国家智能传感器创新中心:物联网会走得更快

2020-06-15 22:05:26 admin 18

对于大众来说,传感器和物联网并不是新名词,但很少有人真正了解它们。作为信息时代的感知层,传感器是海量数据的接收和传递信息的入口,是万物互联的重要基础。

其中,MEMS传感器作为国际竞争战略的重要标志性产业,以其技术含量高、市场前景广阔等特点备受世界各国的关注。近十年来,中国MEMS传感器产业生态系统也正逐步完善,从研发、设计、代工、封测到应用,完整产业链已基本形成,国家对MEMS传感器行业也给予了前所未有的政策支持。

MEMS传感器是物联网、智能制造的基础,国家智能传感器创新中心副总裁、中国传感器与物联网产业联盟副秘书长朱佳骐告诉《创业圈》记者:“虽然物联网还有一定距离,但至少基本条件是具备了,我们的判断是物联网会走得更快。”

从业15年,朱佳骐见证了MEMS传感器兴起的整个历程。由于起步较晚且工艺较成熟,该领域国内与海外的差距并不像IC那么大,“而大量应用在中国,我们有很好的土壤去让它发展,希望能够帮助中国的半导体产业换道超车。”

2007年兴起

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanicalSystem),微机电系统是指可批量制作的,将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集于一体的微型器件或系统。

通俗地讲,它是利用传统的半导体工艺和材料,用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术。所以它是以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术平台。MEMS是一个综合学科的行业,涵盖力学、材料学、化学、电学等多学科,需要长期的经验积累,对工艺的要求极为苛刻。

MEMS传感器的兴起始于2007年。这一年,苹果发布了划时代的新产品iPhone,手机没有了实体按键,通过手指就可以精准地操作,智能手机由此诞生。“这是MEMS传感器最大的市场,全球智能机生产现在每年是大约14亿部,每个手机上大概有10个传感器,这是百亿级出货量的市场,”国家智能传感器创新中心相关负责人(下称“该负责人”)对《创业圈》表示,“虽然汽车上的传感器更多,越好的汽车传感器越多,人性化做得越好,一辆车可能有几十、上百个传感器,但由于一年大概生产7800万辆汽车,在总量上仍然比不过手机。”

这也是为什么要把传感器做得更小的原因,“手机就这么大,不做小是放不进去的”,比如手机中最常见的传感器麦克风,一台手机有3-5个,再比如更小的蓝牙耳机,集成了6-7个传感器。该负责人认为,只有做得足够小,才能整合到智能手机等产品中;而如果没有这么小的传感器,像智能手机、蓝牙耳机等一些非常好的应用也无法迅速兴起。

能做到足够小,是由于MEMS传感器大部分是硅基材料制成,在8英寸(约200毫米直径)的硅晶圆上,可以集成成千上万个传感器,以疫情期间常用的红外线温度传感器为例,8英寸的晶圆上可以切割出16000个传感器。同时,硅基材料还有成本低廉的优点,硅元素可以从二氧化硅中大量提取,而二氧化硅就是最常见的建筑材料—沙子。

与世界上的行业巨头相比,国内传感器产业仍存在很大差距,这种差距的形成一方面源于国内产业起步较晚,另一方面则是人才匮乏。

该负责人表示:“实际上也并没有那么晚,20世纪50年代国内就有人在做半导体了,但由于多方面的原因进展缓慢,而MEMS传感器真正的爆发是从2007年开始的,因此与国外的差距相对没有那么大。”

同时,半导体产业有一个规律,“研发投入非常大,但是一旦量产,如果有大量的市场规模可以把研发成本平摊掉,它的成本可以很低。为什么会很低?因为原材料硅来源于沙子”。

物联网将走得更快

传感器的重要性毋庸置疑,它是所有智能化的起步入口,数据的来源,所有的新的智能化应用都和传感器有关系。如果说在人工智能时代,芯片和深度学习相当于心脏和大脑的角色,那么传感器就相当于我们的眼睛、鼻子、耳朵、舌头等等。“如果连数据输入都没有,就谈不上通信、计算。”

这也是物联网发展必要的核心技术之一,该负责人认为,物联网的两大核心技术平台是传感和通信。

物联网万物互联的概念在10年前就很火热,但实际上当时不管从传感器还是通信网络都没有准备好。“要把‘物’联进网络,要符合两个特性:一是低功耗、二是便宜。你愿意花3000元买一部手机,但如果将一把椅子加上传感器接入网络,可能只愿意花一两块钱;你愿意每天给手机充电,但你即使每周给椅子充一次电也许都不愿意。”

业内对物联网应用基本可以归纳为六大应用场景,分别是智慧城市、智能家居、智能工业、车联网、智慧穿戴、智能医疗。

但现实是,真正的物联网时代还没有到来,而如果要开启万物互联的时代,传感器是首先要解决的问题,同时,一些通信的国际组织针对物联网也提出了一些协议,例如NB-IoT。该负责人认为:“虽然物联网还有一定距离,但至少基本条件是具备了,我们的判断是物联网会走得更快。”

蓝牙音箱、智能门锁是物联网领域典型的应用单品,开始出现后在很短的时间内销售上亿元,智能家居、环境监控、农业、医疗等都在往物联网的方向发展。虽然广义的物联网时代还处于准备阶段,但一旦出现标志性成体量的东西会迅速爆发。这一点,我们与国外面临的现状是同步的。

“这也是我们认为物联网在中国可能会更有优势的原因。因为中国整个市场非常大,而且非常愿意接受新鲜事物,所以我们一直觉得物联网的兴起一定是在中国,而不是在欧美。”

平台+联盟

物联网会首先在中国兴起另一个重要原因,在于政府方面的支持,“一些市政建设,比如水电煤三表的抄送、5G智能灯杆等,都是政府出钱来做的,这种投入在海外是没有的。” 该负责人说。

国家智能传感器创新中心便是在中国工业和信息化部的指导下,于2018年6月成立的。创新中心以关键共性技术的研发和中试为目标,专注传感器设计集成技术、先进制造及封测工艺,布局传感器新材料、新工艺、新器件和物联网应用方案等领域。

国家智能传感器创新中心致力于先进传感器技术创新,联合传感器上下游及产业链龙头企业开展共性技术研发,形成“产、学、研、用”协同创新机制,打造世界级智能传感器创新中心。

“按照工信部的设想是公司+联盟的模式,公司有12个股东,都是行业里各个领域的领头羊,覆盖了全国主要的产业区域,能够代表行业内主流的技术和想法,但这还不够,还有一个联盟去团结行业内更多的企业。”该负责人介绍。

创新中心运营的中国传感器与物联网产业联盟成立于2016年,目前会员数量超过1000家,联盟会员类别覆盖了芯片设计、制造、封装测试、系统集成、物联网行业应用、产业资本全产业链生态圈,联盟发挥产学研资源优势,加速我国物联网核心技术的发展,推动智能传感、大数据、云计算、人工智能的生态体系建设。

“这1000多家企业中有300-400家是真正传感器半导体本行业的企业,剩余大量的公司都是应用端企业,各个应用领域的领头羊几乎都是我们的会员,包括华为、大疆、海尔、比亚迪、上汽、中电网、中车等。”该负责人表示,联盟的主要目的是打通核心技术和应用端,打造上下游生态圈。

创新中心以“平台+联盟”模式运行。中国传感器与物联网产业联盟会员来自产业链各领域的代表企业,发挥产学研资源优势,加速我国物联网核心技术的发展,推动智能传感、大数据、云计算、人工智能的生态体系建设。创新中心的成员单位来自联盟内的龙头成员单位,包括研发平台、芯片设计、封装制造、系统应用和产业基金,吸引全球顶尖人才团队,带动中国智能传感产业实现“换道超车”。

以这样的模式来打造产业生态圈,也做了诸多具体的工作,“一是依托联盟做了一个展会sensor China,现在是传感器领域全球第二大展会,也是为大家做了一个展示和国际交流的平台;二是制定行业标准;三是今年启动了行业评奖,此外还有组织海外交流、对联盟企业的服务等”。

同时,创新中心联合产业链上下游共同组建了联合实验室,研发传感器关键共性技术与行业应用传感器融合系统解决方案,为传感器的技术创新和标准化提供高效研发实验环境和产业合作环境。联合实验室已完成在智能驾驶、工业物联网、环境安全监测、智慧家居、智慧农业、智慧医疗等领域的系统级解决方案展示及验证实验室。

有希望换道超车

国家智能传感器创新中心落地在上海嘉定区。2019年年底,嘉定区发布了《关于进一步鼓励嘉定区发展智能传感器产业的意见》,帮助嘉定建设1000亿级集成电路和物联网产业集群。

嘉定已经在集成电路和智能传感领域建立了丰富的产业经济基础、丰富的科研资源和良好的示范应用范围。在下一阶段,嘉定将继续完善产业链和工业生态学,关注重点领域加强前瞻性布局,加强关键核心技术的努力。上海加快建设智能传感器工业园区、智能科学和创新城镇以及其他平台和载体。同时,嘉定区也将继续改善营商环境,努力加快一批重点项目建设,为产业发展提供更好的服务和更便利的环境。

嘉定区提供的政策支持包括企业投融资、降低成本、研发创新、规模发展、人才集聚、合作交流六个方面。企业从注册、项目实施到后期发展都有优惠的政策支持。到2025年,嘉定区与智能传感器芯片相关的智能硬件产业产值将突破1000亿元,成为上海、长三角乃至全国的传感器与智能硬件产业高地。

目前,国内MEMS传感器在市场占有率和技术先进性上,与国外差距仍然较为明显。该负责人表示:“在全球MEMS传感器排名前30名中,只有2―3家是中国企业,而这两三家的技术含量跟海外相比也是有差距的,它们体量大,销售额很大,但核心技术可能不在这些企业手上。”

“不过,在后几代的一些新的传感器上,我们和海外的差距反而没那么大,比如一些新材料,尽管仍然有一些劣势。”该负责人指出,“传感器从迭代、技术含量上,它的门槛并没有IC那么高,集成电路还涉及最先进的设备、最新型的材料。传感器相对好一些,主要以8英寸为主,从半导体制造工艺上来说是相对成熟的。从这个角度来说,中国和海外的差距并不是跨不过去的。”

“另一个优势在于,传感器只是一个器件,但它和物联网的应用是紧密绑定的,如果这些应用在中国兴起,这个新增市场海外是竞争不过我们的。”该负责人说。

目前,创新中心有40多位员工,其中60%―70%是研发人员,研发线仍在建设当中。该负责人希望,创新中心能成为传感器领域“最好的研发机构,最强的创新中心”,“我们希望在半导体领域能够换道超车,因为在MEMS传感器和先进传感器,我们的差距和海外并没有那么大,而大量应用在中国,我们有很好的土壤去让它发展,希望能够帮助中国的半导体产业换道超车。”

那我们还需要多久才能赶上海外领先者?该负责人认为:“通过国家的支持和持续投入,经过5-10年的努力,在传感器领域基本能够赶上全球最先进的这些企业,甚至在细分领域成为领先者,这是有可能的。”


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