傳感器產(chǎn)業(yè)智能化進(jìn)程，美國(guó)版集中資源辦大事
在深圳重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)即20+8產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展規(guī)劃中，智能傳感器產(chǎn)業(yè)是個(gè)挺有意思的產(chǎn)業(yè)，大眾對(duì)這個(gè)產(chǎn)業(yè)并不太了解，業(yè)內(nèi)卻認(rèn)為其極為重要。智能傳感器是當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，在我們生活中處處可見，從智能手機(jī)、汽車?yán)走_(dá)、智能家居到萬(wàn)物互聯(lián)、不斷提高我們生活體驗(yàn)；它也是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的源頭活水，從其中源源不斷生產(chǎn)出新的數(shù)據(jù)，為新模式新業(yè)態(tài)新經(jīng)濟(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)與美國(guó)有著巨大差距，根據(jù)中國(guó)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長(zhǎng)郭源生評(píng)估，中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)化水平落后10-15年；美國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)在科研與工藝上，也遠(yuǎn)超制造強(qiáng)國(guó)德國(guó)和日本。為什么美國(guó)能主導(dǎo)全球傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們?nèi)绻J(rèn)真分析美國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程就會(huì)發(fā)現(xiàn)：傳感器產(chǎn)業(yè)智能化進(jìn)程，就是美國(guó)版的集中資源辦大事。
傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。早期傳感器主要是機(jī)械式測(cè)量?jī)x器，主要以彈簧、鋼片和彈性膜片等彈性體作為敏感元件，受力彈性變形經(jīng)放大后可轉(zhuǎn)化為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示被測(cè)量的大小。儀表中主要以波紋管或波登管，在液體內(nèi)壓力的作用下逐漸脹成圓形，帶動(dòng)指針顯示壓力，如下圖所示。
機(jī)械式傳感器劣勢(shì)很明顯，我們常看到在老電影中，潛水艇深潛時(shí)或者遭遇深水炸彈，各種儀表突然全部爆表，大量的水涌入內(nèi)艙，船員們拼命關(guān)閘奮力自救，就是機(jī)械式傳感器弊端的真實(shí)寫照。
上世紀(jì)30年代末，由美國(guó)Persimmons和A.C.Ruge制造出第一批應(yīng)變計(jì)，并在40年代初(1944年)發(fā)明了粘貼式電阻應(yīng)變傳感器，利用電阻原理來測(cè)試受力。
50年代，第一代工業(yè)批量化生產(chǎn)的現(xiàn)代傳感器是結(jié)構(gòu)型傳感器（電阻式傳感器），典型應(yīng)用的就是體重計(jì)。它的原理是：金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí),其電阻值隨著它所受機(jī)械變形變化而發(fā)生變化，利用電阻分壓電路來就可以計(jì)算出受力。
60年代，在第一代結(jié)構(gòu)型傳感器經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了傳感器的基本框架，在固定電阻分壓測(cè)量電路模式上，高校及科研院所實(shí)驗(yàn)室不斷實(shí)驗(yàn)，嘗試用其他材料替代金屬，找出合適的敏感元件，測(cè)量熱量、磁場(chǎng)、光和聲強(qiáng)等。
70年代，第二代固體傳感器開始發(fā)展起來，這些傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成的。高校和研究所在各學(xué)科理論及基礎(chǔ)上，找出半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等敏感元件，并利用其特性逐步研究出各種傳感器原型，而其量產(chǎn)和銷售過程，也存大量不確定和商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。70年代后期，隨著集成技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)集成傳感器，將傳感器與后續(xù)電路集成起來，形成獨(dú)立產(chǎn)品或模塊銷售。
這二個(gè)階段都是正常的產(chǎn)品升級(jí)換代，企業(yè)發(fā)揮了主導(dǎo)作用，按市場(chǎng)需求進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品改進(jìn)、成本降低和全面商業(yè)化，進(jìn)程緩慢周期較長(zhǎng)，投資回報(bào)并不確定，產(chǎn)業(yè)也面臨多品種小批量，企業(yè)分散、規(guī)模小，研發(fā)能力弱等，我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)當(dāng)下面對(duì)的問題，為什么美國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)后來會(huì)開掛一般發(fā)展起來？
80年代，為了應(yīng)對(duì)冷戰(zhàn)，里根總統(tǒng)提出了星球大戰(zhàn)計(jì)劃，軍事的迫切需要對(duì)智能傳感器技術(shù)形成巨大加速作用，改變產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律。美國(guó)成立了國(guó)家技術(shù)小組（BGT），并投入大量預(yù)算和武器訂單，幫助政府組織和領(lǐng)導(dǎo)大公司、國(guó)有企業(yè)和機(jī)構(gòu)的傳感器技術(shù)的發(fā)展。
冷戰(zhàn)期間，美蘇儲(chǔ)備了足以毀滅全世界的核武器，為應(yīng)對(duì)對(duì)方先發(fā)制人的核彈打擊，美國(guó)的策略是反導(dǎo)系統(tǒng)、加強(qiáng)通訊和計(jì)算機(jī)聯(lián)絡(luò)，保證第一次核戰(zhàn)打擊后的統(tǒng)一指揮；蘇聯(lián)則選擇了太空防御，其成果是空間站，大型激光武器。蘇聯(lián)的點(diǎn)錯(cuò)了科技樹，對(duì)國(guó)家來說，后果是非常嚴(yán)重的。
應(yīng)對(duì)反導(dǎo)和戰(zhàn)爭(zhēng)需求，美軍重點(diǎn)發(fā)展智能傳感器，提高武器的反應(yīng)速度，所以智能傳感器是超前于當(dāng)時(shí)市場(chǎng)需求的，民間剛開始集成化，智能傳感器就橫空出世了。在軍事上，目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的，怎樣根據(jù)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)軌跡調(diào)整導(dǎo)彈的方向和速度，這就變成智能傳感器的重要任務(wù)，這些核心技術(shù)都有美國(guó)政府管控、扶持、資助與推動(dòng)。
比如響尾蛇導(dǎo)彈要先發(fā)現(xiàn)20公里以外的一個(gè)熱源，然后要追蹤，測(cè)量對(duì)方的速度和方向，再計(jì)算最佳打擊的范圍，而當(dāng)對(duì)方飛機(jī)進(jìn)行閃避動(dòng)作時(shí)，還要進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)。這就需要在集成傳感器基礎(chǔ)上加裝芯片元件及軟件，并將其做小型化、微型化。
這種智能傳感器對(duì)外界信息具有一定檢測(cè)、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力，是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在軍方推進(jìn)下，智能傳感器研究不計(jì)投入產(chǎn)出，利用半導(dǎo)體制造工藝和材料，設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)、應(yīng)用和配套工藝技術(shù)很快探索出來。基于高起點(diǎn)，智能傳感器技術(shù)在民用領(lǐng)域就極大的提高了用戶體驗(yàn)，用戶使用數(shù)量巨量，批量制造后，價(jià)格不斷下降，普通用戶也能夠承擔(dān)得起了。
比如說：我們現(xiàn)在上網(wǎng)的無線傳感器，最早用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視；自動(dòng)感應(yīng)開燈的紅外線傳感器，軍事上用于空對(duì)空導(dǎo)彈，也用于夜視儀；現(xiàn)在防盜的超聲波傳感器，軍事上用于潛艇及反潛必備；還有光纖傳感器、激光傳感器等等。
人民大學(xué)溫鐵軍教授的研究表明：在蘇聯(lián)解體后，90年代中后期，美國(guó)將原本用于星球大戰(zhàn)計(jì)劃的軍方通訊和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)解密，無償轉(zhuǎn)移給了民間，這才導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)和硅谷崛起，這也是美國(guó)互聯(lián)網(wǎng)和科技行業(yè)爆發(fā)真正原因。否則這些技術(shù)前期天量的研發(fā)費(fèi)用，是任何一個(gè)公司也承擔(dān)不起的，這相當(dāng)于美版的集中資源辦大事。
傳感器是借助國(guó)家力量，整體提速的共性行業(yè)，智能傳感器作為尖端武器的制作工藝，其民用化后帶來極大的用戶體驗(yàn)，也稱為傳感器革命。智能傳感器技術(shù)普及帶來了便利，汽車電車及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域興起，各種應(yīng)用場(chǎng)景，使得智能傳感器研發(fā)與批量化生產(chǎn)更快，也更加小型化，微型化。2000年代智能化技術(shù)普及帶來了消費(fèi)電子和物聯(lián)網(wǎng)的繁榮，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)開始成為傳感器產(chǎn)業(yè)新的驅(qū)動(dòng)力。
這種共性技術(shù)紅利，推動(dòng)商用應(yīng)用，又推動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，從而形成產(chǎn)業(yè)增強(qiáng)回路。比如馬斯克2016年成立Neuralink公司，短短3年開發(fā)出侵入式腦機(jī)接口，3072個(gè)電極密集排布的線連接到大腦皮層，這種研發(fā)速度，如果沒有先進(jìn)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)鏈配套，是很難成功的，而腦機(jī)接口突破，又會(huì)鞏固美國(guó)在醫(yī)療科技上優(yōu)勢(shì)。
綜上所述，我們認(rèn)為，以前傳感器產(chǎn)業(yè)三階段的劃分方式是不準(zhǔn)確的，隱藏了美國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)崛起的真實(shí)原因。我們建議應(yīng)該將其發(fā)展歷程劃分為四個(gè)階段，觀察美國(guó)主導(dǎo)的傳感器產(chǎn)業(yè)，以便進(jìn)一步分析其發(fā)展規(guī)律。
美國(guó)獲得主導(dǎo)地位以后，總是強(qiáng)調(diào)自由市場(chǎng)和自由競(jìng)爭(zhēng)，刻意的隱藏了一些歷史和事實(shí)，宣導(dǎo)對(duì)其有利的規(guī)則。在國(guó)內(nèi)，也有一些企業(yè)家和學(xué)者，對(duì)中國(guó)地方政府制定產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展規(guī)劃提出質(zhì)疑，認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)過剩并會(huì)影響企業(yè)公平競(jìng)爭(zhēng)，這其實(shí)是沒有深入的解讀產(chǎn)業(yè)政策，也有被美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家洗腦原因。
這一次，拜登總統(tǒng)簽署《2022年芯片和科學(xué)法案》，美國(guó)徹底不裝了，將高達(dá)2800億美元資金投入產(chǎn)業(yè)扶持中，其中提供約527億美元的資金補(bǔ)貼和稅收等優(yōu)惠政策，以吸引各國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到美國(guó)去，同時(shí)限制芯片企業(yè)在中國(guó)投資。法案還授權(quán)撥款約2000億美元，用于促進(jìn)美國(guó)在人工智能、量子計(jì)算等各領(lǐng)域的科研創(chuàng)新。
美國(guó)智能傳感器產(chǎn)業(yè)是借助國(guó)家力量，整體提速的共性行業(yè)，作為尖端武器的制作工藝，其民用化后帶來極大的用戶體驗(yàn)，被稱為傳感器革命。在這個(gè)領(lǐng)域，美國(guó)已經(jīng)遙遙領(lǐng)先，而控制芯片制造和封裝技術(shù)，將會(huì)鞏固其智能傳感器的優(yōu)勢(shì)。
而MEMS(微機(jī)電傳感器) 應(yīng)該歸為第四代傳感器，MEMS是微機(jī)械與微電子結(jié)合產(chǎn)物，利用MEMS技術(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)，用微機(jī)械結(jié)構(gòu)來感知運(yùn)動(dòng)、聲音、射頻變化，成為新升級(jí)方向。MEMS器件的特征長(zhǎng)度從1毫米到1微米，1微米僅相當(dāng)于一根頭發(fā)的六十分之一，隨著納米材料突破，在未來生物科技、電子五官、機(jī)器人、萬(wàn)物互聯(lián)等產(chǎn)業(yè)上會(huì)有更大的應(yīng)用前景。
MEMS通常是一個(gè)包含有動(dòng)能、彈性形變能、靜電能或靜磁能等多個(gè)能量域的復(fù)雜系統(tǒng)，在這個(gè)階段，我國(guó)和德國(guó)憑借智能制造和工程師優(yōu)勢(shì)，將有機(jī)會(huì)反超。
傳感器與通信、計(jì)算機(jī)被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，其應(yīng)用涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防科研的各個(gè)領(lǐng)域，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，是未來產(chǎn)業(yè)必爭(zhēng)之要地。
美國(guó)遵循先軍工后民用、先改進(jìn)后普及的發(fā)展模式，我們可以借鑒，和平時(shí)期不能搞軍工模式舉國(guó)投入，但我國(guó)將智能傳感器產(chǎn)業(yè)集群視為有機(jī)整體，規(guī)劃產(chǎn)業(yè)發(fā)展；組織關(guān)鍵材料、工藝技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)高端設(shè)計(jì)躍遷；搭建產(chǎn)業(yè)互聯(lián)平臺(tái)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集群協(xié)同效應(yīng)；以十億級(jí)用戶大市場(chǎng)為依托，未來國(guó)民級(jí)產(chǎn)品的為突破點(diǎn)，走出一條新的探索道路。后續(xù)我們將繼續(xù)分享傳感器產(chǎn)業(yè)集群與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究觀點(diǎn)，歡迎共同探討。
