“微型化、可集成、可計算、低成本的MEMS氣體傳感器才能實現(xiàn)應用的突破?！?br/>

作者：李圣蓉

出品：明亮公司

！虛擬現(xiàn)實已成為新的浪潮，現(xiàn)有的技術可以讓消費者在視覺和聽覺上實現(xiàn)“身臨其境”的效果，但嗅覺領域的技術仍處在早期階段。在氣味感知領域，現(xiàn)有的氣味檢測產品，大多還停留在針對單一氣體的簡單應用。如果要實現(xiàn)模擬人類嗅覺，真正步入智能的嗅覺氣味感知，則和其他智能領域一樣，需要先從數(shù)字化入手。

中科微感，成立于2022年6月，是一家基于構建“人工嗅覺傳感器及氣味數(shù)字化技術”綜合應用開發(fā)平臺的初創(chuàng)團隊，面向汽車、消費電子、醫(yī)療、食品等多個行業(yè)，致力于引領國內氣體傳感器從“單一氣體感知”走向氣味數(shù)字化。今年7月，中科微感已完成數(shù)百萬人民幣種子輪融資，由中科優(yōu)勢、摩穆斯合伙企業(yè)投資。

中科微感生產的人工嗅覺傳感器，結合了最新的MEMS微納加工、大數(shù)據(jù)、無線通訊以及人工智能等技術，可以通過對環(huán)境中氣體的有效判別，從而逐步代替生物嗅覺，實現(xiàn)精準判別氣味的功能。

據(jù)前瞻產業(yè)研究院數(shù)據(jù)，由于智能家居、汽車電子、智慧醫(yī)療等產業(yè)處于高速發(fā)展期，2020年我國氣體傳感器相關產業(yè)的市場規(guī)模已超600億人民幣。

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以下為訪談正文（有刪節(jié)）：

Q：明亮公司

A：中科微感創(chuàng)始團隊

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創(chuàng)始團隊辦公室照片（來源：中科微感）

微型化、可集成、高一致性、低成本的MEMS氣體傳感器才能實現(xiàn)應用側較大突破

Q：氣體傳感器主要解決什么樣的需求？大概的市場規(guī)模是多少？

A：商品化的氣體傳感器最早是在上個世紀60年代出現(xiàn)的，化工領域用來檢測預警有毒有害氣體及易燃易爆氣體。發(fā)展到現(xiàn)在，氣體傳感器種類很多，技術原理角度50%以上的市場份額在于電化學氣體傳感器，常見的比如工業(yè)領域的報警、家居場景的甲醛檢測儀及機器人巡檢用到的氣體檢測。電化學氣體傳感器優(yōu)勢在于選擇性較好，不容易受環(huán)境干擾，問題在于使用周期相對較短，大部分在一年左右。電化學氣體傳感器領域，90%以上的市場份額為國外壟斷。第二大類是紅外氣體傳感器，市場占有率在25%左右，一般會被用來對二氧化碳、一氧化碳進行檢測。除了這兩大類，其他還有我們在做的半導體電導型的氣體傳感器。另外還有一些比較小眾的技術，比如光纖傳感器，用在礦山，有比較高的防爆的能力。

半導體氣體傳感器，它的優(yōu)勢在于價格比較低，制作比較簡單。但是現(xiàn)存的問題在于，第一容易受干擾，第二功耗比較大，第三也是最關鍵的是一致性有問題，解決不了一致性問題就沒辦法做新型的應用。因此半導體氣體傳感器也發(fā)展了幾代，直到現(xiàn)在的MEMS傳感器技術才提供了解決這些問題的可能性。

總的市場規(guī)模，僅氣體傳感器元件本身來說，2020年的市場大概15億不到，如果算上制成儀器儀表和相關的應用領域，國內整個產業(yè)鏈超600億。

Q：中科微感選擇的MEMS氣體傳感器有什么優(yōu)勢？

A：MEMS氣體傳感器的優(yōu)勢首先在于解決了功耗。原來的半導體傳感器功耗五六百毫瓦以上，現(xiàn)在市面上的MEMS基本做到了40毫瓦，中科微感最新的技術可以做到20毫瓦以下。低功耗的傳感器容易集成，體積較小，材料沉積的尺寸在80×80微米大小。微型化、便捷化的傳感器可以被可以用于目前一些新型的家電產品上，比如傳統(tǒng)的空氣質量檢測，或者未來各種家電的氣味監(jiān)測，如安全監(jiān)測，電器內部的焦味檢測等。

打開新的更多的應用則需建立在解決一致性、穩(wěn)定性、選擇性三個關鍵問題之上。關于一致性，MEMS結構很小，一個6英寸晶元上可以做3萬個傳感器，加工設備一般是納米級別，而實際上我們的需求只是微米級。目前材料沉積的膜層厚度控制在10-60納米之間，一個晶圓上3萬個傳感器，每個傳感器敏感膜層的厚度偏差小于3納米，這就解決了一致性。穩(wěn)定性上，半導體材料穩(wěn)定性一直比較好，可以工作5到10年。選擇性是我們目前正在做的，希望推動氣味數(shù)字化的構建，把多種不同材料組成的MEMS傳感器陣列集成在一個MEMS氣體傳感器器件內，結合我們的氣味識別數(shù)據(jù)庫，就可以產生全新的應用。

Q：具體可以應用在哪些領域？

A：在醫(yī)療領域，可以用于疾病的檢測。人體呼出來的氣體，目前已經(jīng)報道出的大概有3000多種成分，如慢性腎臟疾病會導致呼出氣體中的氨氣濃度提高，糖尿病患者呼出氣體中的丙酮類的氣體會比正常人高出上千倍，我們通過檢測這些氣體的變化來判斷健康狀況。目前我們在醫(yī)院臨床數(shù)據(jù)上，對慢性腎臟疾病患者與健康志愿者的識別準確率達到了95%以上。我們希望未來更多應用到居家的、預防性的檢測，在不久將來，完全可實現(xiàn)在手機上集成MEMS氣體傳感器，幫助監(jiān)測周邊空氣質量，或者通過呼氣監(jiān)測人體健康狀況。

比如幽門螺旋桿菌檢測，幽門螺桿菌是公認的胃癌和胃潰瘍的主要因素之一。現(xiàn)在幽門螺桿菌一臺檢測儀在醫(yī)院里面4萬左右，并且需要專業(yè)人員進行檢測，其他還需要尿素，有碳13或者碳14同位素標定，通過檢測碳同位素的含量以確定幽門螺桿菌在體內的感染程度。通過我們的技術，則可通過一臺手持式儀器直接檢測氨氣的濃度變化情況，進而檢測幽門螺桿菌，一臺儀器的成本低于千元。據(jù)了解，中國約有7億人感染幽門螺旋桿菌。目前的幽門螺旋桿菌檢測市場估算為73億，按照每次檢測100塊的價格來計算，即只進行了7000萬次檢測。如果說能用價格相對較低的產品替代，將檢測形式變?yōu)榧彝プ詼y，就完全可能覆蓋到絕大多數(shù)患者，從現(xiàn)在的7000萬次檢測可能變成7億次。

關于工業(yè)應用，目前工業(yè)領域有很多檢驗環(huán)節(jié)依靠人鼻來進行，這些都可以用人工嗅覺傳感器進行替代，就是說用多個傳感器組成陣列，結合氣味數(shù)據(jù)庫，來做一些替代。

Q：隨著氣味數(shù)字化越來越成熟，即氣味數(shù)據(jù)足夠量的收集和更多應用的落地，未來最終可能會實現(xiàn)什么樣的遠景？

A：未來5年后或者說10年后，慢慢人工嗅覺傳感器的功耗可以降到1毫瓦以下，可以結合低功耗的類腦芯片的集成取代現(xiàn)在靠計算機的CPU來處理，實現(xiàn)在便攜式電池供電的設備上進行實時分析。例如，在房間放一個，通過數(shù)據(jù)分析，能知道房間的空氣質量，而且還可分析房間內門窗是否打開、空調是否運行、以及人員個數(shù)等等。

再遠一點，如果結合到腦機接口，就可以實現(xiàn)虛擬世界氣味的模擬。人體大腦聞到氣體，其實是靠嗅覺細胞碰到相應氣味后產生的脈沖信號傳輸?shù)酱竽X里闡釋后實現(xiàn)的。因此，隨著氣味數(shù)據(jù)庫的完善，通過傳感器、類腦芯片、腦機接口的結合，可以將對應信號傳輸?shù)酱竽X來實現(xiàn)嗅覺的模擬。

自然界中的嗅覺氣味大概有2萬多種，普通人識別出來的可能有上百種。那么現(xiàn)在為什么市面上人工嗅覺傳感器應用很少，或者說成本很貴，要賣幾十萬或者十幾萬元，其實主要在于數(shù)據(jù)庫的問題。數(shù)據(jù)庫的建立和完善需要時間，而且數(shù)據(jù)庫和硬件綁在一起，如果一致性問題解決不了，一萬臺設備要做一萬個數(shù)據(jù)庫，那這是沒辦法推進的，這是一個比較大的限制。

敏感材料制備是門檻最高的關鍵技術

Q：氣體傳感器/氣味數(shù)字化的生態(tài)圈，是否已建立？

A：?氣體傳感器目前已經(jīng)比較完整，但氣味數(shù)字化只靠一個氣體傳感器是不夠的，它是一個交叉學科的系統(tǒng)。我們想實現(xiàn)未來的氣味數(shù)字化，需要材料、物理、化學、電子、信息、微納加工、半導體和集成電路等學科的技術。

Q：MEMS氣體傳感器/氣味數(shù)字化模塊目前海內外的競爭格局是怎樣的？

A：目前在做MEMS氣體傳感器的公司近100家，真正能自身生產MEMS氣體傳感器的大概有10多家，而國內真正掌握自己從敏感材料出發(fā)，掌握多種敏感材料，進行生產MEMS氣體傳感器則屈指可數(shù)。

而能達到可推廣、低成本、可商業(yè)化的智能的人工嗅覺傳感器，目前還沒有看到成熟的產品出來。有一些可以做到氣味智能感知，比如說“電子鼻”，電子鼻的定義就是利用傳感器陣列，結合一定的模式識別算法，然后實現(xiàn)一些混合氣體的識別。如果氣體傳感器陣列在制作中如果沒有解決標準化、模塊化和微型化的問題，始終體積很大，做不到便捷式的模塊，很難打開市場。

電子鼻20多年前國外就已經(jīng)有了，之前賣幾十萬美元，如今賣幾十萬人民幣，如果不能做到一兩千塊錢以內甚至幾百塊錢以內，意義都不大。如果想要做到可以運用于普通人家居里可以用的智能模塊，成本一定要降下來，才能打開更多新的應用場景。

Q：氣味數(shù)字化整個領域還處于比較早期的階段。那哪些關鍵技術的進步使這一概念的落地在現(xiàn)在成為了可能？

A：氣味數(shù)字化模塊需要的技術可以分為四大技術：第一是新型納米敏感材料可控制備技術，第二是高效納米敏感膜層可控沉積技術，第三是標準化MEMS氣體傳感陣列設計與構建技術，第四是基于智能算法的氣味識別技術。過去的單一氣體監(jiān)測的傳感器只需要前兩步技術，想要達到氣味數(shù)字化水平的模塊就需要加上第三和第四步技術。

想實現(xiàn)氣味數(shù)字化水平的模塊，MEMS結構是一個目前較好的選擇。但MEMS氣體傳感器的微熱板生產，需要MEMS加工平臺。一套MEMS微納加工平臺的投入基本要上億?，F(xiàn)在國家大力支持，很多新廠起來，對他們來說制造我們需要的MEMS結構都非常簡單。我們提出設計合作之后，人家就直接流片出來，我們把材料沉積上去，再交給別人半導體加工，這樣做完后，一個MEMS傳感器市面上價格成本一般會在兩塊錢以內。

此外，人工嗅覺需要智能算法大數(shù)據(jù)技術，數(shù)據(jù)的收集需要物聯(lián)網(wǎng)技術、需要5G網(wǎng)絡，還有邊緣云計算和云平臺等等，都是最近幾年內成熟起來，滿足了需求。

還有這幾年集成電路技術的發(fā)展，也為氣味數(shù)字化技術突破，提供了必要條件。舉個例子，15年前完成的一項電子鼻的863項目，其整個電子鼻硬件有一臺電腦主機那么大，現(xiàn)在我們可以做到指甲蓋大小。

Q：氣味數(shù)字化模塊的關鍵技術中，中科微感掌握了哪些技術？

A：中科微感是依托我們過去20多年的研發(fā)，我從本科畢業(yè)設計開始做氣體傳感器陣列，后來碩士博士一直是做電子鼻，所以里面涉及的技術我們都做過。前面提到的氣味數(shù)字化模塊需要的4大技術我們都有，中科微感擁有完整的技術包。

當然我覺得目前把我們這里每一個技術單獨拿出來，肯定國內科研院所里有比我做的強的多的人。但我們依托過去多年的積累，把這系統(tǒng)性的交叉技術全部走通，而且是真正可以去量產去推到市場的。同國內現(xiàn)有的企業(yè)相比，我們的技術是完整的，而且我們掌握了最核心的納米敏感材料的設計與陣列單元制備這塊技術。

材料是基礎。比如我們現(xiàn)在獨家開發(fā)出的電導型MEMS傳感器，對氨氣的檢測，可以實現(xiàn)低功耗，1毫瓦以下，甚至到0.1毫瓦；高選擇性，它通過捕捉氨氣分子來釋放信號，不受別的干擾；檢測限可以做到0.1ppb左右，目前市面上沒有這樣的產品?；诟咝阅艿腗EMS氣體傳感器，我們可以做一些獨特的應用。

除了剛才提到的像幽門螺桿菌檢測，腎臟疾病檢查，呼吸檢測，健康檢測，我們也可以在一些便攜式設備上做一些應用。功耗低了，我們才可以用在便攜式設備上做一些便攜式的檢測。比如說像寵物領域，養(yǎng)寵物的環(huán)境有大量的氨或硫化氫氣體，我們可以隨時檢測實施報警，這是別的產品達不到的。因為目前所有的常規(guī)的金屬氧化物的MEMS傳感器，它都需要一個預熱時間，而且受干擾。所以說我始終認為掌握敏感材料是最基礎的，你才能從底層上去配合好，降低算法數(shù)據(jù)庫的建立的難度。

Q：所以，可以理解為敏感材料是關鍵的技術壁壘？

A：對，國內很多氣體傳感器研究領域的老師都在研究材料，但很多研究出的材料并不合適。我們也走過誤區(qū)，為了發(fā)論文，研究材料把性能做得越高越好。但實際到應用端不是這個邏輯，沒有考慮到適用的問題。國內做氣體敏感材料的老師很多，我們也相信比我們做的更好的也很多。所以現(xiàn)在中科微感怎么去積累，繼續(xù)保持材料優(yōu)勢呢？我們現(xiàn)在會給國內院?；蜓芯克嚓P的老師提供標準化的測試模塊、模組，共同研發(fā)我們一起合作，再把應用端企業(yè)拉進來，我們提供老師和應用端相互合作。

Q：我們也是在通過這種方式建立一種行業(yè)標準？

A：對，我們會推進建立標準化的MEMS傳感器材料研發(fā)平臺，大家都用我們的標準化測試模塊沉積，對方只需要提供材料，然后統(tǒng)一檢測。我們現(xiàn)在也在對接不同的應用領域，把行業(yè)需求結合起來，由這些老師來參與。我們希望借這個平臺，不僅僅去做銷售，更多是希望把技術標準化。現(xiàn)在先做一個最初步的標準，能把好的技術、好的材料、好的應用端實現(xiàn)快速對接。通過這個平臺，我們會盡早發(fā)現(xiàn)優(yōu)質的技術或項目，我們會通過這個平臺將其快速完成轉化。

像醫(yī)療領域，我們在布局和醫(yī)院加強合作，在準備籌建「氣味數(shù)字化醫(yī)療實驗室」，會將做敏感材料的、做器械的、做算法AI的、以及醫(yī)院各個科室的技術人員拉進來，我們共同研發(fā)，我們公司提供這個平臺，提供標準化的檢測模塊。

為什么視覺都已經(jīng)做成數(shù)字化？因為它有統(tǒng)一的標準。而氣味這塊目前還沒有標準，太雜、很大、很散，這也是我們目前在努力去做的。我們先從研發(fā)端去提供標準化的測試標準。

氣體傳感器產品圖（來源：中科微感）

已開始售賣標準化測試模塊和儀器和定制化開發(fā)服務，將通過合作進一步推動研發(fā)

Q：中科微感如何產品化？

A：從模組到解決方案我們基本都做，因為技術是相通的。第一個，現(xiàn)在國家現(xiàn)在要求安裝天然氣報警器，這里面有很大的市場需求。我們聯(lián)系下游的客戶，對方提供晶圓，也有銷售渠道，我們直接把材料沉積完了晶圓給對方，對方來封裝切割，再對接到下游直接供應給生產天然氣報警器的企業(yè)使用。我們材料沉積一個大概賺幾毛錢，這是一個最基礎的產品。第個，我們會跟下游有特定需求的企業(yè)去共同開發(fā)模塊放到他們的設備里，然后我們會成為他的獨家供應商去賣模組。第二個，有一些企業(yè)它更愿意拿現(xiàn)成的設備，那我們可以把模組加設備直接推給他。

Q：中科微感目前已經(jīng)落地了的產品包括什么？

A：我們公司剛剛6月份才成立，所以現(xiàn)在最開始賣的是我們的標準化測試模塊和測試儀器，賣給科研院所和醫(yī)院。其次是可以替代人鼻來檢測的人工嗅覺傳感器，比如已經(jīng)開始為一些企業(yè)提供服務。此外，還跟3家企業(yè)簽署合作協(xié)議，給他們做定制化開發(fā)，將我們開發(fā)出的氣味模塊，加裝到他們現(xiàn)有的產品中，他們再去銷售。我相信這塊量起來也會非?？欤驗樗麄儸F(xiàn)有的渠道都很明確，產品也已經(jīng)有一定的量，我們的模塊放進去就是變成他們的一個新的功能。

Q：中科微感目前還在繼續(xù)攻克哪些技術或應用難題？

A：硬件模塊上做到標準化之后，我們就不會很頻繁地去做變化，至少在一年內不會做大的變化。

然后就是去對接不同場景的應用來豐富氣味數(shù)據(jù)庫，比如現(xiàn)在和醫(yī)院合作，共同研發(fā)，去做不同疾病臨床數(shù)據(jù)的積累。我們之前已經(jīng)做了慢性腎臟疾病的臨床數(shù)據(jù)，下個月要去做幽門螺旋桿菌的臨床數(shù)據(jù)，以及之后還有糖尿病的病情監(jiān)控、肺部慢阻肺等慢性疾病的病情監(jiān)控，這些都還處于研發(fā)階段。

第二個就是之前也提到的企業(yè)聯(lián)合研發(fā)，比如在汽配數(shù)字化領域涉及很多的技術，最近也是已經(jīng)開始聯(lián)系這些技術里某些比較擅長的企業(yè)來共同開發(fā)。

未來我們的氣味識別芯片與類腦芯片結合可能會成為一個比較有前景的氣味數(shù)字化的標準硬件，等到腦機接口這些技術成熟，可以共同去開發(fā)一些新的應用，真正做到氣味數(shù)字化的普及。

Q：中科微感目前的目標地域市場是國內還是海內外？

A：目前我們自己去對接的工業(yè)智能制造升級和醫(yī)療方面的客戶是面向國內的，氣體傳感器也是直接供給國內的客戶，但是他們最終的部分產品會售往國外。例如，把我們做的智能嗅覺模塊放在玩具狗里，可以讓玩具狗識別不同食品的氣味，這個市場就是在國外。

Q：中科微感在融資上有什么樣的計劃？

A：我們已經(jīng)完成了種子輪，目前在進行天使輪的融資，計劃（融資）數(shù)千萬人民幣，用于建立面向研究端的技術與應用平臺，和面向下游企業(yè)的客戶需求平臺，把平臺建立起來，同步推進產品研發(fā)量產和銷售。