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大力发展智能传感材料与器件

大力发展智能传感材料与器件

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  • 发布时间:2021-03-23 09:59
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大力发展智能传感材料与器件

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大力发展智能传感材料与器件

 

我国智能传感器市场 迎来快速增长爆发期

  在计算机与通信技术迅猛发展的初期阶段,人们忽视了传感技术,造成信息技术“大脑”发达,而“五官”迟钝的窘境。进入新世纪后,随着纳米材料、MEMS等先进制造技术的成熟,发达国家纷纷加速智能传感技术布局,确立传感技术和产品向感、知、联功能一体化的智能系统方向发展。在国家政策的支持下,我国现已初步形成传感技术研发体系,建设了若干平台,有1800多家传感器企业、40家上市公司。但目前我国传感材料与器件仍面临关键技术缺失、创新能力不强、产品有效供给不足、国际竞争力薄弱等问题。例如,高端磁传感器、医用传感器约90%以上依赖进口;新冠肺炎疫情期间,受到欧美流量、压力等核心传感部件供应不足的影响,我国呼吸机产量只有实际产能的1/3。《科技日报》2018年4月25日曾指出,传感器精确、稳定的严苛要求,阻挡了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐。究其原因,一方面是日渐复杂的器件工艺让中小型企业“望而生畏”;另一方面,缺乏自主知识产权是很难逾越的“拦路虎”,需要进行更多的探索与创新。

  当前,新技术革命和产业变革正蓄势待发,学科领域交叉融合、互相渗透,智能传感技术的发展进入了一个重要历史阶段,将有更多的新材料、新技术、新工艺、新软件应用于无人驾驶用激光雷达、组合导航轮速计,智能手机用飞行时间传感器、组合惯性传感器,智慧农业用温湿度传感器,医学检验检测、器官芯片、可穿戴传感器,以及航空航天、深空深海、高铁、自主核电技术用的关键传感模块。

  ——中国工程院院士屠海令、有研科技集团有限公司高级工程师 赵鸿滨

  根据赛迪顾问数据,2019年全球传感器市场规模达到1521亿美元。中国传感器市场规模2019年为2189亿元,预计2022年将达3443亿元。当前智能传感器已成为传感领域发展的重头戏,根据中国信通院数据,2019年全球智能传感器市场为378.5亿美元,工信部提出2019年我国智能传感器产业规模应到260亿元。随着新一代信息技术与智能制造工程项目的不断落地,我国智能传感器市场将会迎来快速增长的爆发期。

  继续加强应用基础研究 大力突破关键核心技术

  “十四五”期间智能传感材料与器件领域应坚持科技自立自强,以战略性新兴产业、国家重大工程、生命健康保障等需求为牵引,系统布局和实施国家重点研发计划,抓住新的发展机遇,尽快占领高端产品市场,为此提出以下三方面建议。

  一是继续加强应用基础研究,建立学科交叉的智能传感研发体系,全方位深化开放合作,通过颠覆性新技术引领创新发展。

  智能传感材料制备、器件设计与研发的难度极大,算法软件设计过程复杂,因此应用基础研究十分重要。要特别关注二维材料、超材料、有机框架材料、柔性材料,特别是量子材料的研发,鼓励对上述前沿材料基础物理、化学性能的探索研究。最近,伦敦大学利用纳米金刚石中氮空位缺陷的量子特性,制备出了体外诊断的超灵敏传感器,可将HIV的诊断灵敏度提高98000倍。目前,该传感器正在进行新冠病毒检测试验工作。未来,前沿材料可能在智能传感技术创新中起到重要的变革性作用。

  智能传感涉及材料、信息、能源、生物等领域,学科跨度广、技术难度大。以生物医用传感技术为例,它融合了微电子技术与生物技术领域的多个小学科,对“精准诊断”、“个性化药物监测与评价”等未来医学发展方向具有重要影响。工业互联网不但要求智能传感器具有高灵敏、高稳定、低功耗、低成本特性和良好的鲁棒性,还要求软件用户界面良好,进行数据智能分析、近传感器和传感器内计算,以降低时间延迟,并增强数据安全。此外,因智能传感技术具有学科交叉的复杂性,未来需要加强标准制定、规范设计。建议设置先导科技项目,加强智能传感前沿交叉领域部署;建立学科间合作平台,促进多学科融合发展。同时,进一步加强政府间科技合作,通过国内外大学、企业等多渠道联合研发颠覆性新材料、新软件、新技术以及面向未来的智能传感材料与器件,共同推动认识和感知创新,以更加开放的思维和举措融入全球智能传感器研发与产业化。

  二是加强国家战略科技力量,发挥新型举国体制优势,下大力气突破关键核心技术。

  目前,国内材料领域建有“智能传感功能材料国家重点实验室”,器件领域有“传感技术联合国家重点实验室”“化学生物传感与计量学国家重点实验室”“国家智能传感器创新中心”等,这些国家级平台经过多年的建设,在各自领域均发挥了积极作用。建议进一步统筹规划,集中力量攻克高端传感材料与器件技术难题,建设若干开放共享的研发平台,充分发挥国家战略科技力量的作用,开展跨学科产学研用协同创新。在创新方面,需要重点突破硅基MEMS加工技术、MEMS与CMOS工艺集成技术、非硅模块化集成技术、器件级、晶圆级MEMS封装和系统级测试技术;要集中攻关智能传感器可靠性设计与试验、模拟仿真、信号处理、无线通信、电子自动化设计(EDA)工具、软件算法等;要开发新型传感材料,推进设计与制造工艺的深度结合,突破现有技术与知识产权壁垒,占领未来技术制高点。与此同时,要充分发挥“产学研用”相结合的优势,开展以需求为导向、以市场为目标的颠覆性技术研发,啃核心技术“硬骨头”,在智能传感器领域实现科技自立自强。

  三是发挥市场机制作用,营造良好的产业发展生态环境,支持传感领域中小型科创企业发展,补齐短板,拓展市场。

  智能传感材料与器件的种类繁多,应用场景广泛。因此,建议“十四五”期间,要充分发挥市场机制的作用,完善以中小型科创企业为主体的产业生态环境,设立为中小企业提供全面服务的政府部门,解决它们发展中面临的问题,切实发挥中小型科创企业的市场主体作用。加快营造智能传感材料与器件相关企业自主经营、公平竞争的市场环境,完善产业链、创新链、资金链。在京津冀、长三角、粤港澳等电子信息产业发达的区域培育一批智能传感材料与器件的“高精特新”企业,促进智能传感器产业集群发展。

  展望未来,相信我们有能力抢占智能传感材料、器件、系统及应用的战略制高点,实现智能传感产业链、供应链的自主可控,为建设世界科技强国,推进经济高质量发展奠定坚实的基础。(来源:控制工程网)

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