传感器被美日欧垄断！我国国产化率仅30%，中国追赶之路有多难？

你手机里的摄像头，车里的雷达，家里的温湿度感应器——它们身上都有一个共同的核心零件：传感器。

这个小东西看起来不起眼，但它就是万物互联时代的"眼睛"和"神经"。

而这些"眼睛"和"神经"，长期以来几乎全被别人攥在手里。

故事得从1889年说起，那年，德国物理学家赫兹注意到一个怪现象：紫外线一照，某些金属原子里的电子就会被"打飞"出去。

飞出来的电子数量跟光的强度成正比，但飞得多快，跟光强却没什么关系。这事儿用当时的经典物理学根本解释不通。

一直到20世纪初，一个理论物理学家借用了普朗克的观点——光是一颗颗小小的"光子"组成的。他说，光的能量跟频率有关，只有能量足够高，才能把电子打出来。

这个理论后来被反复验证，还让他拿了1921年的诺贝尔奖。他叫爱因斯坦。这就是"光电效应"。

听起来是纯理论，但今天所有的图像传感器，本质上都是靠这个原理工作的：光子打进硅材料，把里面的电子打出来，再把电子的信号转成图像。早期用这套原理做出来的第一件"神器"，是光电倍增管（PMT），一个真空管做的老古董。

光子进来，被打出的电子经过5到7级倍增极连续放大，最后一颗光子能变成上千万个电子——灵敏度惊人。这类真空管为后来的硅基传感器铺了路。

但硅基固态传感器一直没能量产化，直到20世纪60年代末的贝尔实验室。两位科学家——乔治·史密斯和威拉德·博伊尔——本来在研究一种半导体气泡存储器，结果发现这套结构可以用来传送模拟信号。

用它接住光电效应打出的电子，再一路"搬运"到芯片边缘转换成电压——这就是CCD（电荷耦合器件）。这个发现后来让这两位拿了诺贝尔物理学奖。

CCD在70年代一炮打响，灵敏度、动态范围、噪声控制都吊打之前的方案。通用电气、IBM、德州仪器、飞利浦、索尼、日立、英特尔……

大大小小的巨头全都跟上，摄像机、数码相机装的几乎都是CCD。但CCD也有软肋。

曝光过程中如果继续进光，画面会拖尾；解决办法要么加机械快门，要么把芯片"分暗室"，前者容易坏，后者直接让成本翻倍。更要命的是耗电——十几岁小孩玩摄像机，电池撑不过两小时，就是这个原因。

跟CCD一起被研究的还有另一路——CMOS图像传感器。60年代就有雏形，1964年IBM发布过一款硬币大小的"Scanistor"芯片，能扫描文档用于传真。

西屋、仙童、RCA也做过类似的尝试。但这条路光敏度太低，CCD一出来，几乎抢光了所有关注。只有日立等少数厂商继续死磕。

真正的转折点在90年代，工艺进步了，人们意识到CMOS可以把整个成像系统集成到一颗芯片上——更快的读出，更低的功耗，还能做数字化处理。

CCD做不到这些。关键突破来自NASA。当时航天器上的CCD又贵又费电，NASA提出"更快、更好、更便宜"的口号。

JPL图像传感器研究主管埃里克·福萨姆（Eric Fossum）带队搞出了光电门有源像素传感器，还发明了"相关双采样"技术来压噪声。

1995年，福萨姆自己出来创业，成立了Photobit公司，把这套技术商业化，产品用在了英特尔和罗技的摄像头上。Photobit后来几经辗转，最终并入安森美半导体。

接下来的事情，是一个教科书级的颠覆式创新故事。早期CMOS图像质量不如CCD，像素填充因子有时只有26%，而CCD能到100%。

但CMOS便宜、省电、能直接输出数字信号。1999年，手机厂商开始用CMOS。摩尔定律一发力，像素密度每18个月翻一番。

到2007年，CMOS已经在分辨率上追平了CCD，其他方面全线领先。CCD厂商基本没跟上。

索尼是极少数成功转型的——大概因为他们自己做数码相机，看得见消费者要什么。2014年索尼的IMX174 CMOS芯片把自家最先进的CCD都打趴下了，2015年1月，索尼干脆宣布关闭CCD生产线，全面转向CMOS。

这一年，也基本可以看作CCD时代的正式落幕。如今智能手机吃掉了全球CMOS图像传感器市场约70%的份额。

手机、汽车、监控、医疗、工业……几乎所有需要"看"东西的设备，都跑不掉这颗芯片。问题来了：这么关键的产业，中国现在做得怎么样？

坦白说，很被动。北美占了全球传感器市场的43.3%，欧洲29.1%，日本19.7%，整个亚太加起来才6.9%。

中国高端传感器的进口依赖度高达80%，核心芯片90%靠进口。全球两万多种传感器产品里，中国能造的只有三分之一，还基本集中在中低端。

拿压力传感器举例。封装和制造工艺我们跟上了，但最核心的芯片设计能力还是差一大截——就像会装汽车却造不出发动机。

温度传感器也一样，普通场景够用，一到极低温或极高温环境就掉链子。

1972年国内就组建了第一批压阻传感器研制单位，1974年做出了国产第一个实用压阻式压力传感器。时间线上比国外晚不了几年，但产业化这"最后一公里"始终打不通——实验室里的样品，走不到批量商用的生产线上。

工艺装备也拖后腿：国外早就高度自动化，国内不少厂还在靠手工。主要性能指标比国外差一到两个数量级，使用寿命差两到三个数量级。

不过最近几年，节奏变了。到2024年，中国智能传感器渗透率已经从2020年的28%涨到42%，国产化率从30%提到58%。

"十四五"专项规划里定的目标是本土化率冲60%，专利数量比2022年增长200%。政策加市场双轮驱动，国产替代确实在提速。

区域上也开始有集群味道：长三角以上海、无锡、南京为中心，产业链最全；珠三角以深圳为核心，专攻热敏、磁敏、超声波、称重；东北则在压力、温度传感器方面有传统底子。

MEMS（微机电系统）被普遍看作破局的关键——一颗小芯片集成感知、计算、通信，是未来趋势。国内在消费电子用的加速度计、陀螺仪等细分品类里，已经能跟国外拼一拼。

但高端MEMS上，差距依然明显。回到CMOS图像传感器领域，索尼一家吃掉了差不多一半的市场，三星和豪威紧随其后。

豪威（OmniVision）是家有中国背景的Fabless公司，靠台积电N22工艺做出了0.56微米像素的产品，算是国产高端的一个亮点。但整体上，中国传感器行业的困境——"看得见"但"摸不深"——依然是产业升级路上那道过不去的坎儿。

爱因斯坦提出光电效应用了几十年才被完全理解和应用；CCD和CMOS的博弈跨越了半个世纪。传感器的追赶，注定也不会是一朝一夕的事。方向是对的，路还得慢慢走。