在现代控制系统中,传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置,成为系统信息输入的主要“窗口”,为系统提供控制、处理、决策、执行的原始信息。可以说,传感器直接影响和决定系统的性能。随着电子、材料、物理、化学等多领域技术的发展,特别是MEMS工艺技术的成熟和应用,满足市场需求的多功能、微型化、数字化、系统化、网络化、智能化的传感器不断涌现,成为传感器产业发展新热点。这同时也为集成电路从通用型向专业化发展提供了有力支撑和技术创新依据。
(一)申请趋势
图 1 全球及主要国家传感器产业近20年专利申请趋势(单位:项)
21世纪以来,全球传感器产业快速发展,专利申请整体呈现上升趋势,中国传感器产业技术起步较晚,但近十年发展迅速。
万物互联首先要解决先进感知,传感器作为物联世界的重要神经触角,是新技术革命和信息社会的重要技术基础,广泛应用于各行各业,截止目前,全球传感器共计专利申请50998项,其中中国专利申请共计17389项。上图为全球、中国传感器产业近20年专利申请趋势,从图可以看出,自21世纪以来,全球传感器技术相关专利申请量整体呈现增长趋势,我国在传感器领域的专利申请相比全球技术起步较晚,但近十年发展迅速。2011年开始,工信部印发《物联网“十二五”发展规划》,重点强调了要提升感知技术水平,内容包括:超高频和微波RFID标签、智能传感器、嵌入式软件的研发,支持位置感知技术、基于MEMS的传感器等关键设备的研制,推动二维码解码芯片研究;2016年8月,国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》,内容强调发展新一代信息技术,特别提出了,发展微电子和光电子技术,重点加强极地功耗芯片、新型传感器、第三代半导体芯片和硅基光电子、混合光电子、微波光电子等技术与器件的研发。2017年11月,工信部发布《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019)》,三年的主要任务为补齐设计、制造关键环节短板,推进智能传感器向中高端升级,其中,在技术和工艺上,重点提到了硅基MEMS加工技术、MEMS与互补金属氧化物半导体(CMOS)集成、非硅模块化集成等工艺技术。国家高度重视传感器产业发展,在相关政策的推动下,我国传感器产业进入快速发展期,专利申请量快速增长,专利申请数量从2010年的446项增长到2022年的1809项,年申请量增长近4倍,标志着我国逐步成为全球传感器产业专利申请的主导力量之一。
(二) 技术策源地
图 2 全球传感器产业主要技术来源国
上图所示为传感器产业技术来源国主要国家分布情况。上个世纪80年代出,美、日、德等国家相继确立加速传感器技术发展的方针,视为涉及科技进步、经济发展和国家安全的关键技术,纷纷列入长远发展规划和重点计划之中:日本1979年在《对今后十年值得注意的技术》中将传感器列为首位;美国国防部1985年公布的二十项军事关键技术中,被列为第十四项;英、法、德等国家高技术领域发展规划中均将传感器列为重点发展技术,并将其科研成果和制造工艺与装备列入国家核心技术。
我国传感器产业起步于上世纪五十年代,1986年的“七五”计划将传感器技术列入国家重点攻关项目,开启了国产传感器的实质性研发阶段,自2006年以来,国家部委陆续印发了多项支持、规范智能传感器行业的发展政策,内容涉及智能传感器发展技术路线、智能传感器发展目标、智能传感器的应用推广等方面,2021年,工信部印发《基础电子元器件产业发展行动计划(2021—2023年)》,将传感类元器件列入重点产品高端提升行动,提出重点发展小型化、低功耗、集成化、高灵敏度的敏感元件,温度、气体、位移、速度、光电、生化等类别的高端传感器,新型MEMS传感器和智能传感器,微型化、智能化的电声器件,科技部将智能传感器纳入“十四五”国家重点研发计划的重点专项,每年安排财政资金支持智能传感器关键技术研发。中国传感器产业于2006年左右才开始慢慢发展起来,起步较晚,但随着时间的发展,中国在传感器产业已经具备了一定的国际竞争优势,中国在该产业的年专利申请数量已经超过了美国和日本,成为近10年专利申请最多的国家,目前以17388项专利申请总量位居世界首位。
(三) 目标市场国
图 3全球传感器产业主要目标市场国
日本、美国是传感器产业最主要的专利市场,中国市场呈逐步壮大态势,成为该领域全球专利布局量第三的国家。
美国、日本、德国企业主导先进传感器技术,日本、美国已成为传感器产业最主要的专利市场;中国传感器产业具有广阔的市场前景,外资企业纷纷在中国市场进行专利,如美国科磊股份、德国英飞凌、意法半导体、博世、三星等国外传感器产业相关企业,另一方面,在中国传感器相关政策的支持与鼓励下,传感器行业的国产替代尚处于成长阶段,国产企业正在加快追赶行业巨头,中国市场专利布局成为新兴目标市场,目前已成功该领域全球专利布局量第三的国家。
(四)技术分布
在智能化时代,传感器已经成为连接虚拟和现实的重要桥梁。其中MEMS传感器作为国际竞争战略的重要标志性产业,以其技术含量高、市场前景广阔等特点备受世界各国的关注。
图 4全球传感器产业技术构成
全球传感器产业专利申请主要集中在其他传感器领域,其中传感器的热点技术MEMS传感器技术占比为23%。
上图显示了全球集成电路产业的技术构成情况。传感器技术属于集成电路设计领域重点技术,是连接虚拟和现实的重要桥梁,越来越多地被应用到社会发展及人类生活的各个领域,属于国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业,是转变经济发展方式、调整产业结构、保障国家安全的重要支撑,目前全球涉传感器产业中的其他传感器专利申请量比较多,共39165项,占比77%;MEMS工艺技术的成熟和应用,能满足市场需求的多功能、微型化、数字化、系统化、网络化、智能化的传感器不断涌现,成为传感器产业发展新热点,专利申请量12010项,占比23%。