傳感器產(chǎn)業(yè)智能化進程，美國版集中資源辦大事
在深圳重點發(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)是個挺有意思的產(chǎn)業(yè)，大眾對這個產(chǎn)業(yè)并不太了解，業(yè)內(nèi)卻認為其極為重要。智能傳感器是當代物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，在我們生活中處處可見，從智能手機、汽車雷達、智能家居到萬物互聯(lián)、不斷提高我們生活體驗；它也是數(shù)字經(jīng)濟的源頭活水，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)濟提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
我國傳感器產(chǎn)業(yè)與美國有著巨大差距，根據(jù)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?nèi)绻J真分析美國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程就會發(fā)現(xiàn)：傳感器產(chǎn)業(yè)智能化進程，就是美國版的集中資源辦大事。
傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。早期傳感器主要是機械式測量儀器，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，就是機械式傳感器弊端的真實寫照。
上世紀30年代末，由美國Persimmons和A.C.Ruge制造出第一批應(yīng)變計，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。它的原理是：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時,其電阻值隨著它所受機械變形變化而發(fā)生變化，利用電阻分壓電路來就可以計算出受力。
60年代，在第一代結(jié)構(gòu)型傳感器經(jīng)驗基礎(chǔ)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，高校及科研院所實驗室不斷實驗，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、光和聲強等。
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科理論及基礎(chǔ)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)和銷售過程，也存大量不確定和商業(yè)風險。70年代后期，隨著集成技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(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，形成獨立產(chǎn)品或模塊銷售。
這二個階段都是正常的產(chǎn)品升級換代，企業(yè)發(fā)揮了主導作用，按市場需求進行研發(fā)設(shè)計、產(chǎn)品改進、成本降低和全面商業(yè)化，進程緩慢周期較長，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(guī)模小，研發(fā)能力弱等，我國傳感器產(chǎn)業(yè)當下面對的問題，為什么美國傳感器產(chǎn)業(yè)后來會開掛一般發(fā)展起來？
80年代，為了應(yīng)對冷戰(zhàn)，里根總統(tǒng)提出了星球大戰(zhàn)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(guī)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(gòu)的傳感器技術(shù)的發(fā)展。
冷戰(zhàn)期間，美蘇儲備了足以毀滅全世界的核武器，為應(yīng)對對方先發(fā)制人的核彈打擊，美國的策略是反導系統(tǒng)、加強通訊和計算機聯(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)的點錯了科技樹，對國家來說，后果是非常嚴重的。
應(yīng)對反導和戰(zhàn)爭需求，美軍重點發(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時市場需求的，民間剛開始集成化，智能傳感器就橫空出世了。在軍事上，目標是運動的，怎樣根據(jù)運動的目標軌跡調(diào)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。
比如響尾蛇導彈要先發(fā)現(xiàn)20公里以外的一個熱源，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，而當對方飛機進行閃避動作時，還要進一步進行反應(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。
這種智能傳感器對外界信息具有一定檢測、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力，是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在軍方推進下，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(shè)計、制造、封測、應(yīng)用和配套工藝技術(shù)很快探索出來?；诟咂瘘c，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，用戶使用數(shù)量巨量，批量制造后，價格不斷下降，普通用戶也能夠承擔得起了。
比如說：我們現(xiàn)在上網(wǎng)的無線傳感器，最早用于戰(zhàn)場偵察和監(jiān)視；自動感應(yīng)開燈的紅外線傳感器，軍事上用于空對空導彈，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(zhàn)計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，其民用化后帶來極大的用戶體驗，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)普及帶來了消費電子和物聯(lián)網(wǎng)的繁榮，微電子機械系統(tǒng)(MEMS)開始成為傳感器產(chǎn)業(yè)新的驅(qū)動力。
這種共性技術(shù)紅利，推動商用應(yīng)用，又推動產(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年開發(fā)出侵入式腦機接口，3072個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，又會鞏固美國在醫(yī)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)崛起的真實原因。我們建議應(yīng)該將其發(fā)展歷程劃分為四個階段，觀察美國主導的傳感器產(chǎn)業(yè)，以便進一步分析其發(fā)展規(guī)律。
美國獲得主導地位以后，總是強調(diào)自由市場和自由競爭，刻意的隱藏了一些歷史和事實，宣導對其有利的規(guī)則。在國內(nèi)，也有一些企業(yè)家和學者，對中國地方政府制定產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展規(guī)劃提出質(zhì)疑，認為會導致產(chǎn)業(yè)過剩并會影響企業(yè)公平競爭，這其實是沒有深入的解讀產(chǎn)業(yè)政策，也有被美國經(jīng)濟學家洗腦原因。
這一次，拜登總統(tǒng)簽署《2022年芯片和科學法案》，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(zhuǎn)移到美國去，同時限制芯片企業(yè)在中國投資。法案還授權(quán)撥款約2000億美元，用于促進美國在人工智能、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，其民用化后帶來極大的用戶體驗，被稱為傳感器革命。在這個領(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)，將會鞏固其智能傳感器的優(yōu)勢。
而MEMS(微機電傳感器) 應(yīng)該歸為第四代傳感器，MEMS是微機械與微電子結(jié)合產(chǎn)物，利用MEMS技術(shù)對傳感器進行改進，用微機械結(jié)構(gòu)來感知運動、聲音、射頻變化，成為新升級方向。MEMS器件的特征長度從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，隨著納米材料突破，在未來生物科技、電子五官、機器人、萬物互聯(lián)等產(chǎn)業(yè)上會有更大的應(yīng)用前景。
MEMS通常是一個包含有動能、彈性形變能、靜電能或靜磁能等多個能量域的復雜系統(tǒng)，在這個階段，我國和德國憑借智能制造和工程師優(yōu)勢，將有機會反超。
傳感器與通信、計算機被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，其應(yīng)用涉及國民經(jīng)濟及國防科研的各個領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，是未來產(chǎn)業(yè)必爭之要地。
美國遵循先軍工后民用、先改進后普及的發(fā)展模式，我們可以借鑒，和平時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(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)，實現(xiàn)高端設(shè)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(yīng)；以十億級用戶大市場為依托，未來國民級產(chǎn)品的為突破點，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，歡迎共同探討。
