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北京智能传感器发展思路研究

2022/6/30    来源:《科技和产业》    作者:马梅彦      
关键字:智能传感器  发展思路  
文章以北京市智能传感器产业发展现状为基础,梳理产业政策及相关企业,重点分析发展智能传感器产业的优势及 存在的问题,并从顶层设计、产业联盟、产业链薄弱环节布局等3个方面提出北京市发展智能传感器的思路与对策。
        随着2019年5G正式商用,智能感知互连时代已经到来。传感器作为万物互联的核心基础,对于当今信息时代的发展有着至关重要关的作用,在物联网、智慧城市、智能制造、智能汽车、人工智能等多个领域应用广泛。万物互联时代必将使智能终端大规模推广应用,传感器的市场需求也会随之急剧增加,并日益向智能化、微型化、数字化方向发展。

        传感器的发展经历了3个阶段:第1阶段是20世纪50年代发展起来的结构型传感器,这种传感器是利用结构参量变化来感受和转化信号;第2阶段是20世纪50年代发展起来的固体传感器,这种传感器是利用材料某些特性制成的,由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成;第3阶段是20世纪80年代发展起来的智能传感器,这种传感器把检测技术与计算机技术相结合,并在2000年以后得到飞速发展[1-2]。

1智能传感器概述

       智能传感器最初是由美国宇航局(NASA)在开发宇宙飞船的过程中提出的,并于1979年形成产品。目前全球对智能传感器还没有统一的科学定义。电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)从最小化传感器结构的角度,把智能传感器定义为:能提供受控量或待感知量大小且能典型且能典型简化其应用于网络环境的集成的传感器[3]。

       中国在2017年制定国家标准GB/T 33905-2017,把智能传感器定义为:具有与外部系统双向通信手段,用于发送测量、状态信息,接收和处理外部命令的传感器[4]。智能传感器具备传统传感器的优点,同时还具有信息采集处理和自动交换信息的能力,其结构包含电源单元、传感器子系统、数据处理子系统、人机接口、通信接口和电输出子系统,如图1所示。基于智能传感器的测量原理,智能传感器组成的可能不限于或不全部包含图1所示的模块。其中,传感器子系统是智能传传感器必不可少的组成部分。它的主要功能能是将被测的物理量或化学量转变为电信号,经调理和数字化后供数据处理单元使用。数据处理子系统是智能传感器的核心。它的主要功能是为人、通信接口和(或)电输出子系统的实时应用提供并处理被测量。

智能传感器的模型
图1 智能传感器的模型

       依据国家标准GB/T 33905-2017,智能传感器可以按被测量、工作原理、输出信号、工作机理、通信技术、结构组成等面进行分类[4],如图2所示。

智能传感器的分类
图2 智能传感器的分类

        20世纪50年代,人们发现半导体Si的压阻效应后开始了对Si传感器的研究工作。20世纪90年代初期,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)首次提出了微电子机械系统(MEMS)的概念,随后在Si芯片上研制成功[5]。MEMS技术融合微电子与精密机械加工技术,具有体积小、质量轻、成本低、可靠性高、可以实现批量生产、易于集成和实现智能化等优点。进入21世纪后,随着MEMS智能传感器在消费电子领域的大量应用,以微机电系统技术为基础的智能传感器为传感器的主要发展方向[6]。

2 北京市智能传感器产业分析

       2.1产业现状

       2.1.1智能传感器与智能制造

       智能传感器是信息系统的源头,是实现自动化、智能化的核心。在实现智能制造的过程中,智能传感器贯穿于数据的采集、存储、显示、监控及其它信息的集成。因此,智能制造开智能传感器。

       2014年2月,习总书记到北京考察时,明确北京科技创新中心等“四个中心”城市的战略定位,并提出构建“高精尖”经济结构的城市战略定位[7]。为贯彻习总书记重要指示精神,落实制造强国战略,2015年北京市发布了《〈中国制造2025〉北京行动纲领》(以下简称《纲领》),指出:北京加快构建“高精尖”经济结构,促进北京制造业创新发展,推动“在北京制造”向“由北京创造”转变,把北京打造成引领中国制造由大变强的先行区域和制造业创新发展的战略高地[8]。2017年北京《加快科技创新发展新一代信息技等十个高精尖产业的指导意见》,指出:未来北京将立足世界科技前沿,重点发展新一代信息技术、集成电路、智能装备产业、新材料、人工智能及科技服务业等十大高精尖产业。这一系列政策进一步强化北京市作为科技创新中心等“四个中心”城市战略定位,坚决贯彻落实国家各项产业政策。至此,智能制造已成为北京市产业发展高地。

       智能传感器作为实现智能制造的关键因素,是未来重要的战略性新兴产业,其发展水平已成为衡量一个国家是否具有国际竞争优势的重要标志。

       2.1.2 智能传感器政策分析

       北京作为全国首都,其城市定位和发展方向与国家战略息息相关;作为全国科技创新中心,新时期要求北京实现更层次的产业升级和更深层次的产业融合,这为北京智能制造发展提供了广泛的发展机遇,也为智能传感器的发展提供了广阔的空间。

       北京近年来传感器相关政策见表1,可以看出,2015-2018年,北京市共出台9项关于传感器的政策文件。从产业链方面来看,这些政策涉及到材料、芯片、器件等关键核心技术突破和产品研发;从产业化方面来看,明确提出要加强智能传感器的产业化,推进8 in微机电系统(MEMS)产线建设;从产品方面来看,涉及视觉传感器、雷达(毫米波、激光等)传感器等车用传感器,高性能光纤传感器、视觉传感器、微机电系统传感器等工业用高端传感器,电气监控传感器、空气采样传感器、感烟感温感光传感器等火灾监控传感器及图像传感器;从应用方面来看,明确提出要推进智能传感器在智慧城市、共享经济、工业互联网、物联网等领域的应用。
表1 北京市传感器政策汇总
表1

       2.1.3 智能传感器企业分析

       根据中国高端芯片联盟和中国信通院发布的智能传感器的产业地图,智能传感器产业链具体包括研发、设计、制造、封装、测试、软件、芯片及解决方案、系统/应用这8个环节。

       研究与开发是整条产业链中技术难度最大的一个环节,这一环节多由高校和研究机构承担。在设计环节,智能传感器的芯片设计需要依靠半导体集成电路设计的经验,技术壁垒很高,目前国内具有自主芯片设计能力的企业不多。在制造环节,智能传感器晶圆制造对工艺及设备要求非常高,投入资金巨大,国内绝大部分厂商都选择知名晶圆代工厂为其制造。在封装环节,越来越多的智能传感器厂商进军封装行业,但三维的微机械结构的MEMS比IC封装技术更复杂,这对企业提出了更高的要求。在测试环节中,晶圆级测试技术是智能传感器生命中周期中最关键的技术,可以验证生产可行性、降低成本、提高成品率。在软件与芯片及解决方案环节,虽然企业在传感器配套的软件环节中渗透率较低,但是在新兴应用场景中正在加速。在应用环节,国内下游应用广泛,市场需求拉动作用大。

       在工艺和技术层面上,智能传感器的设计、制造、封装以及测试这4个关键环节和半导体集成电路行业的对应环节都有许多相似之处,拥有IC经验的企业具有先天优势。

       北京市智能传感器相关机构见表2,可以看出,这些机构基本涵盖了智能传感器的全产业链,尤其在研发及制造方面具有明显优势。在研究与开发方面,除了以北京大学、清华大学等为代表的高等院校及以中科院微电子所为代表的中国科学院外,航天科技集团和中国电子科技集团公司旗下研究所也从多方面开展智能传感器的研究。

       在设计方面,博奥生物集团有限公司以生物传感器为主,北京豪威科技有限公司和北京思比科微电子技术股份有限公司以CMOS图像传感器为主,北京集创北方科技股份有限公司及北京中科汉天下电子技术有限公司以MEMS传感器为主,北京智芯微电子科技有限公司以压力传感器、加速度传感器为主,大唐半导体设计有限公司以指纹传感器为主,北京紫光展锐科技有限公司以图像传感器为主,北京华大九天软件有限公司以温度传感器、COMS图像传感器为主。
 
表2 北京市智能传感器相关机构
表2

       在制造方面,以中芯北方为代表的12英寸晶圆生产线,以燕东微电子为代表的8英寸特色工艺线和以纳微矽磊为代表的MEMS传感器芯片生产线相继在亦庄开工建设。其中,中芯北方项目扩产后产能高达12万片/月,工艺节点横跨130-14nm,产品涵盖图像传感器芯片及微型机电系统等,未来还将继续扩产至30万片/月;燕东8英寸线项目集研发、制造、封装为一体,是12英寸晶圆生产线的重要补充,为北京地区设计企业、科研院所提供试制平台,为装备和材料企业提供验证平台。项目建成后,晶圆芯片产能高达5万片/月、年封装超过23亿只集成电路产品的产业化能力。纳微矽磊将建成北京市首条引领国际标准的MEMS代工生产线,填补国内纯MEMS体硅工艺代工线空白。北京航天易联科技发展有限公司将在亦庄建设激光气体传感器生产线3条,其中自动化生产线1条,封装生产线2条,厂区配建有先进的研发实验室、校准室等区域,是涵盖研发、生产、组装、调试、运营为一体的正规化、标准化综合性基地,生产基地的启用将进一步加快科技成果转化。北京屹唐集成电路科技有限公司正在亦庄建设传感器标准厂房,建成后将为集成电路企业在图像传感器、存储器等领域的生产制造提供标准厂房空间,未来可满足月产12 in晶圆芯片5万片,可实现年产值100亿元。康斯特将在延庆县八达岭经济开发区建设MEMS传感器产线,项目建成后预计年产30万只压力传感器芯体。达产后年度销售收入约8.19亿元,净利润2.05亿元。

       北京智能制造产业的发展可以概括为以亦庄作为智能制造的主攻地区,实施“一道两区多点”建设,协同六园特色发展[9]。通过上述分析,可以看出北京市智能传感器的发展与集成电路的发展极为相似。目前,亦庄已形成集设计、制造、封测、装备、零部件及材料企业在内的完整产业链智能传感器产业基地。

       2016年,北京亦庄开始筹划建设智能传感器产业园,以MEMS领域为切入点,建设MEMS公共技术服务平台,主要包括MEMS设计服务平台、MEMS中试平台、MEMS测试服务平台、MEMS竞品分析与产品大数据库平台,形成一批规模化产品制造专用工艺。亦庄还设立100亿的传感器产业发展基金,投资集聚和升级转型一批传感器设计、应用和支撑企业。亦庄作为“三城一区”中的“一区”在北京科技创新中心建设中的地位非常重要,肩负着科技成果转化、发展高端制造业和战略性新兴产业等重要任务。未来智能传感器领域将成为亦庄“高精尖”经济结构的又一亮点。

       2.2 产业优势

       2.2.1 科技创新实力雄厚

       高素质劳动力是发展智能传感器产业的基础,丰富的智力资源优势可以转化为技术优势。北京是中国智力资源最丰富的城市和全国科技力量最集中的地区,清华大学、北京大学、北京航空航天大学、中科院微电子所、航天科技集团、中国电子科技集团公司等是国内最好的智能传感器科研创新资源。

       据北京市人力资源研究中心统计,截至2017年底,北京地区人才资源总量达到713.8万人,人才贡献率达到53%,处于全国领先水平。据统计,2018年,每万人发明专利拥有量111.2件,是全国平均水平的近10倍,位居全国第一。

       据北京市科学技术委员会2019年发布首都科技创新发展指数,北京市总指数得分从2014年的100.95分增长到2017年的122.74分,年均增长7.26分。这说明科技创新支撑北京经济社会发展力度不断加大,北京正阔步迈入以创新驱动高质量发展的新阶段。从人才资源及首都指数可以看出,北京适合智能传感器产业的发展。

       2.2.2 产业资源优势

       信息、新材料等一些重要相关产业的迅速发展,将推动智能传感器产业的快速发展,特别是微电子技术及集成电路产业将成为MEMS产业发展的重要推进器。目前,中国集成电路产业主要集中在北京和以上海为中心的长江三角洲硅基地。北京市作为全国首都,一直以来都很重视集成电路产业发展,产业规模和技术水平位居前列,尤其在设计与制造业技术处于全国领先地位,呈现以设计业为引领,制造、封测、材料与设备产业稳定增长的态势,这对智能传感器产业的发展起到积极推进的作用。

       MEMS传感器作为智能传感器重要代表,其产业对气候环境和水资源有一定的要求,因此发展该产业必须考虑自然资源因素。根据各国的选点经验,MEMS产业适合的地理位置在北纬30°-40°[10],因此,北京(北纬40度)较为合适。

       2.2. 3成果转化优势

      科学技术转化为生产力离不开政策、资金的支持与引导。为了推动高校科研院所的高水平科技成果在京落地转化,2018年北京市科委建设“科技成果转化统筹协调与服务平台”,联合高校院所与相关落地承接区,针对成果转化薄弱环节精准发力补齐短板,为成果落地提供服务保障。同年,北京市还发起“智能传感器领域高价值知识产权培育运营国家专项”,利用中央财政专项资金作引导,围绕细分领域开展高价值知识产权培育运营的专项工作,以股权投资方式入股合作机构,确保智能传感器科技成果转化落地。

       2.3 存在问题

       1)企业竞争实力不足。北京市传感器企业大部分都属于中小型企业,且大都面向中低端领域,高端产品几乎全靠进口补给,80%的芯片依赖国外。同时多数企业均引用国外的芯片加工,自主研发的产品较少,产品结构缺乏合理性,缺乏对新原理、新器件和新材料传感器的研发和产业化能力,缺乏智能传感器产业知识产权布局。

        2)产业链环节发展不均衡。虽然北京市智能传感器产业链较为完整,但是产业链各个环节发展不均衡,在研发及制造方面具有明显优势,但是在其他环节基础较为薄弱,例如设计技术、封测技术、装备技术等方面与国外水平相比存在较大差距。目前尚无一套有自主知识产权的传感器设计软件,产品可靠性比国外同类产品低1-2个数量级。

       3)缺乏高端研发人员。智能传感器包含多学科的综合技术,尤其是MEMS传感器涉及到电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多门学科,其工艺和制程每个环节都是一个难点。因此其产业的特点之一是技术密集,这就要求人才密集。虽然北京具有丰富的科研人才,但是在高端传感器领域缺研发人员和经验丰富的本土MEMS工程师。

3 北京市智能传感器产业发展思路与对策

        贯彻落实北京智能传感器产业发展的总体部署,以关键技术攻关为突破口、高端产品自主可控为主线、示范工程实施为牵引、产业平台建设为支撑,着力推进北京智能传感器核心技术突破化、高端产品自主化、产业规模引领化,形成全国具有较强影响力的智能传感器技术研发、设计、生产、制造、应用于一体的全产业链体系。

       3.1 加强产业发展顶层设计

        制定智能传感器产业相关政策措施,加强智能传感器在材料、芯片、器件、操作系统等关键核心技术突破和产品研发,在提升企业科研水平的同时,提升高端产品的自主可控率,有序推进智能传感器在智慧城市、工业互联网、共享经济、物联网等领域的应用。同时进一步加强智能传感器政策协同引导,打造产业生态体系,解决产业发展及技术应用等方面的重大问题,积极性推动产业发展。

       3.2 建立智能传感器产业联盟

       为促进北京市企业、高等院校和科研院所在战略层面有效结合,突破智能传感器产业发展的技术瓶颈和体制约束,以大学、研究所、企业及产业协会为主体,建立智能传感器产业联盟。产业联盟可以有效整合资源,聚焦产业发展存在的突出问题和薄弱环节,解决产业发展关键共性技术,着重培养高端人才,推进基础研究的成果转化,构建“产-学-研-用”一体化产业发展模式。

       3.3加强设计、芯片及测试等产业链薄弱环节的布局

       鉴于MEMS传感器与集成电路工艺的相似性,结合北京市集成电路产业结构及“高精尖”产业发展战略,加强智能传感器在设计、芯片及封测等产业链薄弱环节的布局。

       据统计,中国前十大半导体设计企业中北京企业5家,分别为紫光展锐、大唐半导体、智芯微电子、北京华大、豪威科技,这些具有集成电路设计经验的技术型企业成功切入智能传感器芯片设计领域,但是由于传感器芯片设计的技术壁垒极高,细分领域的大部分市场份额被切入较早的技术型公司占据,如意法半导体集团这样的老牌厂商。

       中国本土企业在智能传感器配套的芯片及软件环节中渗透率较低,其技术与国际水准仍有较大差距,市场基本被欧美如博世、应美盛等IDM企业垄断。在测试环节,经过20年不断发展,中国已有达到国际标准的测试工厂。例如,北京航天新锐科技有限责任公司的晶圆级测试技术处于国内领先地位,但是仍然存在准确度和一致性检验的问题。

       加强北京市智能传感器产业链薄弱环节布局,支持创新型初创企业,形成一批标志性自主创新成果,同时紧抓人工智能、5G等前沿技术领域发展机遇,实现基础理论及关键技术等方面的突破。

       参考文献
       [1] 林全.智能传感器市场投资分析报告[J].机器人技术与应用,2017(6):222.
       [2] 王洪燕,李高杰,张崇军.传感器的应用及发展研究[J]河南科技,2018(6):2-23.
       [3] IEEE 1451 Committee. Standardfor a smart transducer interface for sensors and actuators: IEEE Standard 1451.2—1997[S] Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS),1997.
        [4] 中国机械工业联合会.智能传感器:GB/T 33905—2017[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会,2017.
        [5] HEFNER A R,SINGH R,LAI J S,et al. SiC power diodesprovide breakthrough performance for a wide range of applica-donsUJ].IEEE Transactions on Power Electronics,2001,16(2):273-28.
        [6] VILNA I3. MEMS epiphany [ C]//Proceedings of the 22nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems.Sorrento:IEEE,2009,1-6.
       [7] 习近平在京考察工作 就推进北京发展和管理提出5点要求 北京要建成国际一流宜居之都:N].北京晨报,2014-2-27(A6).
       [8] 张伯旭.推动“在北京制造”向“由北京创造”转变[J].中国经贸导刊,2016(6):36-37.
       [9] 劳庆芳.智能制造:创新中心重要增长级[J].北京观察,2017(5):46-47.
       [10] 李辉华,张志宇.山西财经大学学报:创新中心重要增长级[J].北京观察,2002(24):27-30

        作者简介:马梅彦(1984—),女,河北邢台人,北京市电子科技情报研究所,助理研究员,硕士研究生,研究方向为电子信息。
       来源:《科技和产业》2002年2月第22卷第2期
责任编辑:杨培
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