一、傳感器的作用和特點(diǎn)
傳感器是獲取信息的工具，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化和科學(xué)測試、計量核算、環(huán)境保護(hù)、氣象監(jiān)測、安全保衛(wèi)、醫(yī)療診斷和辦公現(xiàn)代化的基礎(chǔ)產(chǎn)品。傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器設(shè)計、制造和應(yīng)用的綜合性技術(shù)，其水平直接影響信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，因此人們通常將傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)稱為信息技術(shù)的三大支柱。
傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)，無論是大型成套技術(shù)裝備，還是日常生活和家用電器，都需要采用大量的敏感元件和傳感器。例如，一座大型鋼鐵廠需要2萬臺傳感器和檢測儀表，大型石油化工廠需要6000臺傳感器和檢測儀表，大型發(fā)電機(jī)組需要3000臺傳感器和檢測儀表。一輛汽車需要30多個傳感器，一臺復(fù)印機(jī)需要20個傳感器。各種電冰箱、洗衣機(jī)、電飯鍋、錄像機(jī)、收錄機(jī)、電視機(jī)、溫濕度計、血壓計、空調(diào)機(jī)等家用電器需要使用的傳感器有上百個品種規(guī)格。
傳感器具有以下特點(diǎn)：
①品種繁多，被檢測參數(shù)包括熱工量(溫度、壓力、流量、物位等)，電工量(電壓、電流、功率、頻率等)，化學(xué)量(氧、氫、一氧化碳、二氧化碳、瓦斯、二氧化硫、離子等)，物理量(光、磁、濕度、濁度、聲、射線等)，機(jī)械量(力、速度、轉(zhuǎn)角、位移、振動等)，生物量(酶、細(xì)菌、細(xì)胞、受體等)，狀態(tài)量(開關(guān)、一維、二維、多維等)，需要發(fā)展多種多樣的敏感元件和傳感器。除基型品種外，還因應(yīng)用場合和具體要求不同而研制大量的派生品種和規(guī)格。
②涉及多種學(xué)科和技術(shù)，包括精密機(jī)械、微電子、材料科學(xué)、半導(dǎo)體、高分子、光導(dǎo)纖維、生物化學(xué)、測試技術(shù)等，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，所以敏感元件和傳感器產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期也越來越短。加之傳感器具有原理新穎、機(jī)理復(fù)雜、技術(shù)綜合等特點(diǎn)，因而需要配備高水平的開發(fā)人才和科研生產(chǎn)裝備，不斷更新生產(chǎn)技術(shù)。
③要求具有很高的精確度、穩(wěn)定性和可靠性, 做到準(zhǔn)確可靠、經(jīng)久耐用。處在工業(yè)現(xiàn)場和自然環(huán)境中的傳感器，還要求具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能耐高溫、耐低溫、抗干擾、抗腐蝕，安全防爆，便于安裝、調(diào)試和維修。
④應(yīng)用廣泛，應(yīng)用要求千差萬別，有量大面廣的，也有專業(yè)性強(qiáng)的；有單獨(dú)使用單獨(dú)銷售的，也有與整機(jī)密不可分的；有的要求高精密度，有的要求高可靠性；有的要求耐振動；有的要求防爆，如此等等。從管理的角度看，不能用統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，也不能用單一模式組織科研和生產(chǎn)，必須有靈活多樣的組織方法和因地制宜的管理模式，形成科研院所、高等院校、專業(yè)廠、整機(jī)廠各具特色、各有側(cè)重的科研生產(chǎn)體系和產(chǎn)業(yè)格局。
二、國內(nèi)外傳感器的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢
◆國外傳感器的市場占比
隨著新技術(shù)革命的興起和計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)80年代以來國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”，日本把傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首，美國把傳感器技術(shù)列為90年代22項關(guān)鍵技術(shù)之一，英國傳感器銷售額1990比1980年增長24倍。1990年世界傳感器銷售額為155億美元；90年代年增長率估計為8.8%。
傳感器生產(chǎn)廠家，美國有250家，日本有500家，獨(dú)聯(lián)體國家有300家，英國有60家，法國有80家，到80年代末，傳感器品種已有2萬余種，其中38%是傳統(tǒng)型的，28%是半導(dǎo)體的，19%是高分子的，15%是其他類型的。用于生產(chǎn)工業(yè)過程自動化的傳感器約4000種，其中壓力傳感器占39%，溫度傳感器占25%，力敏傳感器占14%，位移傳感器占13%，其他類型的占9%。
◆國際傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
①大力發(fā)展和應(yīng)用半導(dǎo)體、高分子、陶瓷、光纖和生物膜等新型功能材料；
②采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)敏感元件和傳感器的微型化、集成化和一體化；
③采用數(shù)字技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)字化、智能化和多功能化；
④在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型傳感器的基礎(chǔ)上采用高新技術(shù)成果，發(fā)展新型、復(fù)合型傳感器；
⑤不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域，大力發(fā)展各具特色的新產(chǎn)品。
◆我國傳感器的發(fā)展歷程
我國傳感器的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時主要發(fā)展結(jié)構(gòu)型傳感器。50年代末研制出熱敏電阻，60年代研制出應(yīng)變計，霍爾元件和離子電極，70年代研制出擴(kuò)散硅力敏器件、砷化鎵霍爾元件、碳化硅熱敏電阻等新型敏感元件和傳感器，80年代又研制出新型擴(kuò)散硅力敏傳感器、PN結(jié)溫度傳感器、光纖傳感器、高分子傳感器、生物傳感器、集成傳感器和多功能傳感器等。 目前全國開發(fā)和生產(chǎn)傳感器的單位有800多家，其中科研單位273家，高等院校82家，專業(yè)廠和整機(jī)廠459家，職工有4萬多人，生產(chǎn)的產(chǎn)品有12類，3000多種。據(jù)對近400家的不完全調(diào)查，從事力敏傳感器的有97家，熱敏傳感器58家，光敏傳感器47家，磁敏傳感器22家， 壓敏傳感器25家，氣敏傳感器26家，濕敏傳感器25家，離子敏傳感器15家，聲敏傳感器16家，光纖傳感器16家，生物敏傳感器10家，射線敏傳感器8家，其他類型的傳感器40多家。
為了促進(jìn)傳感器技術(shù)的發(fā)展，1984年國家科委和中國儀器儀表學(xué)會在武漢舉辦了全國首屆傳感器技術(shù)交流及展覽會；1986年傳感器被列入國家 “七五” 科技攻關(guān)計劃 “工業(yè)過程自動控制開發(fā)研究” 項目；同年國家科委組織機(jī)械部、電子部、科學(xué)院、國家教委、航天部和上海市有關(guān)專家起草了我國傳感器技術(shù)發(fā)展政策，作為我國信息技術(shù)發(fā)展政策時重要組成部分，將傳感器列入信息技術(shù)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域；1987年高等院校成立了傳感器研究會；1988年成立了中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會傳感器行業(yè)協(xié)會。從1989年開始，由中國儀器儀表學(xué)會傳感器學(xué)會、中國電子學(xué)會敏感技術(shù)學(xué)會、 全國高校傳感技術(shù)研究會等學(xué)術(shù)團(tuán)體聯(lián)合舉辦兩年一度的全國敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會議(STC)。
我國傳感器事業(yè)不斷發(fā)展，為發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、開發(fā)與節(jié)約能源、航空航天等作出了重要的貢獻(xiàn)，但在新型傳感器的開發(fā)、 科研成果轉(zhuǎn)化為商品、傳感器應(yīng)用等方面還存在相當(dāng)大的差距，需要不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)，開拓應(yīng)用。
三、傳感器國內(nèi)外市場需求量大，“八五”、“九五”增加品種，打破市場
90年代國內(nèi)外傳感器市場看好，各方面對傳感器的需求也越來越強(qiáng)烈。據(jù)預(yù)測，90年代我國電力系統(tǒng)共需各類傳感器140萬件，化工系統(tǒng)需要80萬件，鋼鐵系統(tǒng)需要130萬件，能源管理和爐窯控制需要4000萬件，汽車行業(yè)需要4400萬件，機(jī)床行業(yè)需要1500萬件，辦公自動化設(shè)備需要200萬件，各類儀器儀表配用的傳感器約需3億件。根據(jù)市場需求，結(jié)合我國傳感器行業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，提出了我國傳感器行業(yè)“八五”和“九五”奮斗目標(biāo)如下。
“八五”目標(biāo)：品種從3000種發(fā)展到4000種；配套滿足率達(dá)到70%；50%的產(chǎn)品采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)；技術(shù)水平達(dá)到國際80年代中期水平；力敏、磁敏、熱敏器件失效率達(dá)到7級以上；變送器用傳感器的MTBF達(dá)到5萬小時；出口銷售額占總銷售額的10%。
“九五” 目標(biāo)：品種從4000發(fā)展到6000種；配套滿足率達(dá)到85%；80%的產(chǎn)品采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)；技術(shù)水平達(dá)到國際90年代初期水平，部分產(chǎn)品達(dá)到90年代中期水平；力敏、磁敏、熱敏、氣敏、濕敏器件失效率達(dá)到7-7.5級以上；變送器用傳感器的MTBF達(dá)到8萬-10萬小時以上；出口銷售額占總銷售額的18%~20%。
四、發(fā)展戰(zhàn)略和措施建議
改革開放和現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快為我國傳感器技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇：市場廣闊，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，社會對傳感器的需求越來越旺盛；機(jī)制轉(zhuǎn)換，經(jīng)營靈活，有利于調(diào)動各方面的積極性；開展國際合作、利用外資、引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和裝備更為方便。這些都是傳感器發(fā)展的有利條件。
與此同時，我們也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：市場競爭更加激烈，對于基礎(chǔ)薄弱的我國傳感器行業(yè)形成巨大的壓力，科研與生產(chǎn)，制造與應(yīng)用、引進(jìn)與開發(fā)、整機(jī)與器件之間不同程度地存在看脫節(jié)現(xiàn)象；開發(fā)和制造中存在許多不必要的重復(fù)和浪費(fèi)，這些構(gòu)成了傳感器發(fā)展的不利因素。
在分析形勢的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為發(fā)展我國傳感器行業(yè)的戰(zhàn)略方針應(yīng)該是：
①打基礎(chǔ)、上水平，不斷充實(shí)技術(shù)儲備；
②面向國內(nèi)外兩個市場，不斷開拓應(yīng)用領(lǐng)域；
③依靠科技進(jìn)步，把新型傳感器和量大面廣的產(chǎn)品作為發(fā)展重點(diǎn)，盡量改善科研條件，積極發(fā)展生產(chǎn)制造技術(shù)；
④堅持“科研與生產(chǎn)相結(jié)合，整機(jī)與器件相結(jié)合，引進(jìn)與開發(fā)相結(jié)合” 的方針；
⑤以服務(wù)求發(fā)展為主， 輔之以政府資助，企業(yè)集資，以軍帶民，引進(jìn)外資和港臺資金；
⑥深化改革，轉(zhuǎn)換機(jī)制，加強(qiáng)宏觀管理，促進(jìn)橫向聯(lián)合，形成適合傳感器發(fā)展特點(diǎn)而又符合國情的科研、生產(chǎn)、應(yīng)用體系。
以上6條當(dāng)中，前3條屬于主攻方向，后3條屬于發(fā)展途徑。
為了實(shí)現(xiàn)我國傳感器行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，根據(jù)我國傳感器行業(yè)的戰(zhàn)略方針，提出了如下若干措施建議。
①以市場為導(dǎo)向，以服務(wù)為宗旨，把工業(yè)生產(chǎn)自動化、 科學(xué)測試儀器、機(jī)電一體化需用的傳感器作為發(fā)展重點(diǎn)，形成產(chǎn)業(yè)，廣泛應(yīng)用。 與此同時，要努力為微電子技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用、航空航天、環(huán)境監(jiān)測、能源管理、交通運(yùn)輸、醫(yī)療診斷、海洋開發(fā)、農(nóng)業(yè)與糧食儲備、 安全保衛(wèi)、市政與樓宇自動化等領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 要堅持質(zhì)量第一，注重社會效益，以服務(wù)求生存，以應(yīng)用求發(fā)展，在競爭中開拓前進(jìn)。
②依靠科技進(jìn)步，打基礎(chǔ)，上水平，高度重視基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，認(rèn)真開展敏感機(jī)理、失效模型、新型功能材料、微細(xì)加工和新型工藝裝備與生產(chǎn)技術(shù)的研究開發(fā)工作，大力培養(yǎng)人才，努力開發(fā)數(shù)字化、智能化、多功能化、一體化傳感器和結(jié)構(gòu)型與物性型相結(jié)合的復(fù)合型傳感器，優(yōu)先發(fā)展半導(dǎo)體、高分子、光導(dǎo)纖維、陶瓷、生物膜、離子敏等類型的新型傳感器以及射線、CCD、石英諧振、超聲波、MOS場效應(yīng)等新器件。 材料、工藝裝備和測試手段是發(fā)展傳感器的物質(zhì)基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)受到應(yīng)有的重視。
③優(yōu)化結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化機(jī)制，加強(qiáng)信息服務(wù)和宏觀管理，制定促進(jìn)傳感器發(fā)展的政策措施，引導(dǎo)科研院所、高等院校和產(chǎn)業(yè)部門通過橫向聯(lián)合，發(fā)揮群體優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)科研與生產(chǎn)相結(jié)合，制造與應(yīng)用相結(jié)合，器件與整機(jī)相結(jié)合，引進(jìn)與開發(fā)相結(jié)合，共同開拓國內(nèi)外兩個市場。要發(fā)揮傳感興學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，行業(yè)協(xié)會和各類開發(fā)與研究中 心在技術(shù)發(fā)展、 經(jīng)驗(yàn)交流、產(chǎn)品開發(fā)和傳感器應(yīng)用等方面的作用，使科研成果盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。要通過優(yōu)化組合，逐步形成科研院所、高等院校、傳感器專業(yè)生產(chǎn)廠和應(yīng)用傳感器的整機(jī)廠各具特色 、各有側(cè)重、優(yōu)勢互補(bǔ)、 密切合作的科研生產(chǎn)體系和產(chǎn)業(yè)格局。
作者：馬少梅，男，回族，1932年生于濟(jì)南，1961年畢業(yè)于蘇聯(lián)基輔工學(xué)院，歷任上海自動化儀表研究所研究室副主任，重慶自動化儀表研究所所長、總工程師，機(jī)械部儀表局總工程師、教授級高級工程師。中國儀器儀表學(xué)會常務(wù)理事、榮譽(yù)理事，國家自然科學(xué)基金評審專家，國家發(fā)明獎評審專家，中國自動化學(xué)會常務(wù)理事、榮譽(yù)理事，中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會常務(wù)理事、顧問。曾獲機(jī)械部科技進(jìn)步二等獎、機(jī)械電子部軟科學(xué)三等獎、國家計委辦公廳三等獎。本文收錄入中國儀表和自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展60年史料《飛鴻踏雪泥》。
