尤政，國家卓越工程師團隊帶頭人、中國工程院院士，現(xiàn)任華中科技大學校長，兼任中國科協(xié)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(shù)方向為智能微系統(tǒng)技術(shù)及其應用研究。在我國率先開展了微機電系統(tǒng)（MEMS）、智能微系統(tǒng)技術(shù)、微納航天器的技術(shù)創(chuàng)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(wèi)星。先后獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎3項、國家科學技術(shù)進步獎二等獎2項。
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(shù)字世界連接的橋梁，已經(jīng)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(zhuǎn)換為可檢測與數(shù)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(yè)生產(chǎn)、國防安全、醫(yī)療健康等現(xiàn)代社會的方方面面扮演著至關(guān)重要的角色，發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。當前，傳感器已經(jīng)從早期由敏感元件與處理電路構(gòu)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(tǒng)，也就是我們常說的高端傳感器，其數(shù)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(shù)。
高端傳感器是一項至關(guān)重要的“卡脖子”技術(shù)
那么，為什么高端傳感器是一項至關(guān)重要的“卡脖子”技術(shù)？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(chǔ)科學、基礎(chǔ)技術(shù)的創(chuàng)新關(guān)聯(lián)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(yè)、各個領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)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(guān)鍵核心技術(shù)。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(lǐng)域的前沿尖端技術(shù)，學科交叉融合的特點十分明顯；同時傳感器產(chǎn)業(yè)的投入也非常大，高端傳感器的敏感結(jié)構(gòu)基本都是采用MEMS（微機電系統(tǒng)）制造技術(shù)，高端傳感器的技術(shù)、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(shù)門類十分龐雜，相應的產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)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(yè)生產(chǎn)、自動控制、航空航天、電力電子、石油、化工、勘探等眾多行業(yè)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(yè)技術(shù)體系中的定位是“基礎(chǔ)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(shù)字世界的接口，其重要意義體現(xiàn)在：它是“工業(yè)基石”，是各類現(xiàn)代工業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)；它又是“性能關(guān)鍵”，直接決定重大裝備和整機產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。正是由于傳感器的基礎(chǔ)性與關(guān)鍵性，又造成了瓶頸問題與依賴性：即高度依賴外國技術(shù)或產(chǎn)品，對我國產(chǎn)業(yè)造成嚴重影響，甚至威脅到國家安全和戰(zhàn)略利益。高端傳感器這樣一個對我國關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展與國防安全至關(guān)重要，但又存在重大技術(shù)瓶頸或依賴進口的技術(shù)，已經(jīng)成為“卡脖子”技術(shù)，亟待攻克。
高端傳感器究竟能帶給我們什么
在科技前沿創(chuàng)新中，傳感器是“先行官”?？v觀科技發(fā)展史，歷次世界科學中心的形成都得益于核心傳感器技術(shù)突破以及以此為基礎(chǔ)的重要科學儀器的誕生。有統(tǒng)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(yī)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(fā)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(shù)據(jù)的關(guān)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(zhì)譜儀、掃描隧道顯微鏡中的位移傳感器、力傳感器等等。而現(xiàn)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(jīng)濟主戰(zhàn)場，傳感器是“倍增器”。傳感器的應用領(lǐng)域非常廣泛，幾乎滲透到社會生產(chǎn)生活的各個層面。例如：在僅有通訊功能的傳統(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(yè)的發(fā)展不僅得到“倍增”，而且進入了全新的時代。
當然，傳感器行業(yè)本身也具有不容低估的市場規(guī)模。根據(jù)德國Statista數(shù)據(jù)分析公司數(shù)據(jù)，2022年全球傳感器市場規(guī)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(guī)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(wěn)定，但全球龍頭企業(yè)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(jù)約60%的國內(nèi)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(chǎn)業(yè)鏈所創(chuàng)造的產(chǎn)值大約是傳感器行業(yè)產(chǎn)值的6倍左右。
傳感器在國家戰(zhàn)略工程中是“勝負手”
傳感器的性能、質(zhì)量，直接決定重大裝備和戰(zhàn)略產(chǎn)品的性能、質(zhì)量。高鐵現(xiàn)在已經(jīng)成為我國的一張名片，傳感器就發(fā)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(jiān)測與維護，二是軌道健康監(jiān)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(huán)境綜合監(jiān)測。以和諧號380AL高鐵列車為例，一輛列車里的傳感器數(shù)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(tài)監(jiān)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(shù)和裝備持續(xù)升級的關(guān)鍵性技術(shù)。未來，傳感器與人工智能等新興技術(shù)將實現(xiàn)深度融合，中國高鐵將更智能、更安全。
在醫(yī)療健康中，傳感器是“金剛鉆”。現(xiàn)代醫(yī)療離不開各種檢測，各類醫(yī)療儀器就是通過各類傳感器獲取與病人病理相關(guān)的各種醫(yī)療數(shù)據(jù)，來為醫(yī)生診療提供依據(jù)。例如用于測量血管內(nèi)外徑、血流速度、血壓、心內(nèi)壓、體溫等多種生理參數(shù)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(zhì)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(jiān)測生理狀態(tài)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(tài)中非常重要。傳感器是醫(yī)療領(lǐng)域中不可或缺的技術(shù)，它們對疾病的預防、診斷和治療起著至關(guān)重要的作用。
在國防安全中，傳感器是“戰(zhàn)斗力”。現(xiàn)代戰(zhàn)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(tǒng)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(wèi)星等精確制導技術(shù)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(fā)揮了決定性的關(guān)鍵作用。除此之外，隱身戰(zhàn)機、航母艦隊、衛(wèi)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(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)，進行態(tài)勢感知、目標打擊、體系作戰(zhàn)等各項行動。裝備有各類高端傳感器的無人系統(tǒng)已經(jīng)開始在現(xiàn)代戰(zhàn)場嶄露頭角，未來戰(zhàn)場的無人機、無人車、機器人系統(tǒng)等武器裝備將更加趨于常態(tài)化，這些“機器戰(zhàn)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(shù)的快速發(fā)展和進一步賦能，各種新概念武器裝備也將涌現(xiàn)出來，傳感器技術(shù)在國防安全事業(yè)中將發(fā)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(guī)模也很大，我國一定要發(fā)展高端傳感器。但是，我國高端傳感器的發(fā)展現(xiàn)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(yè)創(chuàng)新生態(tài)、設計工具與研發(fā)平臺、先進材料與核心器件、高端芯片與工藝設備、系統(tǒng)集成與轉(zhuǎn)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(xù)發(fā)力。第一是要關(guān)注“產(chǎn)教融合”，也就是人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展深度關(guān)聯(lián)融合。前面講過傳感器是一個多學科交叉、技術(shù)密集，且與應用緊密關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域，高端人才與技術(shù)創(chuàng)新的重要性不言而喻。創(chuàng)新人才培養(yǎng)和原創(chuàng)技術(shù)開發(fā)相結(jié)合的產(chǎn)教融合，是發(fā)展傳感器，成為傳感器強國的首要條件。第二是要強化協(xié)同創(chuàng)新，前面還講了傳感器行業(yè)是投資密集，產(chǎn)品應用廣但產(chǎn)業(yè)分散的行業(yè)，因此，政府、企業(yè)、高校、科研院所、用戶、金融機構(gòu)等各個創(chuàng)新要素必須統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局、協(xié)同創(chuàng)新。通過公共研發(fā)平臺建設與共性技術(shù)開發(fā)與共享機制，來實現(xiàn)傳感器全行業(yè)的高效運行，持續(xù)、健康、快速發(fā)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(zhàn)略裝備以及有代表性的社會經(jīng)濟生活需求，有組織地開展創(chuàng)新，體現(xiàn)新型舉國體制的優(yōu)勢，通過傳感器賦能，形成新質(zhì)生產(chǎn)力，推動產(chǎn)業(yè)集聚，形成傳感器產(chǎn)業(yè)的生態(tài)鏈。
