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    国内传感器产业的现状困境与探究

    • 发表时间:2021-03-29 16:50:33
    • 来源:未知
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    传感器是数据采集的源头,智能制造、智慧医疗、智能交通、物联网等都是从传感器开始。进入数字时代,传感器属于通向未来产业的基础。
    一、现状
    首先,传感器种类繁多,市场很大。产品种类多达 3 万多种,是一个庞大的市场。2019 年中国传感器市场规模达到 1700 亿元,这个市场国产传感器的份额很小,基本上是国外品牌。如:手机、汽车、工控、物联网等用到的传感器,基本上都是国外品牌。在军用传感器领域,因自主可控的研制要求,传感器已经高度国产化,但因规模和性价比所限,采购成本较高,无法参与民用市场的竞争,所以我国传感器行业只能依赖大量进口。
    其次,中国制造的传感器不具有明显成本优势。目前我国生产的大部分传感器产品是低端传感器,多为手工装配不具备成本优势。中高端传感器进口占比高达 80%,传感器芯片的进口更高达 90%。
    另外,工业软件是中国制造的软肋,传感器更是如此。传感器的设计软件,如 MEMS传感器设计的CAD软件,为两家美国公司IntelliSuite和ConventorWare所控制,而国产传感器企业一直在使用,国产设计软件似乎还没有准备进入这一领域。因芯片工艺研发投入巨大,传感器用芯片一直不能自主研制,致使国产传感器利润一直被压得很低。在专业芯片的某些行业领域,如水表、电表、煤气表等,由行业大国企的主导,也开发了一批功能性专业芯片,满足行业的自给,但未能起到主导作用。根据国内40家传感器企业上市公司的财报,近40%企业利润率均低于5%;而利润为负的有6家。
    传感器和工业软件,是锁喉中国制造的命脉。根据传感器国家工程研究中心《中国传感器发展蓝皮书》的统计,汽车、手机传感器、高端化学类气体传感器、光纤传感器、环境检测传感器,对国外进口依赖度都是在95%以上。
    第三, 在我国传感器产业被边缘化了?进入数字化时代,工业互联网已成为国家战略,作为信息技术支点的传感器,在中国产业中一直没有占有相应的位置,参与其中的多为民营企业,而且多为中小民营企业,类型繁多的传感器产业几乎没有国有企业主导,任其自由发展。面对如此重要的产业,国有企业为什么远离这个行业?显然在我国,传感器产业被边缘化了,传感器行业不为资本市场所看好,政府行政部门的关注也不够。
    二、困境
    传感器行业面临的规模小、利润低、不被资本市场看好的困境该如何破局?值得我们深思。下面我们从微观视角分析传感器行业的现状和困境:
    我国传感器行业还属于产业发展的初级阶段。
    我国传感器企业的设计大多仍处于传统结构性设计阶段,还没有进入基于模型的三维设计阶段;上下游供应关系仍然处于市场竞争的自由形态,没有形成基于模型的产业互动的配套形态。
    产品及其零配件没有形成统一标准的参数定义能力,供应链间缺乏互动的基础,产业标准化工作处于初期水平,产品标准缺乏系列化配套标准,关键参数的量值确定未能形成数据积累和不断迭代的递进工作模式。团体标准是解决企业间产品上下游配套关系的良好抓手,是企业间产品配套关系中快速形成产业化能力的基础。传感器产业需要国家规划的指导或龙头企业的领军效应,形成产业集群效应。目前我国团体标准尚处于起步阶段,传感器产业还未认识到这一步,整个产业仍处于产业发展的初级阶段。
    传感器的材料和工艺细化量化没有形成自己的行业规范和核心能力。
    传感器研制和生产工艺是一个敏感的话题,因为不同传感器企业间的设计和工艺参数数据各自封闭,以保护自己的商业秘密,保证企业的利润和竞争力。
    传感器信息变送原理是敏感器件参量突变下所引起的相关参量的变化,通过声、光、电、磁等探测器件感应后经测量函数输出。传感器的关键核心是材料和制造过程相关数据的精准测量和控制,以及围绕测量函数进行的相关补偿和修正。
    在我国材料领域中,对材料的成分、工艺和物理化学性能的参数描述是比较粗放的,并不适合传感器敏感器件的精细化控制要求,建立传感器行业精准化控制的系列标准是行业发展的特殊需求,包括参数的定义、化学成分的配比、工艺参数测量与控制,性能指标的测试与迭代等方面,这些标准的建立一方面需要产业链中的相关企业共同参与,另一方面需要通过数据的不断积累和迭代,固化量化的方法和精细的指标量值。
    由于我国对基础研究缺乏长期细致的积累,传感器产业呈现出各自为战的局面,企业间技术和商业保密意识强烈,缺乏数据共享的机制,对参数的定义、指标、控制方法等缺乏测量数据积累,因此对产品关键参数及其参数关联关系的细化追踪和研究远远不足。在产品设计过程中,设计人员除了参照相关手册、标准或仿真数据外,最重要的是参照历史数据的变化趋势进行设计迭代。如果没有严格细化的定义和数据积累,历史数据再多也无法提供有效的帮助。
    不从根本上解决材料和工艺的问题,我国暂时还无法生产出高精度的传感器。为了市场需求和企业生存暂时只能重复低端产品的生产,没有多余的资金和人员去解决传感器研制过程中面临的根本问题。
    传感器测量函数的补偿和修正是目前我国传感器产业唯一的救命稻草。
    我国传感器产业所面临的现状,离开了计量校准传感器将不成为产品,产品的最高精度就是计量校准点的精度。传感器输出的是计量标准的数据,而不是真正的测量数据。虽然这话讲的有些绝对,但是反映了一个现实,计量校准对传感器的输出和性能指标十分关键。
    传感器是通过敏感器件感知信息后,通过测量函数解算出参数的量值,但是由于感知的信息非常微弱,需要经放大、变换、调理等转化为标准信号,或通过硬件或软件输出。但是影响微弱信号变化的因素非常广泛,对传感器精度的影响巨大。关于这一点只能通过实验验证环节的模拟或实际工况环境获取的历史数据,通过数据积累和分析最终获取影响因素的参数指标控制限。上述论述不仅适合于设计环节也适合工艺环节。
    工艺过程参数控制限的确定,也应通过试验过程参数变化趋势获取有效数据进行分析和迭代,产品性能输出参数量值的一致性和正确性理应依靠测量函数获取。但是由于我国传感器企业过程细化不到位,许多控制环节处于无法量化的人为控制阶段,在面临交付时还未解决,只能考查其线性度等指标后,依靠计量校准的量值对传感器修正后输出量值。但是这种状况一直未能有效改变,反而成为中小型传感器企业的主流生产形态,所以我国传感器企业一直处于低端生产状态。

    传感器
    三、探究
    针对上述困境我们提出如下建议:
    政府主导,招揽人才,加强我国传感器行业的基础技术和管理研究。
    建议政府出台传感器产业发展指导意见,指导企业成立战略联盟,形成供应链上下游间互动机制,鼓励相关人才聚集传感器产业链相关领域,对标传感器敏感器件、特殊工艺、测量函数等关键问题开展基础研究;强化实验和仿真技术的研究,解决传感器研制和生产过程中的技术状态控制难题,形成传感器产业团体标准,引导产业化发力的方向;建立传感器产业联盟和团体标准联合体,共同推进传感器产业过程中产品标准和工艺过程参数的控制标准等;研究传感器产业关键测试技术,提升参数测量精度,建立行业测量参考标准,形成产业共有知识产权的团体标准。
    传感器行业应加强研制和生产过程技术状态的迭代,细化量化固化设计和工艺参数,改善产品技术状态,提升产品技术成熟度。
    传感器产业应分解和细化材料和工艺的技术状态,解决材料和工艺的技术状态定义和量值描述工作,通过实验积累数据分析迭代,优化设计改善技术状态,固化技术状态各参数的控制限。这样才能获得技术状态的固化量值,满足技术成熟度 9 级以上的控制要求。这样传感器传递的不是信息趋势而是真实的感知数据,这样从生产线下线的传感器无需校准,也能确定其最终输出量值的正确性。
    我国中小型传感器企业,多数产品仍处于技术成熟度6~7级的水平上,这种生产控制形态属于研制和生产一体化的过渡控制形态,适合小批量多品种的生产形态。这种形态在小批量生产过程中本应不断迭代和完善,但是我国传感器产业的这种状态似乎停滞不前,不停简单循环,产品技术成熟度得不到提升。这种技术形态不是高端传感器产品应有的技术状态,不改变这种思想理念,很难引起资本市场的兴趣。
    客观上如果没有资本市场的介入,以目前行业的利润率5%~10%为前提,面对品种繁多的市场需求,中小企业不可能实施多品种的大规模量化生产,无法吸引国有企业进入主导;不能从根本上解决产品成熟度和规模化生产的问题,更无法吸引软件和芯片企业或资本参与。
    综上所述,破局的根本是如何引进人才,解决产品研制和工艺过程控制参数的细化、量化、优化和固化问题,提高产品技术成熟度,形成产业集群式发展模式,突破软件和芯片的魔咒,最终彻底破局。
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