“小”傳感器，撬動(dòng)的萬億級(jí)市場(chǎng)

作者：立言

好奇心是人類的天性之一，它驅(qū)使著我們?nèi)チ私?，去探索未知的世界。隨著時(shí)代的發(fā)展，人類五感所能感知的信息，已經(jīng)無法跟上人們對(duì)世界不斷探索的步伐。科技的發(fā)展帶給了我們?cè)鰪?qiáng)和拓展五感的可能。

傳感器是數(shù)據(jù)采集的源頭，它無處不在。智能最前端所需要的態(tài)勢(shì)感知，基本都是要從傳感器開始。無論是智能制造、智慧城市、智慧醫(yī)療等，還是智能設(shè)備和大數(shù)據(jù)分析，再龐大的智能系統(tǒng)，都要從傳感器的針尖上開始。

近日，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫對(duì)話中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李昕欣教授，從傳感器的驅(qū)動(dòng)力談到未來應(yīng)用場(chǎng)景，在交流中李昕欣還分析了什么是中國(guó)發(fā)展傳感器的最大優(yōu)勢(shì)。

?01“一元”傳感器產(chǎn)值，可帶動(dòng)“百千萬”元應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)值

世界萬物最終都要轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，才能采集出電子數(shù)據(jù)。傳感器的品種繁多，過去有句話叫 “多品種、小批量”。傳感器涉及物理、化學(xué)、生命等多個(gè)領(lǐng)域，從事不同類型傳感器研究者可以來自不同的學(xué)科領(lǐng)域。比如，從事生物傳感器研究的人與從事物理傳感器研究的人通常不是同一專業(yè)畢業(yè)的，但傳感器的本質(zhì)功能是一樣的。全球傳感器市場(chǎng)發(fā)展成熟，每年需生產(chǎn)千百億只傳感器。

根據(jù)德國(guó)Statista數(shù)據(jù)分析公司數(shù)據(jù)，2022年全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模為2512.9億美元（約1.79萬億人民幣）。其中我國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模為3096.9億元人民幣，2019—2022年均復(fù)合增長(zhǎng)率為12.26%。李昕欣說到：“傳感器雖然產(chǎn)值不高，但它具有驅(qū)動(dòng)力，即Driving force。比如一個(gè)傳感器可能很便宜，只需要一元，但為其配備的信號(hào)處理相關(guān)部件可能價(jià)值 10 元。但不能因此認(rèn)為傳感器不值錢，因?yàn)槿绻麤]有傳感功能，之后的 10 元是沒有用的，它起到牽引帶動(dòng)作用?！痹?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%8C%96%E8%BD%AC%E5%9E%8B/">數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，作為數(shù)據(jù)感知關(guān)鍵環(huán)節(jié)的傳感器正向智能方向發(fā)展。

李昕欣表示，傳感器智能化背后有三層含義。一層含義是本身傳感的效應(yīng)，比如仿生智能，即模仿生物的傳感效應(yīng)，類似的例子是模仿蒼蠅的復(fù)眼。另一層含義是類腦智能，模仿人的腦干、小腦、大腦等。第三層含義是傳感器在信號(hào)處理方面體現(xiàn)出的智能性。由于環(huán)境干擾，傳感器輸出的信號(hào)可能不清晰，此時(shí)可以利用后續(xù)電路計(jì)算、卷積積分等智能算法對(duì)信號(hào)進(jìn)一步提純，提高信噪比。李昕欣在采訪中表示：“傳感器涉及的學(xué)科很多，所以很多人都對(duì)它感興趣。實(shí)際上，對(duì)它感興趣的很多人是‘用傳感器’，但我們現(xiàn)在缺乏對(duì)‘做傳感器’的關(guān)注，這是源頭技術(shù)。”

?02“越便宜的傳感器，越難做”

談到MEMS傳感器的難點(diǎn)，李昕欣說到：“世界上最難做的傳感器是用量最大、要求最便宜且性能并不高的傳感器。”以我國(guó)為例，航天傳感器已實(shí)現(xiàn)自主供應(yīng)。然而，在蘋果手機(jī)中能集成多少我國(guó)制造的傳感器呢？

傳感器需要具備成本效益，有這么一句話：“Cheap is high technology.（廉價(jià)就是高科技）”航天領(lǐng)域用的傳感器，做十個(gè)挑一個(gè)好的，其余九個(gè)不用也沒關(guān)系。手機(jī)需要的傳感器，只要有一個(gè)指標(biāo)未達(dá)標(biāo)，就會(huì)影響手機(jī)整體性能；汽車所用傳感器的不良率必須控制在百萬分之一以下，否則一旦發(fā)生故障，后果可能是災(zāi)難性的。因此，高端設(shè)備的應(yīng)用雖然要求嚴(yán)格，但對(duì)價(jià)格的敏感度相對(duì)較低，系統(tǒng)本身的高價(jià)值使得成本增加幾元并不構(gòu)成問題。

而在全球范圍內(nèi)廣泛使用且競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域，如手機(jī)行業(yè)，隨著競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度顯著增加，對(duì)成本的控制尤為嚴(yán)格。任何成本的輕微上升均可能對(duì)產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生影響。李昕欣表示：“技術(shù)最終要服務(wù)應(yīng)用，同時(shí)還要在固定價(jià)格以內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這就需要進(jìn)行策略權(quán)衡。”

除了成本效益外，傳感器的制造、測(cè)試、多傳感器的融合都面臨著不同的挑戰(zhàn)。在制造方面，傳感器與集成電路仍然存在很多不同之處。盡管，MEMS制造技術(shù)脫胎于半導(dǎo)體的光刻、刻蝕等經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，但集成電路往往是制造平面的東西，而MEMS傳感器，如陀螺、加速度、壓力傳感器等，需要雙面加工，以形成三維結(jié)構(gòu)。光刻掩膜板是二維的平面圖形，通過加工變成三維的微小結(jié)構(gòu)。

李昕欣說到：“從二維到 2.5 維或三維本身就很復(fù)雜，這種轉(zhuǎn)變成為了技術(shù)的難點(diǎn)所在?！?/strong>制造過程的復(fù)雜性，在需要將眾多傳感器集成時(shí)，困難無疑會(huì)進(jìn)一步加劇。不同的傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的大小、薄厚等要求不一樣，如果一起制作，滿足其中一個(gè)傳感器，很有可能就達(dá)不到另一個(gè)傳感器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)?！按蠹铱偸窍氚鸭呻娐泛透鞣N傳感器全集成在一片上，理想是好的，但這樣做可能會(huì)導(dǎo)致成品率很低、制造成本過高，同時(shí)不能保證每個(gè)傳感器的性能都是按照最佳尺寸來設(shè)計(jì)。”