近日，在《儀器儀表學(xué)報(bào)（英文）》2024年第4期中，期刊主編中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士、華中科技大學(xué)校長(zhǎng)、尤政院士撰寫特邀評(píng)論文章《Why It’s Important to Focus on Developing High-End Sensor Technology》，系統(tǒng)闡述了高端傳感器的戰(zhàn)略意義與技術(shù)關(guān)鍵。
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尤政，國(guó)家卓越工程師團(tuán)隊(duì)帶頭人、中國(guó)工程院院士，現(xiàn)任華中科技大學(xué)校長(zhǎng)，兼任中國(guó)科協(xié)副主席、教育部科技委常務(wù)副主任、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)等職務(wù)。主要學(xué)術(shù)方向?yàn)?a href="http://www.asorrir.com/v/" target="_blank">智能微系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用研究。在我國(guó)率先開展了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、智能微系統(tǒng)技術(shù)、微納航天器的技術(shù)創(chuàng)新及其工程實(shí)踐。作為總負(fù)責(zé)人主持設(shè)計(jì)、建造和在軌運(yùn)行“TH-1”“NS-1”“NS-2”“NS-3”等多顆微納衛(wèi)星。先后獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。
從茫茫星空，到浩瀚海洋，再到廣袤大地，作為信息獲取的源頭，傳感器是物理世界與數(shù)字世界連接的橋梁，已經(jīng)成為信息化社會(huì)最為重要的基石之一。傳感器主要功能是將各種物理量、化學(xué)量或生物特征等待感知量轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)與數(shù)字化的電信號(hào)，是我們感知世界的首要工具。
傳感器在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防安全、醫(yī)療健康等現(xiàn)代社會(huì)的方方面面扮演著至關(guān)重要的角色，發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。當(dāng)前，傳感器已經(jīng)從早期由敏感元件與處理電路構(gòu)成的分立式裝置，演變成集信息獲取、處理、傳輸、供電等功能于一身的智能傳感微系統(tǒng)，也就是我們常說的高端傳感器，其數(shù)字化、微型化、智能化的特色十分突出。
然而，也正是由于高端傳感器的高精尖屬性，它又成為我們目前面臨的一項(xiàng)核心“卡脖子”技術(shù)。
高端傳感器是一項(xiàng)至關(guān)重要的“卡脖子”技術(shù)
那么，為什么高端傳感器是一項(xiàng)至關(guān)重要的“卡脖子”技術(shù)？高端傳感器究竟能帶給我們什么？我國(guó)距離傳感器強(qiáng)國(guó)還有多遠(yuǎn)？
首先，傳感器的特點(diǎn)十分鮮明：一是傳感器涉及很多新原理、新材料、新器件，所以它和很多基礎(chǔ)科學(xué)、基礎(chǔ)技術(shù)的創(chuàng)新關(guān)聯(lián)十分密切。而且傳感器又是直接應(yīng)用于整機(jī)設(shè)備，或服務(wù)于終端用戶，與各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)同樣緊密，如集成電路（IC）裝備中的許多高端傳感器就被列為關(guān)鍵核心技術(shù)。
二是傳感器往往匯集了物理、化學(xué)、電子、機(jī)械、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的前沿尖端技術(shù)，學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)十分明顯；同時(shí)傳感器產(chǎn)業(yè)的投入也非常大，高端傳感器的敏感結(jié)構(gòu)基本都是采用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）制造技術(shù)，高端傳感器的技術(shù)、資金雙密集特點(diǎn)尤為突出。
三是由于傳感器的應(yīng)用十分廣泛，使得傳感器的技術(shù)門類十分龐雜，相應(yīng)的產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)分布非常廣，比如僅僅一個(gè)壓力傳感器在水利水電、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)控制、航空航天、電力電子、石油、化工、勘探等眾多行業(yè)就有上千種方案，且每一種解決方案都有其特殊要求。
其次，傳感器在工業(yè)技術(shù)體系中的定位是“基礎(chǔ)零部件和元器件”，因?yàn)閭鞲衅魇切畔@取的源頭，是物理世界與數(shù)字世界的接口，其重要意義體現(xiàn)在：它是“工業(yè)基石”，是各類現(xiàn)代工業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)；它又是“性能關(guān)鍵”，直接決定重大裝備和整機(jī)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。
正是由于傳感器的基礎(chǔ)性與關(guān)鍵性，又造成了瓶頸問題與依賴性：即高度依賴外國(guó)技術(shù)或產(chǎn)品，對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重影響，甚至威脅到國(guó)家安全和戰(zhàn)略利益。高端傳感器這樣一個(gè)對(duì)我國(guó)關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)防安全至關(guān)重要，但又存在重大技術(shù)瓶頸或依賴進(jìn)口的技術(shù)，已經(jīng)成為“卡脖子”技術(shù)，亟待攻克。
高端傳感器究竟能帶給我們什么
在科技前沿創(chuàng)新中，傳感器是“先行官”?？v觀科技發(fā)展史，歷次世界科學(xué)中心的形成都得益于核心傳感器技術(shù)突破以及以此為基礎(chǔ)的重要科學(xué)儀器的誕生。
有統(tǒng)計(jì)表明，在諾貝爾獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)名單中，72%的物理學(xué)獎(jiǎng)、81%的化學(xué)獎(jiǎng)、95%的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)都是借助于尖端傳感器與儀器完成的，且已有38項(xiàng)、60余人次由于發(fā)明了新原理的科學(xué)儀器而直接獲獎(jiǎng)。而科學(xué)儀器對(duì)事物進(jìn)行檢測(cè)表征，獲得科學(xué)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵就是高端傳感器：比如X射線衍射儀、X射線斷層掃描儀、超分辨率熒光顯微鏡、電子顯微鏡等儀器中的光電探測(cè)器、電子探測(cè)器、溫度傳感器，質(zhì)譜儀、掃描隧道顯微鏡中的位移傳感器、力傳感器等等。而現(xiàn)代科學(xué)儀器中，高端傳感器是決定性的，直接代表了分析、檢測(cè)和表征的水平。
在國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，傳感器是“倍增器”。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，幾乎滲透到社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)層面。例如：在僅有通訊功能的傳統(tǒng)手機(jī)，集成了大量傳感器：圖像傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)、距離傳感器、環(huán)境光傳感器、磁強(qiáng)計(jì)、電容傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器……，使得傳統(tǒng)手機(jī)搖身一變成了智能終端，手機(jī)的功能、性能都增強(qiáng)了很多，特別是與人的互動(dòng)能力大大提升，手機(jī)行業(yè)的發(fā)展不僅得到“倍增”，而且進(jìn)入了全新的時(shí)代。
當(dāng)然，傳感器行業(yè)本身也具有不容低估的市場(chǎng)規(guī)模。根據(jù)德國(guó)Statista數(shù)據(jù)分析公司數(shù)據(jù)，2022年全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模為2512.9億美元（約1.79萬(wàn)億人民幣）。其中我國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模為3096.9億元人民幣，2019—2022年均復(fù)合增長(zhǎng)率為12.26%。
盡管我國(guó)傳感器市場(chǎng)增速相對(duì)穩(wěn)定，但全球龍頭企業(yè)如愛默生、西門子、博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾等跨國(guó)公司占據(jù)約60%的國(guó)內(nèi)傳感器市場(chǎng)份額，尤其在高端傳感器市場(chǎng)，我國(guó)約80%的傳感器依賴進(jìn)口。特別需要說明的是，傳感器除了自身的萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)之外，有研究表明，傳感器帶動(dòng)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈所創(chuàng)造的產(chǎn)值大約是傳感器行業(yè)產(chǎn)值的6倍左右。
傳感器在國(guó)家戰(zhàn)略工程中是“勝負(fù)手”
傳感器的性能、質(zhì)量，直接決定重大裝備和戰(zhàn)略產(chǎn)品的性能、質(zhì)量。高鐵現(xiàn)在已經(jīng)成為我國(guó)的一張名片，傳感器就發(fā)揮了不可或缺的作用，高端傳感器在高鐵上有六大應(yīng)用場(chǎng)景：一是列車監(jiān)測(cè)與維護(hù)，二是軌道健康監(jiān)測(cè)，三是列車安全防護(hù)，四是乘客信息交互，五是能源管理，六是環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)。
以和諧號(hào)380AL高鐵列車為例，一輛列車?yán)锏膫鞲衅鲾?shù)量超過1000個(gè)，平均每40個(gè)零部件里就有一個(gè)傳感器，它們承擔(dān)著狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警、車載設(shè)備控制等功能，被認(rèn)為是軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的保障性技術(shù)和裝備持續(xù)升級(jí)的關(guān)鍵性技術(shù)。未來(lái)，傳感器與人工智能等新興技術(shù)將實(shí)現(xiàn)深度融合，中國(guó)高鐵將更智能、更安全。
在醫(yī)療健康中，傳感器是“金剛鉆”。現(xiàn)代醫(yī)療離不開各種檢測(cè)，各類醫(yī)療儀器就是通過各類傳感器獲取與病人病理相關(guān)的各種醫(yī)療數(shù)據(jù)，來(lái)為醫(yī)生診療提供依據(jù)。例如用于測(cè)量血管內(nèi)外徑、血流速度、血壓、心內(nèi)壓、體溫等多種生理參數(shù)各類位移、速度、振動(dòng)（加速度）、力、流量、壓強(qiáng)和溫度傳感器；用于檢測(cè)血液中的離子（如K+、Na+、Ca2+ 等）和氣體（如O2、CO2）的濃度的化學(xué)傳感器；利用選擇性識(shí)別來(lái)測(cè)定生化物質(zhì)的酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和DNA傳感器等；通過測(cè)量細(xì)胞或組織的微弱電信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)生理狀態(tài)的心電（EKG）、腦電（EEG）、肌電（EMG）等生物電傳感器，這些傳感器在診斷心臟疾病和肌肉功能狀態(tài)中非常重要。傳感器是醫(yī)療領(lǐng)域中不可或缺的技術(shù)，它們對(duì)疾病的預(yù)防、診斷和治療起著至關(guān)重要的作用。
在國(guó)防安全中，傳感器是“戰(zhàn)斗力”。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)從某種程度上來(lái)講，打的就是傳感器。在最近的烏克蘭危機(jī)中，有統(tǒng)計(jì)表明80%的毀傷效果是由占全部彈藥總量20%的精確制導(dǎo)彈藥，也就是導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈等造成的。這些高精度的慣性、無(wú)線電、激光、光電、紅外、衛(wèi)星等精確制導(dǎo)技術(shù)中，慣性測(cè)量單元（IMU）、激光傳感器、紅外傳感器、毫米波傳感器、光電傳感器、雷達(dá)等各類高端傳感器發(fā)揮了決定性的關(guān)鍵作用。
除此之外，隱身戰(zhàn)機(jī)、航母艦隊(duì)、衛(wèi)星星座等武器裝備，更加需要由各類高端傳感器組成的信息感知網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)，進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知、目標(biāo)打擊、體系作戰(zhàn)等各項(xiàng)行動(dòng)。裝備有各類高端傳感器的無(wú)人系統(tǒng)已經(jīng)開始在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)嶄露頭角，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、機(jī)器人系統(tǒng)等武器裝備將更加趨于常態(tài)化，這些“機(jī)器戰(zhàn)士”的千里眼、順風(fēng)耳則完全要依靠高端傳感器。而且，隨著傳感器等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)一步賦能，各種新概念武器裝備也將涌現(xiàn)出來(lái)，傳感器技術(shù)在國(guó)防安全事業(yè)中將發(fā)揮更大作用。
我國(guó)距離傳感器強(qiáng)國(guó)還有多遠(yuǎn)
傳感器這么重要，市場(chǎng)規(guī)模也很大，我國(guó)一定要發(fā)展高端傳感器。但是，我國(guó)高端傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀不容樂觀。我國(guó)的高端傳感器，尤其是中高端傳感器的MEMS芯片還大量依賴進(jìn)口，被“卡脖子”之外，我國(guó)高端傳感器行業(yè)創(chuàng)新生態(tài)、設(shè)計(jì)工具與研發(fā)平臺(tái)、先進(jìn)材料與核心器件、高端芯片與工藝設(shè)備、系統(tǒng)集成與轉(zhuǎn)化應(yīng)用等方面，還存在差距。
我國(guó)要成為傳感器強(qiáng)國(guó)，需要在如下幾個(gè)方面持續(xù)發(fā)力。
第一是要關(guān)注“產(chǎn)教融合”，也就是人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展深度關(guān)聯(lián)融合。前面講過傳感器是一個(gè)多學(xué)科交叉、技術(shù)密集，且與應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域，高端人才與技術(shù)創(chuàng)新的重要性不言而喻。創(chuàng)新人才培養(yǎng)和原創(chuàng)技術(shù)開發(fā)相結(jié)合的產(chǎn)教融合，是發(fā)展傳感器，成為傳感器強(qiáng)國(guó)的首要條件。
第二是要強(qiáng)化協(xié)同創(chuàng)新，前面還講了傳感器行業(yè)是投資密集，產(chǎn)品應(yīng)用廣但產(chǎn)業(yè)分散的行業(yè)，因此，政府、企業(yè)、高校、科研院所、用戶、金融機(jī)構(gòu)等各個(gè)創(chuàng)新要素必須統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局、協(xié)同創(chuàng)新。通過公共研發(fā)平臺(tái)建設(shè)與共性技術(shù)開發(fā)與共享機(jī)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器全行業(yè)的高效運(yùn)行，持續(xù)、健康、快速發(fā)展。
第三是加大示范應(yīng)用，可以圍繞國(guó)家的重大工程任務(wù)、國(guó)家亟須的重要戰(zhàn)略裝備以及有代表性的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活需求，有組織地開展創(chuàng)新，體現(xiàn)新型舉國(guó)體制的優(yōu)勢(shì)，通過傳感器賦能，形成新質(zhì)生產(chǎn)力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)集聚，形成傳感器產(chǎn)業(yè)的生態(tài)鏈。

審核編輯 黃宇