中科微感团队：有气味数字化完整技术包，将改变工业领域检测模式

　　

　　“微型化、可集成、可计算、低成本的MEMS气体传感器才能实现应用的突破。”

　　作者：李圣蓉

　　出品：明亮公司

　　！虚拟现实已成为新的浪潮，现有的技术可以让消费者在视觉和听觉上实现“身临其境”的效果，但嗅觉领域的技术仍处在早期阶段。在气味感知领域，现有的气味检测产品，大多还停留在针对单一气体的简单应用。如果要实现模拟人类嗅觉，真正步入智能的嗅觉气味感知，则和其他智能领域一样，需要先从数字化入手。

　　中科微感，成立于2022年6月，是一家基于构建“人工嗅觉传感器及气味数字化技术”综合应用开发平台的初创团队，面向汽车、消费电子、医疗、食品等多个行业，致力于引领国内气体传感器从“单一气体感知”走向气味数字化。今年7月，中科微感已完成数百万人民币种子轮融资，由中科优势、摩穆斯合伙企业投资。

　　中科微感生产的人工嗅觉传感器，结合了最新的MEMS微纳加工、大数据、无线通讯以及人工智能等技术，可以通过对环境中气体的有效判别，从而逐步代替生物嗅觉，实现精准判别气味的功能。

　　据前瞻产业研究院数据，由于智能家居、汽车电子、智慧医疗等产业处于高速发展期，2020年我国气体传感器相关产业的市场规模已超600亿人民币。

　　以下为访谈正文（有删节）：

　　Q：明亮公司

　　A：中科微感创始团队

　　

　　创始团队办公室照片（来源：中科微感）

　　

　　微型化、可集成、高一致性、低成本的MEMS气体传感器才能实现应用侧较大突破

　　Q：气体传感器主要解决什么样的需求？大概的市场规模是多少？

　　A：商品化的气体传感器最早是在上个世纪60年代出现的，化工领域用来检测预警有毒有害气体及易燃易爆气体。发展到现在，气体传感器种类很多，技术原理角度50%以上的市场份额在于电化学气体传感器，常见的比如工业领域的报警、家居场景的甲醛检测仪及机器人巡检用到的气体检测。电化学气体传感器优势在于选择性较好，不容易受环境干扰，问题在于使用周期相对较短，大部分在一年左右。电化学气体传感器领域，90%以上的市场份额为国外垄断。第二大类是红外气体传感器，市场占有率在25%左右，一般会被用来对二氧化碳、一氧化碳进行检测。除了这两大类，其他还有我们在做的半导体电导型的气体传感器。另外还有一些比较小众的技术，比如光纤传感器，用在矿山，有比较高的防爆的能力。

　　半导体气体传感器，它的优势在于价格比较低，制作比较简单。但是现存的问题在于，第一容易受干扰，第二功耗比较大，第三也是最关键的是一致性有问题，解决不了一致性问题就没办法做新型的应用。因此半导体气体传感器也发展了几代，直到现在的MEMS传感器技术才提供了解决这些问题的可能性。

　　总的市场规模，仅气体传感器元件本身来说，2020年的市场大概15亿不到，如果算上制成仪器仪表和相关的应用领域，国内整个产业链超600亿。

　　Q：中科微感选择的MEMS气体传感器有什么优势？

　　A：MEMS气体传感器的优势首先在于解决了功耗。原来的半导体传感器功耗五六百毫瓦以上，现在市面上的MEMS基本做到了40毫瓦，中科微感最新的技术可以做到20毫瓦以下。低功耗的传感器容易集成，体积较小，材料沉积的尺寸在80×80微米大小。微型化、便捷化的传感器可以被可以用于目前一些新型的家电产品上，比如传统的空气质量检测，或者未来各种家电的气味监测，如安全监测，电器内部的焦味检测等。

　　打开新的更多的应用则需建立在解决一致性、稳定性、选择性三个关键问题之上。关于一致性，MEMS结构很小，一个6英寸晶元上可以做3万个传感器，加工设备一般是纳米级别，而实际上我们的需求只是微米级。目前材料沉积的膜层厚度控制在10-60纳米之间，一个晶圆上3万个传感器，每个传感器敏感膜层的厚度偏差小于3纳米，这就解决了一致性。稳定性上，半导体材料稳定性一直比较好，可以工作5到10年。选择性是我们目前正在做的，希望推动气味数字化的构建，把多种不同材料组成的MEMS传感器阵列集成在一个MEMS气体传感器器件内，结合我们的气味识别数据库，就可以产生全新的应用。

　　Q：具体可以应用在哪些领域？

　　A：在医疗领域，可以用于疾病的检测。人体呼出来的气体，目前已经报道出的大概有3000多种成分，如慢性肾脏疾病会导致呼出气体中的氨气浓度提高，糖尿病患者呼出气体中的丙酮类的气体会比正常人高出上千倍，我们通过检测这些气体的变化来判断健康状况。目前我们在医院临床数据上，对慢性肾脏疾病患者与健康志愿者的识别准确率达到了95%以上。我们希望未来更多应用到居家的、预防性的检测，在不久将来，完全可实现在手机上集成MEMS气体传感器，帮助监测周边空气质量，或者通过呼气监测人体健康状况。

　　比如幽门螺旋杆菌检测，幽门螺杆菌是公认的胃癌和胃溃疡的主要因素之一。现在幽门螺杆菌一台检测仪在医院里面4万左右，并且需要专业人员进行检测，其他还需要尿素，有碳13或者碳14同位素标定，通过检测碳同位素的含量以确定幽门螺杆菌在体内的感染程度。通过我们的技术，则可通过一台手持式仪器直接检测氨气的浓度变化情况，进而检测幽门螺杆菌，一台仪器的成本低于千元。据了解，中国约有7亿人感染幽门螺旋杆菌。目前的幽门螺旋杆菌检测市场估算为73亿，按照每次检测100块的价格来计算，即只进行了7000万次检测。如果说能用价格相对较低的产品替代，将检测形式变为家庭自测，就完全可能覆盖到绝大多数患者，从现在的7000万次检测可能变成7亿次。

　　关于工业应用，目前工业领域有很多检验环节依靠人鼻来进行，这些都可以用人工嗅觉传感器进行替代，就是说用多个传感器组成阵列，结合气味数据库，来做一些替代。

　　Q：随着气味数字化越来越成熟，即气味数据足够量的收集和更多应用的落地，未来最终可能会实现什么样的远景？

　　A：未来5年后或者说10年后，慢慢人工嗅觉传感器的功耗可以降到1毫瓦以下，可以结合低功耗的类脑芯片的集成取代现在靠计算机的CPU来处理，实现在便携式电池供电的设备上进行实时分析。例如，在房间放一个，通过数据分析，能知道房间的空气质量，而且还可分析房间内门窗是否打开、空调是否运行、以及人员个数等等。

　　再远一点，如果结合到脑机接口，就可以实现虚拟世界气味的模拟。人体大脑闻到气体，其实是靠嗅觉细胞碰到相应气味后产生的脉冲信号传输到大脑里阐释后实现的。因此，随着气味数据库的完善，通过传感器、类脑芯片、脑机接口的结合，可以将对应信号传输到大脑来实现嗅觉的模拟。

　　自然界中的嗅觉气味大概有2万多种，普通人识别出来的可能有上百种。那么现在为什么市面上人工嗅觉传感器应用很少，或者说成本很贵，要卖几十万或者十几万元，其实主要在于数据库的问题。数据库的建立和完善需要时间，而且数据库和硬件绑在一起，如果一致性问题解决不了，一万台设备要做一万个数据库，那这是没办法推进的，这是一个比较大的限制。

　　

　　敏感材料制备是门槛最高的关键技术

　　Q：气体传感器/气味数字化的生态圈，是否已建立？

　　A： 气体传感器目前已经比较完整，但气味数字化只靠一个气体传感器是不够的，它是一个交叉学科的系统。我们想实现未来的气味数字化，需要材料、物理、化学、电子、信息、微纳加工、半导体和集成电路等学科的技术。

　　Q：MEMS气体传感器/气味数字化模块目前海内外的竞争格局是怎样的？

　　A：目前在做MEMS气体传感器的公司近100家，真正能自身生产MEMS气体传感器的大概有10多家，而国内真正掌握自己从敏感材料出发，掌握多种敏感材料，进行生产MEMS气体传感器则屈指可数。

　　而能达到可推广、低成本、可商业化的智能的人工嗅觉传感器，目前还没有看到成熟的产品出来。有一些可以做到气味智能感知，比如说“电子鼻”，电子鼻的定义就是利用传感器阵列，结合一定的模式识别算法，然后实现一些混合气体的识别。如果气体传感器阵列在制作中如果没有解决标准化、模块化和微型化的问题，始终体积很大，做不到便捷式的模块，很难打开市场。

　　电子鼻20多年前国外就已经有了，之前卖几十万美元，如今卖几十万人民币，如果不能做到一两千块钱以内甚至几百块钱以内，意义都不大。如果想要做到可以运用于普通人家居里可以用的智能模块，成本一定要降下来，才能打开更多新的应用场景。

　　Q：气味数字化整个领域还处于比较早期的阶段。那哪些关键技术的进步使这一概念的落地在现在成为了可能？

　　A：气味数字化模块需要的技术可以分为四大技术：第一是新型纳米敏感材料可控制备技术，第二是高效纳米敏感膜层可控沉积技术，第三是标准化MEMS气体传感阵列设计与构建技术，第四是基于智能算法的气味识别技术。过去的单一气体监测的传感器只需要前两步技术，想要达到气味数字化水平的模块就需要加上第三和第四步技术。

　　想实现气味数字化水平的模块，MEMS结构是一个目前较好的选择。但MEMS气体传感器的微热板生产，需要MEMS加工平台。一套MEMS微纳加工平台的投入基本要上亿。现在国家大力支持，很多新厂起来，对他们来说制造我们需要的MEMS结构都非常简单。我们提出设计合作之后，人家就直接流片出来，我们把材料沉积上去，再交给别人半导体加工，这样做完后，一个MEMS传感器市面上价格成本一般会在两块钱以内。

　　此外，人工嗅觉需要智能算法大数据技术，数据的收集需要物联网技术、需要5G网络，还有边缘云计算和云平台等等，都是最近几年内成熟起来，满足了需求。

　　还有这几年集成电路技术的发展，也为气味数字化技术突破，提供了必要条件。举个例子，15年前完成的一项电子鼻的863项目，其整个电子鼻硬件有一台电脑主机那么大，现在我们可以做到指甲盖大小。

　　Q：气味数字化模块的关键技术中，中科微感掌握了哪些技术？

　　A：中科微感是依托我们过去20多年的研发，我从本科毕业设计开始做气体传感器阵列，后来硕士博士一直是做电子鼻，所以里面涉及的技术我们都做过。前面提到的气味数字化模块需要的4大技术我们都有，中科微感拥有完整的技术包。

　　当然我觉得目前把我们这里每一个技术单独拿出来，肯定国内科研院所里有比我做的强的多的人。但我们依托过去多年的积累，把这系统性的交叉技术全部走通，而且是真正可以去量产去推到市场的。同国内现有的企业相比，我们的技术是完整的，而且我们掌握了最核心的纳米敏感材料的设计与阵列单元制备这块技术。

　　材料是基础。比如我们现在独家开发出的电导型MEMS传感器，对氨气的检测，可以实现低功耗，1毫瓦以下，甚至到0.1毫瓦；高选择性，它通过捕捉氨气分子来释放信号，不受别的干扰；检测限可以做到0.1ppb左右，目前市面上没有这样的产品。基于高性能的MEMS气体传感器，我们可以做一些独特的应用。

　　除了刚才提到的像幽门螺杆菌检测，肾脏疾病检查，呼吸检测，健康检测，我们也可以在一些便携式设备上做一些应用。功耗低了，我们才可以用在便携式设备上做一些便携式的检测。比如说像宠物领域，养宠物的环境有大量的氨或硫化氢气体，我们可以随时检测实施报警，这是别的产品达不到的。因为目前所有的常规的金属氧化物的MEMS传感器，它都需要一个预热时间，而且受干扰。所以说我始终认为掌握敏感材料是最基础的，你才能从底层上去配合好，降低算法数据库的建立的难度。

　　Q：所以，可以理解为敏感材料是关键的技术壁垒？

　　A：对，国内很多气体传感器研究领域的老师都在研究材料，但很多研究出的材料并不合适。我们也走过误区，为了发论文，研究材料把性能做得越高越好。但实际到应用端不是这个逻辑，没有考虑到适用的问题。国内做气体敏感材料的老师很多，我们也相信比我们做的更好的也很多。所以现在中科微感怎么去积累，继续保持材料优势呢？我们现在会给国内院校或研究所相关的老师提供标准化的测试模块、模组，共同研发我们一起合作，再把应用端企业拉进来，我们提供老师和应用端相互合作。

　　Q：我们也是在通过这种方式建立一种行业标准？

　　A：对，我们会推进建立标准化的MEMS传感器材料研发平台，大家都用我们的标准化测试模块沉积，对方只需要提供材料，然后统一检测。我们现在也在对接不同的应用领域，把行业需求结合起来，由这些老师来参与。我们希望借这个平台，不仅仅去做销售，更多是希望把技术标准化。现在先做一个最初步的标准，能把好的技术、好的材料、好的应用端实现快速对接。通过这个平台，我们会尽早发现优质的技术或项目，我们会通过这个平台将其快速完成转化。

　　像医疗领域，我们在布局和医院加强合作，在准备筹建「气味数字化医疗实验室」，会将做敏感材料的、做器械的、做算法AI的、以及医院各个科室的技术人员拉进来，我们共同研发，我们公司提供这个平台，提供标准化的检测模块。

　　为什么视觉都已经做成数字化？因为它有统一的标准。而气味这块目前还没有标准，太杂、很大、很散，这也是我们目前在努力去做的。我们先从研发端去提供标准化的测试标准。

　　

　　气体传感器产品图（来源：中科微感）

　　

　　已开始售卖标准化测试模块和仪器和定制化开发服务，将通过合作进一步推动研发

　　Q：中科微感如何产品化？

　　A：从模组到解决方案我们基本都做，因为技术是相通的。第一个，现在国家现在要求安装天然气报警器，这里面有很大的市场需求。我们联系下游的客户，对方提供晶圆，也有销售渠道，我们直接把材料沉积完了晶圆给对方，对方来封装切割，再对接到下游直接供应给生产天然气报警器的企业使用。我们材料沉积一个大概赚几毛钱，这是一个最基础的产品。第个，我们会跟下游有特定需求的企业去共同开发模块放到他们的设备里，然后我们会成为他的独家供应商去卖模组。第二个，有一些企业它更愿意拿现成的设备，那我们可以把模组加设备直接推给他。

　　Q：中科微感目前已经落地了的产品包括什么？

　　A：我们公司刚刚6月份才成立，所以现在最开始卖的是我们的标准化测试模块和测试仪器，卖给科研院所和医院。其次是可以替代人鼻来检测的人工嗅觉传感器，比如已经开始为一些企业提供服务。此外，还跟3家企业签署合作协议，给他们做定制化开发，将我们开发出的气味模块，加装到他们现有的产品中，他们再去销售。我相信这块量起来也会非常快，因为他们现有的渠道都很明确，产品也已经有一定的量，我们的模块放进去就是变成他们的一个新的功能。

　　Q：中科微感目前还在继续攻克哪些技术或应用难题？

　　A：硬件模块上做到标准化之后，我们就不会很频繁地去做变化，至少在一年内不会做大的变化。

　　然后就是去对接不同场景的应用来丰富气味数据库，比如现在和医院合作，共同研发，去做不同疾病临床数据的积累。我们之前已经做了慢性肾脏疾病的临床数据，下个月要去做幽门螺旋杆菌的临床数据，以及之后还有糖尿病的病情监控、肺部慢阻肺等慢性疾病的病情监控，这些都还处于研发阶段。

　　第二个就是之前也提到的企业联合研发，比如在汽配数字化领域涉及很多的技术，最近也是已经开始联系这些技术里某些比较擅长的企业来共同开发。

　　未来我们的气味识别芯片与类脑芯片结合可能会成为一个比较有前景的气味数字化的标准硬件，等到脑机接口这些技术成熟，可以共同去开发一些新的应用，真正做到气味数字化的普及。

　　Q：中科微感目前的目标地域市场是国内还是海内外？

　　A：目前我们自己去对接的工业智能制造升级和医疗方面的客户是面向国内的，气体传感器也是直接供给国内的客户，但是他们最终的部分产品会售往国外。例如，把我们做的智能嗅觉模块放在玩具狗里，可以让玩具狗识别不同食品的气味，这个市场就是在国外。

　　Q：中科微感在融资上有什么样的计划？

　　A：我们已经完成了种子轮，目前在进行天使轮的融资，计划（融资）数千万人民币，用于建立面向研究端的技术与应用平台，和面向下游企业的客户需求平台，把平台建立起来，同步推进产品研发量产和销售。