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中国工程院院士屠海令:大力发展智能传感材料与器件丨我为“十四五”建言

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中国工程院院士屠海令


智能传感器件是信息时代的感知单元,可接收和处理海量数据并瞬时传输信息,在发展5G通信、人工智能、大数据、云计算、物联网、先进机器人、无人驾驶、智能制造、智慧交通、智慧医疗以及促进经济高质量跃迁和建设未来智能社会中担当着重要角色。

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,拦住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,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。

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。

“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。

智能传感涉及了材料、信息、能源、生物等领域,其学科跨度广、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”等未来医学发展具有重要影响。再有,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、低成本和良好的鲁棒性,而且还要求软件用户界面良好、数据智能分析、近传感器和传感器内计算,以降低时间延迟、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: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;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;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。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”,实现智能传感器领域科技自立自强。

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。

作者: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

责任编辑:赵强


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