色明顯和區位優勢突出的國際傳感器產業園——即“傳感谷”。
作者郭源生，系九三學社中央科技委副主任、中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長
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