中国工程院院士：立国之本，中国为什么要发展传感器？

我国光学奠基人、著名学者王大珩先生有个著名的论断：传感器是工业的基石、性能的关键和发展的瓶颈。中国制造大而不强，主要瓶颈实际上是传感器。

本文来自对中国工程院院士尤政的专访，主要阐述了制造业的重要性及其与传感器产业的关系，文中提到一比较尖锐的问题，譬如重大项目需要用到高温压力传感器，你用国产的，出了问题，你要担当责任，买国外的出了问题没事。

文末，尤政院士建议传感器应上升到国家战略，认为靠市场规律中国传感器产业很难发展起来：

1.传感器需要上升到国家战略，因为传感器不是靠市场规律就可以做的，需要国家行为和市场行为结合起来，这是传感器行业的特点。2.把重点突破和行业整体水平提升相结合，既需要世界知名的百年老店，同时为提高我国整体传感器的水平，也需要有若干专精特小企业共同支撑。3.进行市场竞争和政府引导相结合。在国内若干地区建立若干基 地，进行人才培养等。传感器不好做，需要联合。

详细观点见下文。

专家档案

尤政 ，中国工程院院士，华中科技大学校长。机械电子专家。

来源：《电子产品世界》| 迎九

1 我国制造业的特点

1.1 中国制造的新环境和新使命

制造业是立国之本、兴国之器、强国之基。我国非常重视制造业的发展，从***总书记到李克强总理的很多论述中，讲了工业化的重要性，推动中国制造向中国创造转变，中国速度向中国质量转变，以及中国产品向中国品牌转变，李克强总理也讲了打造实体经济的这一根本基础。

1.2 我国制造业的三个历史阶段

我国制造业曾经历过三个发展阶段(如图1)，第一阶段是从建国初期到 1978 年，即改革开放前，我们还是取得了比较好的成绩，形成了较为独立完整的科学体系。

这还是很重要的，因近年来东欧经济崩溃的主要原因是没有完整的工业体系，而我国有一套独立完整的体系， 例如从材料、加工一直到装备是齐全的，我们什么都不缺，而东欧一些国家当时受前苏联影响，只能生产某个中间部分，因此经济受到制约，所以当时老一辈革命家还是非常英明的，我们才发展到今天。

1978 年改革开放以后到 1990 年，我们告别了工业产品短缺时代， 即买东西再不需要券了，而俄罗斯有些地方至今还是凭券供应。

第三是 1990 年以后到 2010 年，此时产业规模持续扩大。

1.3 目前制造业大而不强，不可持续发展

2010 年以后，我国在世界制造业的比重占第一位，成为工业制造的第一大国。但我们还要看到，我们的制造业大而不强、不可持续发展这一问题。

原因之一是我们自主创新能力不强，基础比较薄弱。尤政院士是搞卫星的，曾听总装部长介绍，我们卫星 85%实现了国产化，但是还有 15%没有国产化的部分，花费了 80%的钱。

第二，我们处于价值链的低端。去年尤政院士陪院长去了郑州富士康，郑州富士康有 30 万人，一年生产 1.5 亿部手机，但利润只占到 整个利润价值的 5%多一点，可见几十万人创造的利润很低。

第三是生产经营效率不高。2011 年我国制造业增加值率只有 21.5%， 而世界发达国家往往在 35%以上，可见差距比较大。

第四是产业结构不合理。我们基本上是资源密集型、劳动力密集 型企业，而技术密集型和服务密集型的企业太少了。最近一项调查显示，美国波音公司的产值中，服务型制造业的产值占实体型制造业的产值比例约为 6：4，可见波音服务型比例很高，超过实体制造经济。

第五是产品质量问题突出。中国制造和低质量可能是划等号的。所以习总书记讲要从中国制造向中国质量转变很重要，其他国家可能不存在这个问题。

另外，我们国家制造业的的战线拉得比较长，从 20 世纪的 50 年 代到 21 世纪初都有。一位领导人曾说，外国人到中国来访问，去看什么经济，看你到什么地方，到了好地方，像欧洲；差的地方像非洲。这说明我国地域差距特别大，很难用“工业 4.0”还是“工业 3.0”，就能把中国的经济全部能够拖动，这还是要跟中国的国情来结合。

1.4 面临三个新的国际问题

第一是发达国家的高端制造业回归本土。去年美国公布了美国制造业振兴的计划，很多高新技术的研究机构不再像以前公布规划了，实际上我们很多的研究以前是跟踪型，现在美国在前面走着却把灯关了， 就等于我们前面看不到美国在干什么，所以我们要花更多的时间去摸 索、探索新技术。

第二，发展中国家低端制造业成本竞争的优势特别明显。所以近来在东莞的很多企业，设备刚到就封上了门，又转移到越南和印度去了。因为以前这些高端制造业对于劳动力的依赖性还是比较强的，我国是中等水平的制造业者特别多，因为我们的大学毕业生特别多，而之前的制造业对人的素质要求比较高，在中国社会比较适合，而现在机器人的自动化程度比较高，对人的依赖性在下降，那么更低一点层次的人也可以从事制造业。因此有些制造业往东南亚/越南转移，相当于釜底抽薪。

另外我们国家的发展最后还要受到资源和环境的双重约束。以前发 达国家的重要发展期里，也是以资源和环境作为代价的，但是在现在 的条件下，中国要发展是不可能去走这样的路的，这也是面临的新问题。所以我国制造面临着内忧外患。

1.5 中国经济的利好因素

但是我们也非常有信心中国的经济能够发展好，主要也有三条理由。

第一，第三次工业革命给中国制造业带来了“机会窗口期”。第一次工业革命是动力革命，第二次革命是电子革命，这两次革命中国都处在很贫困的时期，是一个看客，我们在慢慢跟。

那么第三次工业革命，中国是一个重要的参与者，而且尽管中国的机械制造业还是比较落后的，但是我们的信息业比较发达，所以信息化和工业化进行融合的过程中，中国客观上还是完全有成为强国的机遇。

第二，我们的城镇化为消费升级提供了巨大的市场空间。我们现在有 2 亿城市人口与 2 亿城镇之间的人口，其他就是农民了，城镇人/城市人和农民最大的区别在于消费结构，农民主要是消费自留地，稍微有一点点消费就够了；而城镇/城市人要消费工业品。

预计到 2020 年， 我们的城镇人口可能会翻一倍，将来达到 8 亿，因此比现在的市场要 翻一倍。这么巨大的市场为我们工业的发展会带来重要机遇。

例如，在上一次经济危机时，德国之所以能挺过去，主要是通过汽车工业救了德国经济，所以很多国家和中国形成战略合作，看中的是中国巨大 的市场，如果我国巨大的市场对我国的经济没有推动，我们就失败了。

所以内在发展是我们把握机会的一个重要砝码，马凯副总理听取尤政院士的“中国制造 2025”汇报时指出，你们有那么多指标，我最关心的一个指标是到 2025 年时，中国的汽车制造业能不能用上中国 60%的机床?因我们现在的机床对我国的最大制造业——汽车业贡献率不到 5%。

为什么?就是我们的车床无故障工作时间是 700~800 小时，国外是 9000 小时，所以别人的车床一年修一次，我们的每个月都得修。假设一分钟一辆车的过程是不太可能的，从经济角度不可能用你的。

那么， 为什么中国的机床只有 800 小时？因为关键的核心基础件——电机、轴 承等是别人的，别人的技术数据我们没有，你怎么有信任呢？所以这是我们的问题，我们必须从市场的角度来带动我们的实体经济，包括物联网等。

所以在传感器行业，传感器的同仁要团结起来，把中国制造的传感器搞上去，才能真正借助于物联网的成功，使我们的市场走到世界的前列。

第三，我们经济体制的改革也加速了我们制造业的转型升级。例如清华在一些政策出台后的 2016 年 1 月到 8 月间，技术转移的收入大有 6 亿元，而以前高校的技术和工业界没法合作，因为不能卖，不能有产权，因此互相都是提防着，现在已经可以技术出售和竞价了，老师可以拿 70%(笔者注：最近一些政策是高校科研成果转化收益的 70% 可划归个人)，所以大家的积极性也提高了，以前偷偷出去办公司的老师发现自己的公司上不了市，现在又回来拿钱把专利买回来了。

因此有序的机制转移促进了经济发展。诸多国家的改革政策都会为我们的经济护驾保航，所以现在中国制造业担负着最新的使命，也是我们伟大中华复兴梦一个具体的体现，我们要成为制造业大国，要成为世界制造业的中心，我们的强国梦才能真正得到实现。

1.6 各国制造业的发展动态

当然不光是中国，美国也在强调制造业回归，德国、日本也有计 划(如表 1)。美国人已经明确表态，2017 年要夺回制造大国和强国的 地位。所以我们面临的环境还是很恶劣的。

2015 年 3 月 25 日，我们颁 布了《中国制造 2025》行动纲领，实际上中国的整个工业从“工业 2.0” 补课，“工业 3.0”普及，到“工业 4.0”的示范已经全面地铺开(如 表 2)。

2 传感器内涵及特点

中国制造是和传感器紧密相关。例如智能制造里有传感器九条龙， 诸如轨道交通传感器一条龙，新能源汽车传感器一条龙等。传感器属于基础零部件的一部分，传感器非常重要，王大珩先生有个著名的论断：传感器是工业的基石、性能的关键和发展的瓶颈。

我们由大变强的主要瓶颈实际上是传感器，它本身也有些特点，例如量大面广，我们产值很高，但是面很宽，具体到每家企业来说并不是特别大。

第二起到了承上启下的作用，对下游产业起着重要的推动作用。第三是三化程度高，适于专业化大批量生产，这给通用化、标准 化、系列化生产提供了前提。

传感器也兼有材料密集型、劳动密集型 和技术密集型的特点，但低端基础件耗材、耗能、技术含量较低，竞争激烈;而高端基础件则是技术密集型。例如普通的水表电表可能更多的时候是劳动密集型产品。

另外，在世界上也有个趋势，发达国家的 低附加值零部件产业逐渐往外转移，实行全球采购，例如我国的水表电表是世界第一大国，约占世界产量 70%~80%以上。

我国的传感器产业和我国制造业的状况几乎是一样的特点：

1.产业规模进入了世界前列。我们有很多是世界排在第一的，但大都是中低端产品。

2.我们的产业布局基本形成，什么传感器都有。

3.中低档 产品基本满足市场需求，通过合资和自己研制，基本能满足国内需求， 严格地说还存在供给过剩的问题。

4.通过多年的研发，我们的研发能 力显著进步，有一些高端传感器已经做到了样机阶段。

当然我们面临的问题也一样。

首先，产业集中度低，中低档产能过剩，原因是我们没有形成产业集群，没有在产品聚集、地区聚集上 做好，产品很分散，提到一个产品不知道在什么地方，但是在国外， 很可能一类传感器相对集中在一座城市或者一家大公司里，就比较容 易形成规模效应。

其次，研发和自主创新能力比较薄弱，核心技术受制于人，我们的很多传感器是买国外的传感器元件，拿来组成一个系统，并没有自己去研发传感部分。

第三是行业共性技术研究缺位。在国外甚至现在的美国也有一些高端战略技术是国家出钱研究的，有国家研究院和一些公共的实验条件是国家承担的，我们国家以前也有，不过在 1995 年以后基本上由于体制改革，这些企业都不承担国家的责任，跑到市场经济的前沿去了， 这对我国传感器行业的进步还是影响很大的，特别是高端传感器，比如高温压力传感器，你用国产的，出了问题，你要担当责任，买国外的出了问题没事。

如果我们有国家的机构，能够去按照客观的测试办法来进行测试，由测试机构来担当使用的责任，那么我们的大企业就会愿意去用，这样才能促进国有企业的发展。

最后是政策缺位。我们国家的建设重点主要是在整机上面，补贴整机较多，对元器件的补贴很少。因为有首台战略，但没有首个传感器战略。建议传感器方面，如果你要去购买国外的，你要拿出 1/3 的价格建立传感器基金，如果你的产品能够替代国外产品，那么用户买一件国货国家可补贴 1/3，所以两个 1/3 可从经济和市场角度能起很大的作用。

2.1 传感器技术发展趋势

传感器技术的发展也有几条。

第一，产品技术与智能化技术相互融合的水平相结合，数据的处理、无线信号的传输、自校准技术已经很普遍了。

另外，传感器变成模块化、组合化、集成化得到高度重视。以前一个传感器不能解决的问题，通过多个传感器的模块化组合可以来解决了。过去我们看一个物体的特性是靠单一化的指标，现在通过多指标来确认你的环境特征。

第三，高性能和环保成为行业的主题，因为我们是后来者，不可能按照以前的老路再走一遍，所以我们要重视性能和环保问题。

最后，新材料、新工艺的使用是传感器革命性的进步。比较典型的是 MEMS 传感器，如果用硅来做，通常做到 400~600℃就到极限了， 但是碳化硅把性能可提高到 1200~1800℃，因此随着材料技术的进步， 对我们行业技术的发展可能是颠覆性的。

传感器的智能化、无线化等体现在哪几个方面?微型化 MEMS 技术集成化怎么去做产量的融合？最后还有多样化等等，需要各种各样的先进技术的使用。

所以从传感器的发展技术路线图看，从分立式的传感器到机械式的集成传感器、MEMS 传感器，将来可以做到单片集成传感器、无线传感器，一直到最后的 iSensor(智能传感器)。

如果我们从另外一个维度——信息技术的维度看(图 3)，摩尔定律预言集成电路(IC)上可容纳的晶体管数目 每 18 个月就翻番，到目前为止，我们已接近特征尺寸的极限，在进行 “超越摩尔定律”的探索，即从系统的角度走，把传感器、电源、信 号传输等等一起集成，我们的发展空间还很大，增长的速度会很高， 这可能是行业很重要的一个发展方向。

所以从需求和信息获取的技术 进步来看，传感器和微系统技术都是革命性的和颠覆性的技术。

2.2 MEMS 传感器

MEMS 传感器和 IC 芯片最大的区别，MEMS 是可动结构，利用微纳加工技术同时加工出机械结构和电路系统。

我们最早做 MEMS 时，总以 为 MEMS 结构像制造业是由零件组成的，实际上不是，它是通过工艺很复杂的转动和平动，都是用一个零件，所以与以往是根本不同的。

当然我们还有自校准等工艺和设计是不一样的，所以从 MEMS 技术出现 了以后，整个世界都在小型化，从微能源到生物、射频等领域都在 MEMS 化、小型化的改造。

例如 1995 年时听说智能灰尘，大家觉得这个不太可以，但是到了前年(2014 年)，美国已经应用了智能灰尘，只有 5 毫克重，1.2 立方毫米，上面有厚膜电池、超级电容器、太阳能电池、陀螺仪、红外传感器、振动传感器，还有激光通讯等，这么小小一个东 西，有这么多功能，反映了微系统或传感器发展的未来前景很大。

当然 MEMS 传感器技术的特点也有几条。

首先是微型化、低成本、 功耗低、高可靠。像我们现在做的 MEMS 陀螺仪，最高可以做到每小时 1°，稍微差一点的，每小时 10°，成本大概不到一千元。

但是我们现在有的国内厂子在做，每小时 30°的陀螺仪现在还卖到五万元一支， 一年也就生产两三百只，所以一个硅圆片上的 MEMS 产品数量就接近该企业一年的产量。这是颠覆性技术的特点。

第二点是高精度。陀螺仪现在国外可以做到每小时 0.01°，如果它能够实现的话，基本上光纤陀螺也没了，如果现在的加速器可以做 到 3×10-8g，这不仅仅是高精度。

另外还有芯片级原子钟，现在欧洲已经可以买了，一千欧元就可以买到 1 小时内阿伦方差 10-13 的芯片 原子钟，使 GPS 的导航精度大大提高。我们现在的时钟大概是 10-6、 10-9 到 10-13，半年校准一次，也有每周校准一次的。

另外是高集成。国外有 2 公斤的卫星就可以把姿态回归轨道全部解决，还有相控阵雷达的阵列可以做到导弹里。所以 MEMS 技术精准度可以很高。

MEMS 还有一个技术特点——高性能，例如微硅惯性器件(陀螺/加 速度计)可以承受 20 万 g 的过载，而我们有些武器系统能打得很远， 但是过载很大，10 万 g 时传感器不能用了，但 MEMS 传感器可以用，

为什么?从物理上，根据牛顿第二定律：F=ma，m(物体质量)变小了，所以它的破坏力变小了。

另外，硅的机械常数等特性要比铁、钢高得多， 也会提升性能。最近一家美国公司介绍其智能片，使所有的发动机片厂都有传感 和无线信号的布局，所以发动机一开，所有发动机的参数都可以传出来，它可以抗恶劣环境，温度最高耐 1800℃，压力超过 300 个标准大 气压，冲击接近 5 万 g 都能工作，反映了现在传感器和智能化的水平之高超。

在武器装备方面，美国称 90%的 MEMS 器件可对武器制造改进，最新资料显示火箭弹已经可以改造了，每小时 5°的陀螺仪可以做进去了; 世界上最小的导弹——长矛已经出现，只有 771 克，长 42.7 厘米，直 径 40 毫米，射程 2 公里，杀伤半径 10 米，放在枪上就可以射击，把复杂的导弹已经微缩到变成枪流弹的水平。

当然更多打法还是在制导子弹，子弹可以转弯了。这些都源于传感器，特别是 MEMS 技术带来的进步。

在汽车行业，需要约三百多个传感器，高档车约有 80%可以用 MEMS 技 术来做。物联网更是依赖于传感器，物联网最底层的技术就是信息传感采集技术，比如智能停车场，生产的智能管理，还有环境的监测，医疗资源的调配等，这些都是和 MEMS 相关。

MEMS 传感器应用非常广泛，医疗方面，从拍摄、便携式、可穿戴 式到植入式大概有 45 亿美元的市场，治疗糖尿病需要测眼压，可以做在博士伦等隐形眼镜上，像美国的智能鞋可以扫雷，走过之后地雷就出来了，还有很多编织物，例如衣服可以传感人的信息，还有各种各样的可穿戴电池、能发电的鞋子、脑信号/脑控服务机械设备，还有芯 片上的器官/肺/肾等会出现。

最新颖的是通过电脑阵列可以读人—— 把这个人的存储器读了。另外是消费电子，消费电子大概有 30 亿美元 的市场规模，各种各样。

2.3 我国传感器发展

传感器的发展还是从两个维度解决：技术的推动和市场的需求。国内的 MEMS 主要集中在科研院所和大学(表 3)，真正完全的单片层的 MEMS 传感器技术中国还没有。原因是这涉及到一系列的研究突破。

好在最近我们还是有所进步，我们已有一批中试线、生产线、代工线和 产业公司(表 4)。

经过 20 年的奋斗，我们的 MEMS 传感器已处于曙光阶段。尤政院士也是淄博高新区 MEMS 研究院院长，介绍了在淄博投资 3 亿元建立的 6 英寸与 8 英寸兼容的生产线，加速度计和陀螺仪产品已下线。

微纳制造、器件与系统协同创新中心是由教育部的清华、北大、上交大、东南大学等六所高校，以及航空、航天、兵器等部委的 研究所共同在淄博开展项目的研发。

3 对“核心传感器技术”上升为国家“制造强国”、“工业强基”战 略的建议

1.传感器需要上升到国家战略，因为传感器不是靠市场规律就可以做的，需要国家行为和市场行为结合起来，这是传感器行业的特点。

2.把重点突破和行业整体水平提升相结合，既需要世界知名的百年老店，同时为提高我国整体传感器的水平，也需要有若干专精特小企业 共同支撑。

3.进行市场竞争和政府引导相结合。在国内若干地区建立若干基 地，进行人才培养等。传感器不好做，需要联合。

欧洲有欧盟 MEMS 系统联盟，提供微系 统加工一站式服务，设计、加工、工艺、测试、应用是一体的。欧洲是分布式的，不是一家独干的。

欧盟有很多小国可以做好，咱们社会 主义制度，也一定能做好。

审核编辑 黄宇