傳感器產(chǎn)業(yè)智能化進(jìn)程，美國版集中資源辦大事
在深圳重點(diǎn)發(fā)展的戰略性新興產(chǎn)業(yè)即20+8產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展規劃中，智能傳感器產(chǎn)業(yè)是個(gè)挺有意思的產(chǎn)業(yè)，大眾對這個(gè)產(chǎn)業(yè)并不太了解，業(yè)內卻認為其極為重要。智能傳感器是當代物聯(lián)網(wǎng)的基礎，在我們生活中處處可見(jiàn)，從智能手機、汽車(chē)雷達、智能家居到萬(wàn)物互聯(lián)、不斷提高我們生活體驗；它也是數字經(jīng)濟的源頭活水，從其中源源不斷生產(chǎn)出新的數據，為新模式新業(yè)態(tài)新經(jīng)濟提供了技術(shù)基礎。
我國傳感器產(chǎn)業(yè)與美國有著(zhù)巨大差距，根據中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長(cháng)郭源生評估，中國傳感器產(chǎn)業(yè)化水平落后10-15年；美國傳感器產(chǎn)業(yè)在科研與工藝上，也遠超制造強國德國和日本。為什么美國能主導全球傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們如果認真分析美國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程就會(huì )發(fā)現：傳感器產(chǎn)業(yè)智能化進(jìn)程，就是美國版的集中資源辦大事。
傳感器是能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。早期傳感器主要是機械式測量?jì)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)放大后可轉化為儀表指針的偏轉，借助刻度指示被測量的大小。儀表中主要以波紋管或波登管，在液體內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。
機械式傳感器劣勢很明顯，我們?？吹皆诶想娪爸?，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，大量的水涌入內艙，船員們拼命關(guān)閘奮力自救，就是機械式傳感器弊端的真實(shí)寫(xiě)照。
上世紀30年代末，由美國Persimmons和A.C.Ruge制造出第一批應變計，并在40年代初(1944年)發(fā)明了粘貼式電阻應變傳感器，利用電阻原理來(lái)測試受力。
50年代，第一代工業(yè)批量化生產(chǎn)的現代傳感器是結構型傳感器（電阻式傳感器），典型應用的就是體重計。它的原理是：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時(shí),其電阻值隨著(zhù)它所受機械變形變化而發(fā)生變化，利用電阻分壓電路來(lái)就可以計算出受力。
60年代，在第一代結構型傳感器經(jīng)驗基礎上，產(chǎn)生了傳感器的基本框架，在固定電阻分壓測量電路模式上，高校及科研院所實(shí)驗室不斷實(shí)驗，嘗試用其他材料替代金屬，找出合適的敏感元件，測量熱量、磁場(chǎng)、光和聲強等。
70年代，第二代固體傳感器開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，這些傳感器由半導體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構成，是利用材料某些特性制成的。高校和研究所在各學(xué)科理論及基礎上，找出半導體、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(xiāo)售過(guò)程，也存大量不確定和商業(yè)風(fēng)險。70年代后期，隨著(zhù)集成技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，出現集成傳感器，將傳感器與后續電路集成起來(lái)，形成獨立產(chǎn)品或模塊銷(xiāo)售。
這二個(gè)階段都是正常的產(chǎn)品升級換代，企業(yè)發(fā)揮了主導作用，按市場(chǎng)需求進(jìn)行研發(fā)設計、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(cháng)，投資回報并不確定，產(chǎn)業(yè)也面臨多品種小批量，企業(yè)分散、規模小，研發(fā)能力弱等，我國傳感器產(chǎn)業(yè)當下面對的問(wèn)題，為什么美國傳感器產(chǎn)業(yè)后來(lái)會(huì )開(kāi)掛一般發(fā)展起來(lái)？
80年代，為了應對冷戰，里根總統提出了星球大戰計劃，軍事的迫切需要對智能傳感器技術(shù)形成巨大加速作用，改變產(chǎn)業(yè)發(fā)展規律。美國成立了國家技術(shù)小組（BGT），并投入大量預算和武器訂單，幫助政府組織和領(lǐng)導大公司、國有企業(yè)和機構的傳感器技術(shù)的發(fā)展。
冷戰期間，美蘇儲備了足以毀滅全世界的核武器，為應對對方先發(fā)制人的核彈打擊，美國的策略是反導系統、加強通訊和計算機聯(lián)絡(luò )，保證第一次核戰打擊后的統一指揮；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)錯了科技樹(shù)，對國家來(lái)說(shuō)，后果是非常嚴重的。
應對反導和戰爭需求，美軍重點(diǎn)發(fā)展智能傳感器，提高武器的反應速度，所以智能傳感器是超前于當時(shí)市場(chǎng)需求的，民間剛開(kāi)始集成化，智能傳感器就橫空出世了。在軍事上，目標是運動(dòng)的，怎樣根據運動(dòng)的目標軌跡調整導彈的方向和速度，這就變成智能傳感器的重要任務(wù)，這些核心技術(shù)都有美國政府管控、扶持、資助與推動(dòng)。
比如響尾蛇導彈要先發(fā)現20公里以外的一個(gè)熱源，然后要追蹤，測量對方的速度和方向，再計算最佳打擊的范圍，而當對方飛機進(jìn)行閃避動(dòng)作時(shí)，還要進(jìn)一步進(jìn)行反應。這就需要在集成傳感器基礎上加裝芯片元件及軟件，并將其做小型化、微型化。
這種智能傳感器對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力，是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結合的產(chǎn)物。在軍方推進(jìn)下，智能傳感器研究不計投入產(chǎn)出，利用半導體制造工藝和材料，設計、制造、封測、應用和配套工藝技術(shù)很快探索出來(lái)?；诟咂瘘c(diǎn)，智能傳感器技術(shù)在民用領(lǐng)域就極大的提高了用戶(hù)體驗，用戶(hù)使用數量巨量，批量制造后，價(jià)格不斷下降，普通用戶(hù)也能夠承擔得起了。
比如說(shuō)：我們現在上網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳感器，最早用于戰場(chǎng)偵察和監視；自動(dòng)感應開(kāi)燈的紅外線(xiàn)傳感器，軍事上用于空對空導彈，也用于夜視儀；現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，美國將原本用于星球大戰計劃的軍方通訊和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)解密，無(wú)償轉移給了民間，這才導致互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)和硅谷崛起，這也是美國互聯(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)費用，是任何一個(gè)公司也承擔不起的，這相當于美版的集中資源辦大事。
傳感器是借助國家力量，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(lái)極大的用戶(hù)體驗，也稱(chēng)為傳感器革命。智能傳感器技術(shù)普及帶來(lái)了便利，汽車(chē)電車(chē)及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域興起，各種應用場(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(lái)了消費電子和物聯(lián)網(wǎng)的繁榮，微電子機械系統(MEMS)開(kāi)始成為傳感器產(chǎn)業(yè)新的驅動(dòng)力。
這種共性技術(shù)紅利，推動(dòng)商用應用，又推動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，從而形成產(chǎn)業(yè)增強回路。比如馬斯克2016年成立Neuralink公司，短短3年開(kāi)發(fā)出侵入式腦機接口，3072個(gè)電極密集排布的線(xiàn)連接到大腦皮層，這種研發(fā)速度，如果沒(méi)有先進(jìn)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)鏈配套，是很難成功的，而腦機接口突破，又會(huì )鞏固美國在醫療科技上優(yōu)勢。
綜上所述，我們認為，以前傳感器產(chǎn)業(yè)三階段的劃分方式是不準確的，隱藏了美國傳感器產(chǎn)業(yè)崛起的真實(shí)原因。我們建議應該將其發(fā)展歷程劃分為四個(gè)階段，觀(guān)察美國主導的傳感器產(chǎn)業(yè)，以便進(jìn)一步分析其發(fā)展規律。
美國獲得主導地位以后，總是強調自由市場(chǎng)和自由競爭，刻意的隱藏了一些歷史和事實(shí)，宣導對其有利的規則。在國內，也有一些企業(yè)家和學(xué)者，對中國地方政府制定產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展規劃提出質(zhì)疑，認為會(huì )導致產(chǎn)業(yè)過(guò)剩并會(huì )影響企業(yè)公平競爭，這其實(shí)是沒(méi)有深入的解讀產(chǎn)業(yè)政策，也有被美國經(jīng)濟學(xué)家洗腦原因。
這一次，拜登總統簽署《2022年芯片和科學(xué)法案》，美國徹底不裝了，將高達2800億美元資金投入產(chǎn)業(yè)扶持中，其中提供約527億美元的資金補貼和稅收等優(yōu)惠政策，以吸引各國芯片產(chǎn)業(yè)轉移到美國去，同時(shí)限制芯片企業(yè)在中國投資。法案還授權撥款約2000億美元，用于促進(jìn)美國在人工智能、量子計算等各領(lǐng)域的科研創(chuàng )新。
美國智能傳感器產(chǎn)業(yè)是借助國家力量，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(lái)極大的用戶(hù)體驗，被稱(chēng)為傳感器革命。在這個(gè)領(lǐng)域，美國已經(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。
而MEMS(微機電傳感器) 應該歸為第四代傳感器，MEMS是微機械與微電子結合產(chǎn)物，利用MEMS技術(shù)對傳感器進(jìn)行改進(jìn)，用微機械結構來(lái)感知運動(dòng)、聲音、射頻變化，成為新升級方向。MEMS器件的特征長(cháng)度從1毫米到1微米，1微米僅相當于一根頭發(fā)的六十分之一，隨著(zhù)納米材料突破，在未來(lái)生物科技、電子五官、機器人、萬(wàn)物互聯(lián)等產(chǎn)業(yè)上會(huì )有更大的應用前景。
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)能量域的復雜系統，在這個(gè)階段，我國和德國憑借智能制造和工程師優(yōu)勢，將有機會(huì )反超。
傳感器與通信、計算機被稱(chēng)為現代信息技術(shù)的三大支柱，其應用涉及國民經(jīng)濟及國防科研的各個(gè)領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟基礎性、戰略性產(chǎn)業(yè)之一，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)必爭之要地。
美國遵循先軍工后民用、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投入，但我國將智能傳感器產(chǎn)業(yè)集群視為有機整體，規劃產(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)現高端設計躍遷；搭建產(chǎn)業(yè)互聯(lián)平臺，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集群協(xié)同效應；以十億級用戶(hù)大市場(chǎng)為依托，未來(lái)國民級產(chǎn)品的為突破點(diǎn)，走出一條新的探索道路。后續我們將繼續分享傳感器產(chǎn)業(yè)集群與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰略研究觀(guān)點(diǎn)，歡迎共同探討。
