【導讀】進(jìn)入2023年，傳感器企業(yè)密集上市迎來(lái)了爆發(fā)，僅上半年就已有9家傳感器企業(yè)上市。在近期這些上市或準備上市的傳感器企業(yè)中，大部分來(lái)自MEMS傳感器領(lǐng)域，譬如中芯集成、芯動(dòng)聯(lián)科、高華科技、明皜傳感、歌爾微電子、矽?？萍?、天箭慣性……MEMS傳感器企業(yè)幾乎占據半壁江山。
目前，MEMS技術(shù)已寫(xiě)入國家“十四五”規劃等重要政策文件中，各地方政策對MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)扶持力度也非常大，上馬建設多條MEMS產(chǎn)線(xiàn)/中試線(xiàn)，中國傳感器產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的春天，MEMS技術(shù)對傳感器產(chǎn)業(yè)的影響至關(guān)重要。
本文是3年前中國科學(xué)院院士尤政對我國傳感器產(chǎn)業(yè)的看法和評價(jià)，當時(shí)尤政院士已指出MEMS技術(shù)是傳感器重要的發(fā)展方向和趨勢，并建言我國大力發(fā)展MEMS產(chǎn)業(yè)，其中提到的一些問(wèn)題和矛盾如今依然尖銳。
專(zhuān)家檔案
尤政 ，中國工程院院士，華中科技大學(xué)校長(cháng)，中國儀器儀表學(xué)會(huì )第九屆理事長(cháng)，中國微米納米技術(shù)學(xué)會(huì )理事長(cháng)，主要研究方向為微米納米技術(shù)、智能微系統技術(shù)及其應用。
《微納電子與智能制造》：您多年從事智能微系統與 MEMS 技術(shù)的基礎和應用研究 ，請跟大家分享一下您的研究成果和研究過(guò)程中的故事和體驗。
尤政院士：我們團隊是國內最早的從事智能微系統 、MEMS 方面研究的團隊之一 ，在前沿科學(xué)問(wèn)題、關(guān)鍵核心技術(shù)以及工程實(shí)踐方面都取得了一些創(chuàng )新成果。
（1）MEMS傳感器及微系統
創(chuàng )建了可擴展的高端 MEMS 器件加工平臺 ，解決了系列高端 MEMS 器件加工的難題，“面向典型器件的體硅 MEMS 加工平臺及其應用”于 2019 年獲高 等學(xué)?？茖W(xué)研究?jì)?yōu)秀成果獎技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
完成了 MEMS 繼電器、RF MEMS 開(kāi)關(guān) ，用于環(huán)境感知的 MEMS 智能感知微系統 ，惡劣環(huán)境下的 MEMS 高溫無(wú)線(xiàn)傳感微系統 ，MEMS 掃描鏡及目標探測微系統，微型 MEMS 儲能器件及能源微系統等。
其中超高過(guò)載自供電 MEMS 傳感器及集成微系統在國內首次通過(guò)實(shí)測驗證，填補國內空白，相關(guān)技術(shù)被國內多家重點(diǎn)單位應用并產(chǎn)業(yè)化，“基于微納米技術(shù)的新型超級電容器及其實(shí)現”獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。
（2）空間微系統及微納航天器
提出高精度姿態(tài)/軌道測量新方法并研制了MEMS磁敏感器、MIMU 慣性微系統、MEMS太陽(yáng)敏感器 、納\皮型星敏感器等空間微系統 ，相關(guān)成果填補了多項國內空白，已在探月工程、高分專(zhuān)項等國家重大工程以及國內外百余顆型號衛星中得到應用推廣，并實(shí)現了出口歐、美、日等國。
在我國率先開(kāi)展了微納航天器的技術(shù)創(chuàng )新與工程實(shí)踐 ，首次將三軸穩定方式用于 25 kg 以下的微小衛星，成功研制并運行了國內第一顆納型衛星 NS-1 衛星，也是當時(shí)世界上在軌飛行的最小“輪控三軸穩定衛星”（2004 年）。
2015 年研制并發(fā)射了 NS-2（10 公斤量級）MEMS 技術(shù)試驗衛星 ，成功開(kāi)展了基于 MEMS 的空間微型化器組件試驗研究。NS-2 衛星的有效載荷包括納型星敏感器 、低功耗 MEMS 太陽(yáng)敏感器 、硅基 MEMS 陀螺 、MEMS 石英音叉陀螺 、MEMS 磁強計 、北斗- II/ GPS 接收機等自主研發(fā)的 MEMS 器件及微系統。
同時(shí)還成功研制并發(fā)射皮型 ZJ-1（100 克量級）MEMS 技術(shù)試驗衛星，采用單板集成的綜合電子系統，搭載試驗商用微型 CMOS 相機，MEMS 磁強計、新型商用電子元器件。
“先進(jìn)空間光學(xué)敏感器技術(shù)”2012 年獲 國家技術(shù)發(fā)明二等獎“，先進(jìn) MEMS 衛星設計制造關(guān) 鍵技術(shù)及應用”2019年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。
（3）生物檢測微系統方面
圍繞細胞分選檢測、生物分子檢測、人工聽(tīng)覺(jué)微系統等方向，突破了高通量細胞圖形化、片上細胞聚焦分選、耳蝸內聲電混合刺激、高時(shí)空分辨率相位差 分檢測等一批具有自主知識產(chǎn)權的關(guān)鍵技術(shù) ，取得了一批原創(chuàng )性成果 ，研制了具有世界一流水平的高通量原位細胞多模式檢測系統、流式細胞儀、系列流 式細胞檢測芯片等檢測儀器 ，打破了相關(guān)領(lǐng)域國際 廠(chǎng)商的技術(shù)封鎖和壟斷。
總之 ，面向國家安全和醫療健康領(lǐng)域的重大需求，經(jīng)過(guò)多年持續的努力，我們取得一系列具有國際先進(jìn)水平的科研成果，部分技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位， 其中多項核心技術(shù)尚屬?lài)H首創(chuàng )。
《微納電子與智能制造》：傳感器技術(shù)與計算機技術(shù)、通信技術(shù)作為現代信息技術(shù)的三大支柱，也是計算機技術(shù)與通信技術(shù)的基礎 ，核心傳感器的元器件更是工業(yè)基石 ，請您簡(jiǎn)要介紹一下近些年智能傳感器與 MEMS 技術(shù)研究和發(fā)展的重要歷程及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)。
尤政院士：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) ，傳感器的重要性體現在：它是信息獲取的源頭 、物理世界與數字世界的接口。傳感器可以把環(huán)境中的物理、化學(xué)量等被測信息轉化為電信號 ，而 MEMS 技術(shù)則可將傳感器中機械結構與電路系統通過(guò)規?；圃旃に嚰稍谛?片上 ，因而 MEMS 技術(shù)是傳感器的使能技術(shù)。
在 “MEMS”一詞出現之前 ，深硅刻蝕、諧振器、電容檢測等 MEMS 技術(shù)就早已應用于微傳感器中；隨著(zhù) 20 世紀 90 年代以來(lái)的 MEMS 技術(shù)快速發(fā)展期 ，基于 MEMS 技術(shù)的各種微傳感器大發(fā)異彩 ，已經(jīng)成為傳感器技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向與發(fā)展趨勢。
進(jìn)入新世紀 ，特別是近 10 年以來(lái) ，微電子 、MEMS、光電子技術(shù)的不斷突破 ，人工智能 、無(wú)線(xiàn)通訊等科技的興起 ，智能微系統技術(shù)又成為了智能傳感器的關(guān)鍵核 心技術(shù) ，推動(dòng)傳感器在社會(huì )生產(chǎn)生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)講 ，早期的智能傳感器大都是指傳統傳感器加入處理器 ，帶有數據處理功能的傳感器；發(fā)展到現在，隨著(zhù) MEMS 技術(shù)、通訊技術(shù)、 計算機技術(shù)，特別是微系統技術(shù)、人工智能等前沿技 術(shù)的交叉融合，基于微系統技術(shù)的智能傳感器，不僅具有傳感、處理、通訊等功能，還能實(shí)現自供電、自組網(wǎng)、自校準、自學(xué)習等智能化的功能、性能。
基于微系統技術(shù)的智能傳感器將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，除了航空航天、高端裝備等事關(guān)國防安全、重大工程的國家戰略領(lǐng)域之外，在醫療健康、汽車(chē) 電子、消費電子、物聯(lián)網(wǎng)等事關(guān)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展及民生領(lǐng)域等也都離不開(kāi)智能傳感器。
《微納電子與智能制造》：目前中國智能微系統與 MEMS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中 ，核心關(guān)鍵的傳感元器件的發(fā)展還存在發(fā)展瓶頸，然而機會(huì )與挑戰并存，請您介紹一下中國在該領(lǐng)域的發(fā)展面臨怎樣的瓶頸和挑戰，有哪些發(fā)展機遇，該如何進(jìn)行突破？
尤政院士：傳感器作為“工業(yè)基石”，是各類(lèi)產(chǎn)業(yè)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎，作為“性能關(guān)鍵”，將直接決定重大裝備和整機產(chǎn)品的性能、質(zhì)量，那么基于微系 統技術(shù)與 MEMS 技術(shù)的智能傳感器也必將成為構筑未來(lái)智能社會(huì )基礎設施、工業(yè)基礎支撐體系、各類(lèi)裝備產(chǎn)品的關(guān)鍵。
然而由于我國目前微系統與智能傳 感器領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展滯后 ，中高端傳感器受制于人 ，已經(jīng)成為“卡脖子”障礙。
我國自主生產(chǎn)的傳感器已完全可以滿(mǎn)足低端市場(chǎng)的需求 ，然而在中高端市場(chǎng)上，超過(guò)60%的市場(chǎng)份額被國外愛(ài)默生、 西門(mén)子、博世、意法半導體、霍尼韋爾等外國巨頭占據，特別是高端產(chǎn)品幾乎全靠進(jìn)口，80%的傳感器芯片依賴(lài)國外。
目前，我國主要面臨以下挑戰與瓶頸問(wèn)題：
（1）在研究主體方面，國內主要集中在高等院校與研究所，而國外還包括眾多有實(shí)力的公司和企業(yè)；
（2）在研發(fā)投入方面，國內微系統與智能傳感器制造的專(zhuān)門(mén)設施較少，研發(fā)投入也較少，而國外基本都具備比較完善的開(kāi)放生產(chǎn)線(xiàn)（平臺），同時(shí)投入大量研發(fā)經(jīng)費；
（3）在傳感器芯片方面，由于工藝成熟度與傳感器專(zhuān)用試驗設施的不足，國內差距明顯，特別是中高端芯片；
（4）在制造與集成工藝方面，尚無(wú)微系統制造與集成的國產(chǎn)化關(guān)鍵設備，與國外仍有較大差距；
（5）在產(chǎn)業(yè)化方面，國外多家公司已具備批生產(chǎn)能力，而國內總體處于集成、封裝及工程化的初級階段。
至于對策 ，除了針對上述差距與問(wèn)題落實(shí)有針對性的措施之外 ，還要圍繞智能微系統這一顛覆性關(guān)鍵技術(shù) ，把握技術(shù)發(fā)展趨勢 ，搶占未來(lái)技術(shù)制高點(diǎn)，催生大批升級換代甚至變革行業(yè)的新產(chǎn)品，為相關(guān)傳統產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展提供新機遇。
在設計、制造、 測試等共性基礎技術(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)力，在感知、處理、通訊、執行、供能等重要關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)突破 ，同時(shí)在感知智能微系統、空間智能微系統、生化分析微系統、新概念智能微系統等前沿方向布局 示范。
《微納電子與智能制造》：智能微系統與 MEMS 技術(shù)的發(fā)展需要政策支持、技術(shù)創(chuàng )新、成果轉化、應用創(chuàng )新等產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同合作 ，請問(wèn)您對其發(fā) 展中產(chǎn)學(xué)研用的合作模式有哪些建議?
尤政院士：一方面，學(xué)科深度交叉融合的特點(diǎn)決定了智能微系統與 MEMS 技術(shù)的人才門(mén)檻、資金門(mén)檻、技術(shù)門(mén)檻均較高；另一方面產(chǎn)業(yè)環(huán)節多 ，細分技 術(shù)譜系廣 ，導致智能微系統的投資回報周期比較長(cháng)。
因此 ，只有打通技術(shù)、機構、資金之間的條框與分割 ，整合重組各類(lèi)創(chuàng )新要素 ，推動(dòng)機制創(chuàng )新、模式 創(chuàng )新和管理創(chuàng )新，加強復合型人才培養，才能應對上述挑戰。
統籌各項創(chuàng )新要素及科技計劃。形成智能微系 統領(lǐng)域的高校-研究所-企業(yè)-政府的互動(dòng)機制，推進(jìn) 學(xué)術(shù)-技術(shù)-產(chǎn)品-用戶(hù)-金融等產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、 資金鏈的生態(tài)建設 ，充分統籌國家、地方、機構等各級科技規劃 ，發(fā)揮相關(guān)戰略規劃管理機構與各級專(zhuān) 家咨詢(xún)委員會(huì )的智力及影響力作用 ，支撐智能微系統領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展。
支持打造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)平臺。針對智能微系統 技術(shù)體系中產(chǎn)業(yè)相關(guān)性強的共性關(guān)鍵技術(shù)，如設計、 制造、測試等，支持平臺性研發(fā)機構建設，開(kāi)展共性 基礎理論、關(guān)鍵核心技術(shù)、共性軟硬件產(chǎn)品及其創(chuàng )新 研發(fā)工作，推進(jìn)智能微系統技術(shù)生態(tài)可持續發(fā)展。
推動(dòng)智能微系統技術(shù)的產(chǎn)品示范應用。提升智能微系統技術(shù)解決方案的供給能力 ，推進(jìn)感知智能 微系統等目前的典型智能微系統技術(shù)在航空航天、 高端裝備、能源交通、工農業(yè)生產(chǎn)等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮積極作用；加快智能微系統技術(shù)在醫療健康 、汽車(chē)電 子、消費終端、物聯(lián)網(wǎng)+等領(lǐng)域的規模應用；探索新概 念智能微系統技術(shù)的顛覆性應用 ，為未來(lái)社會(huì )生活 方式的發(fā)展變革提供技術(shù)儲備。
加大復合創(chuàng )新型人才培養力度。設立智能微系統相關(guān)的跨學(xué)科門(mén)類(lèi)培養機制，擴大相關(guān)本科生、研究生招生規模；加強智能微系統的職業(yè)教育與工程教育；加強教學(xué)、科研與產(chǎn)業(yè)的融合，培養多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉的復合型人才；通過(guò)多種機制和特支政策支持，吸引國內外智能微系統領(lǐng)域的高層次人才；改革評價(jià)機制，加強扶持力度，使得青年科技人員能夠長(cháng)期、穩定開(kāi)展研究。
《微納電子與智能制造》：請您預判一下未來(lái)幾年國內外智能微系統與 MEMS 技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。
尤政院士：準確的技術(shù)預測有點(diǎn)兒難度，就好比我們在幾年以前智能手機剛出現的時(shí)候 ，來(lái)預測現今智能手機在生活中的地位與作用。不過(guò)一些發(fā)展 趨勢還是已有呈現的，前面已經(jīng)提到過(guò)一些，這里再談一下。
智能微系統技術(shù)已經(jīng)呈現出很強的學(xué)科獨立特征和系統層次上的內在特性 ，從理論、設計、制造到集成、封裝、測試、應用開(kāi)發(fā)都形成了獨特的理論和方法體系的雛型；由于智能微系統涉及的學(xué)科和技術(shù)門(mén)類(lèi)眾多，交叉融合性極強，還處于學(xué)科體系發(fā)展的初級階段 ，一些重要的共性基礎問(wèn)題與關(guān)鍵核心技術(shù)需要突破。
（1）架構與設計方法：跨尺度、多層級、全能域的建模方法與模擬仿真手段 ，基于多學(xué)科優(yōu)化思想的 設計理論、方法、工具，如：智能微系統 EDA 工具等， 均是設計方面的重要技術(shù)趨勢 ，通過(guò)逐步建立智能 微系統設計的 IP 數據庫 ，來(lái)實(shí)現智能微系統的數字 化敏捷開(kāi)發(fā)。
（2）先進(jìn)制造與集成技術(shù)：探索智能微系統中微 納尺度的力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁兼容等基礎 理論，明晰微尺度效應與宏觀(guān)、介觀(guān)效應的區別與聯(lián) 系；突破三維集成 、異質(zhì)/異構集成 、芯粒集成 ，以及 面向場(chǎng)景的訂制化集成等關(guān)鍵技術(shù)；解決材料、結構 與器件、芯片、互連、接口等微系統部/組件在應用環(huán) 境下的熱匹配、熱隔離、熱傳導、電隔離、電連接、電 磁兼容等集成技術(shù)難題；形成滿(mǎn)足智能微系統快速、 靈活需求的先進(jìn)制造技術(shù)體系。
（3）測試技術(shù)與標準化：由于智能微系統的特征 尺度在微米納米量級 ，系統組成復雜 ，功能種類(lèi)繁多，傳統測試分析手段面臨很多挑戰。因此，發(fā)展涵蓋機理-材料-工藝-器件-模塊-微系統等多個(gè)層面 ， 以及力-熱-電-磁-光-生-化等多參量 ，且與設計 、制 造、集成、封裝等環(huán)節緊密結合的測試理論、方法及 手段至關(guān)重要。
此外 ，深入理解智能微系統中模塊 化功能單元、加工工藝以及材料之間的相互影響，并進(jìn)行概念、術(shù)語(yǔ)、接口的標準化 ，加快技術(shù)體系與測 試體系的規范化 ，是智能微系統的重要發(fā)展趨勢與必由之路。
來(lái)源：《微納電子與智能制造》2020年第4期、傳感器專(zhuān)家網(wǎng)（由動(dòng)感傳感整理）
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