- 尤政院士：為什么高端傳感器是一項至關重要的“卡脖子”技術？
- 來源：來源：上觀新聞 作者：學習時報 發表于 2024/9/24
原標題：為什么要重視發展高端傳感器技術
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字世界連接的橋梁，已經成為信息化社會最為重要的基石之一。傳感器主要功能是將各種物理量、化學量或生物特征等待感知量轉換為可檢測與數字化的電信號，是我們感知世界的首要工具。傳感器在科學研究、工業生產、國防安全、醫療健康等現代社會的方方面面扮演著至關重要的角色，發揮著不可或缺的關鍵作用。當前，傳感器已經從早期由敏感元件與處理電路構成的分立式裝置，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，也就是我們常說的高端傳感器，其數字化、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核心“卡脖子”技術。
高端傳感器是一項至關重要的“卡脖子”技術
那么，為什么高端傳感器是一項至關重要的“卡脖子”技術？高端傳感器究竟能帶給我們什么？我國距離傳感器強國還有多遠？
首先，傳感器的特點十分鮮明：一是傳感器涉及很多新原理、新材料、新器件，所以它和很多基礎科學、基礎技術的創新關聯十分密切。而且傳感器又是直接應用于整機設備，或服務于終端用戶，與各行各業、各個領域的關聯同樣緊密，如集成電路（IC）裝備中的許多高端傳感器就被列為關鍵核心技術。二是傳感器往往匯集了物理、化學、電子、機械、設計、制造、測試等各個學科領域的前沿尖端技術，學科交叉融合的特點十分明顯；同時傳感器產業的投入也非常大，高端傳感器的敏感結構基本都是采用MEMS（微機電系統）制造技術，高端傳感器的技術、資金雙密集特點尤為突出。三是由于傳感器的應用十分廣泛，使得傳感器的技術門類十分龐雜，相應的產品、產業分布非常廣，比如僅僅一個壓力傳感器在水利水電、交通運輸、工業生產、自動控制、航空航天、電力電子、石油、化工、勘探等眾多行業就有上千種方案，且每一種解決方案都有其特殊要求。
其次，傳感器在工業技術體系中的定位是“基礎零部件和元器件”，因為傳感器是信息獲取的源頭，是物理世界與數字世界的接口，其重要意義體現在：它是“工業基石”，是各類現代工業賴以生存和發展的基礎；它又是“性能關鍵”，直接決定重大裝備和整機產品的性能和質量。正是由于傳感器的基礎性與關鍵性，又造成了瓶頸問題與依賴性：即高度依賴外國技術或產品，對我國產業造成嚴重影響，甚至威脅到國家安全和戰略利益。高端傳感器這樣一個對我國關鍵產業、經濟發展與國防安全至關重要，但又存在重大技術瓶頸或依賴進口的技術，已經成為“卡脖子”技術，亟待攻克。
高端傳感器究竟能帶給我們什么
在科技前沿創新中，傳感器是“先行官”。縱觀科技發展史，歷次世界科學中心的形成都得益于核心傳感器技術突破以及以此為基礎的重要科學儀器的誕生。有統計表明，在諾貝爾獎的獲獎名單中，72%的物理學獎、81%的化學獎、95%的生理學或醫學獎都是借助于尖端傳感器與儀器完成的，且已有38項、60余人次由于發明了新原理的科學儀器而直接獲獎。而科學儀器對事物進行檢測表征，獲得科學數據的關鍵就是高端傳感器：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器、電子探測器、溫度傳感器，質譜儀、掃描隧道顯微鏡中的位移傳感器、力傳感器等等。而現代科學儀器中，高端傳感器是決定性的，直接代表了分析、檢測和表征的水平。
在國民經濟主戰場，傳感器是“倍增器”。傳感器的應用領域非常廣泛，幾乎滲透到社會生產生活的各個層面。例如：在僅有通訊功能的傳統手機，集成了大量傳感器：圖像傳感器、陀螺儀、加速度計、距離傳感器、環境光傳感器、磁強計、電容傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器……，使得傳統手機搖身一變成了智能終端，手機的功能、性能都增強了很多，特別是與人的互動能力大大提升，手機行業的發展不僅得到“倍增”，而且進入了全新的時代。
當然，傳感器行業本身也具有不容低估的市場規模。根據德國Statista數據分析公司數據，2022年全球傳感器市場規模為2512.9億美元（約1.79萬億人民幣）。其中我國傳感器市場規模為3096.9億元人民幣，2019—2022年均復合增長率為12.26%。盡管我國傳感器市場增速相對穩定，但全球龍頭企業如愛默生、西門子、博世、意法半導體、霍尼韋爾等跨國公司占據約60%的國內傳感器市場份額，尤其在高端傳感器市場，我國約80%的傳感器依賴進口。特別需要說明的是，傳感器除了自身的萬億級市場之外，有研究表明，傳感器帶動的上下游產業鏈所創造的產值大約是傳感器行業產值的6倍左右。
傳感器在國家戰略工程中是“勝負手”
傳感器的性能、質量，直接決定重大裝備和戰略產品的性能、質量。高鐵現在已經成為我國的一張名片，傳感器就發揮了不可或缺的作用，高端傳感器在高鐵上有六大應用場景：一是列車監測與維護，二是軌道健康監測，三是列車安全防護，四是乘客信息交互，五是能源管理，六是環境綜合監測。以和諧號380AL高鐵列車為例，一輛列車里的傳感器數量超過1000個，平均每40個零部件里就有一個傳感器，它們承擔著狀態監視、故障報警、車載設備控制等功能，被認為是軌道交通運營安全的保障性技術和裝備持續升級的關鍵性技術。未來，傳感器與人工智能等新興技術將實現深度融合，中國高鐵將更智能、更安全。
在醫療健康中，傳感器是“金剛鉆”。現代醫療離不開各種檢測，各類醫療儀器就是通過各類傳感器獲取與病人病理相關的各種醫療數據，來為醫生診療提供依據。例如用于測量血管內外徑、血流速度、血壓、心內壓、體溫等多種生理參數各類位移、速度、振動（加速度）、力、流量、壓強和溫度傳感器；用于檢測血液中的離子（如K+、Na+、Ca2+ 等）和氣體（如O2、CO2）的濃度的化學傳感器；利用選擇性識別來測定生化物質的酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和DNA傳感器等；通過測量細胞或組織的微弱電信號的變化來監測生理狀態的心電（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中非常重要。傳感器是醫療領域中不可或缺的技術，它們對疾病的預防、診斷和治療起著至關重要的作用。
在國防安全中，傳感器是“戰斗力”。現代戰爭從某種程度上來講，打的就是傳感器。在最近的烏克蘭危機中，有統計表明80%的毀傷效果是由占全部彈藥總量20%的精確制導彈藥，也就是導彈、制導炸彈等造成的。這些高精度的慣性、無線電、激光、光電、紅外、衛星等精確制導技術中，慣性測量單元（IMU）、激光傳感器、紅外傳感器、毫米波傳感器、光電傳感器、雷達等各類高端傳感器發揮了決定性的關鍵作用。除此之外，隱身戰機、航母艦隊、衛星星座等武器裝備，更加需要由各類高端傳感器組成的信息感知網絡提供數據，進行態勢感知、目標打擊、體系作戰等各項行動。裝備有各類高端傳感器的無人系統已經開始在現代戰場嶄露頭角，未來戰場的無人機、無人車、機器人系統等武器裝備將更加趨于常態化，這些“機器戰士”的千里眼、順風耳則完全要依靠高端傳感器。而且，隨著傳感器等先進技術的快速發展和進一步賦能，各種新概念武器裝備也將涌現出來，傳感器技術在國防安全事業中將發揮更大作用。
我國距離傳感器強國還有多遠
傳感器這么重要，市場規模也很大，我國一定要發展高端傳感器。但是，我國高端傳感器的發展現狀不容樂觀。我國的高端傳感器，尤其是中高端傳感器的MEMS芯片還大量依賴進口，被“卡脖子”之外，我國高端傳感器行業創新生態、設計工具與研發平臺、先進材料與核心器件、高端芯片與工藝設備、系統集成與轉化應用等方面，還存在差距。
我國要成為傳感器強國，需要在如下幾個方面持續發力。第一是要關注“產教融合”，也就是人才培養與產業發展深度關聯融合。前面講過傳感器是一個多學科交叉、技術密集，且與應用緊密關聯的領域，高端人才與技術創新的重要性不言而喻。創新人才培養和原創技術開發相結合的產教融合，是發展傳感器，成為傳感器強國的首要條件。第二是要強化協同創新，前面還講了傳感器行業是投資密集，產品應用廣但產業分散的行業，因此，政府、企業、高校、科研院所、用戶、金融機構等各個創新要素必須統籌規劃、合理布局、協同創新。通過公共研發平臺建設與共性技術開發與共享機制，來實現傳感器全行業的高效運行，持續、健康、快速發展。第三是加大示范應用，可以圍繞國家的重大工程任務、國家亟須的重要戰略裝備以及有代表性的社會經濟生活需求，有組織地開展創新，體現新型舉國體制的優勢，通過傳感器賦能，形成新質生產力，推動產業集聚，形成傳感器產業的生態鏈。
尤政，國家卓越工程師團隊帶頭人、中國工程院院士，現任華中科技大學校長，兼任中國科協副主席、教育部科技委常務副主任、中國儀器儀表學會理事長等職務。主要學術方向為智能微系統技術及其應用研究。在我國率先開展了微機電系統（MEMS）、智能微系統技術、微納航天器的技術創新及其工程實踐。作為總負責人主持設計、建造和在軌運行“TH-1”“NS-1”“NS-2”“NS-3”等多顆微納衛星。先后獲得國家技術發明獎二等獎3項、國家科學技術進步獎二等獎2項。
欄目主編：張武文字編輯：董思韻題圖來源：圖蟲圖片編輯：徐佳敏
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