無人駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、可穿戴設(shè)備和機(jī)器人等無疑是未來最重要的新技術(shù)發(fā)展方向，將構(gòu)成人類社會從信息社會轉(zhuǎn)變到智能社會的物質(zhì)基礎(chǔ)，必將對人類社會產(chǎn)生深刻的影響。

信息與智能社會的發(fā)展，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)以及傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展。其中微型化的集成智能傳感器，將是智能社會區(qū)別于信息社會的標(biāo)志性器件。在信息社會，信息的來源主要是計(jì)算機(jī)終端通過人工方式采集和輸入；而在智能社會，是信息獲取件，主要是集成智能傳感器。這些傳感器就像人們的“五官”，不斷將各種環(huán)境狀態(tài)信息采集到電腦系統(tǒng)中，為各種智慧系統(tǒng)輸入大數(shù)據(jù)。可以預(yù)見，集成智能傳感器將逐漸從信息技術(shù)發(fā)展中的“配角”變?yōu)椤爸鹘恰保瑢⒊蔀楦鱾€發(fā)達(dá)國家進(jìn)行技術(shù)角逐的技術(shù)高點(diǎn)之一。新型集成智能傳感器的市場已經(jīng)逐漸成為各種創(chuàng)新型企業(yè)乃至傳統(tǒng)大型企業(yè)爭奪的熱點(diǎn)。可以說，信息技術(shù)和智能社會的演變以及未來社會的需求為傳感器的發(fā)展帶來了良好的前景與機(jī)遇，為傳感器的創(chuàng)新提高了極大的想象空間，也對集成傳感器的研究和生產(chǎn)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。 

什么是集成智能傳感器

集成智能傳感器是指利用現(xiàn)代微加工技術(shù)，將敏感單元和電路單元制作在同一芯片上的換能和電信號處理系統(tǒng)。敏感單元包括各種半導(dǎo)體器件、薄膜器件和MEMS器件，其功能是將被測的力、聲、光、磁、熱、化學(xué)等信號轉(zhuǎn)換成電信號，相當(dāng)于人類能對環(huán)境進(jìn)行感知的五官：光學(xué)傳感器如同人類的眼睛，可以看到周圍環(huán)境；聲傳感器相當(dāng)于人類的耳朵，可以聽到周圍環(huán)境的聲音；氣體傳感器則相當(dāng)于人類的鼻子，可以測量環(huán)境的“氣味”即化學(xué)成分；化學(xué)傳感器相當(dāng)于人類的舌頭，可以感知化學(xué)物質(zhì)的酸堿鹽成分；而各種力學(xué)傳感器則相當(dāng)于人類的肢體手足，可以感知壓力及速度等力學(xué)參數(shù)的大小。實(shí)際上，智能傳感器的感知范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類的感知能力。如光學(xué)傳感器的探測范圍可以從x射線、紫外線、可見光直至紅外、遠(yuǎn)紅外直到T赫茲波段，而且智能傳感器也比人類的感官更加精確，因?yàn)楝F(xiàn)代傳感器是數(shù)字化、智能化的?，F(xiàn)代傳感器不僅包括敏感單元，同時也包括由現(xiàn)代集成電路構(gòu)成的信息處理單元，包括信號拾取、放大、濾波、補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等。集成智能傳感器是現(xiàn)代傳感器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，其演進(jìn)的步伐緊跟集成電路的發(fā)展道路。

早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家就開始了基于硅技術(shù)的傳感器研究。20世紀(jì)70年代，美國斯坦福大學(xué)、歐洲代爾夫特（Delft）大學(xué)等就開展了集成傳感器的探索研究，探索將溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器與簡單的CMOS讀出電路進(jìn)行集成制作。20世紀(jì)80年代中期，在硅半導(dǎo)體集成電路技術(shù)巨大成功的啟發(fā)下，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展以及為了迎接各種新型能量/信號變換的需要，美國伯克利大學(xué)加州分校的學(xué)者提出了MEMS的概念，其主要目的是制作可動的硅微機(jī)械部件并將其與微電子集成電路制作在一起，形成微電子機(jī)械系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，不僅包含有電子電路，同時含有必要的機(jī)械運(yùn)動部件（傳感器及執(zhí)行器）；直徑只有50微米的微型馬達(dá)的成功制作，是該技術(shù)成功的標(biāo)志。在全球大學(xué)中包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院等單位研究人員的共同努力下，MEMS技術(shù)隨后飛速發(fā)展，研究出了多種基于不同物理和化學(xué)原理的新型MEMS傳感器，包括加速度傳感器、壓力傳感器、麥克風(fēng)等。2000年前后，隨著移動通信技術(shù)和智能手機(jī)市場的發(fā)展，以微型化為特點(diǎn)的MEMS傳感器產(chǎn)品市場得以迅速發(fā)展，其中主要產(chǎn)品是硅麥克風(fēng)、加速計(jì)和陀螺儀及壓力傳感器。

隨著材料技術(shù)和微加工技術(shù)的發(fā)展，目前集成傳感器正在智能傳感器系統(tǒng)迅速發(fā)展，主要包括以下幾個方面：其一是系統(tǒng)化，即在電路方面不但包括模數(shù)部分，同時包含數(shù)據(jù)部分、邏輯計(jì)算，未來還要包含天線和無線收發(fā)單元；其二是多功能化，比如一個集成傳感器模塊可以同時感測溫度、濕度、壓力等多種變量；其三是陣列化，陣列化不但是某些應(yīng)用領(lǐng)域如光學(xué)傳感器、紅外傳感器等的內(nèi)秉需求，結(jié)合新的算法也可以為傳感器賦予新的功能，如氣體傳感器、聲學(xué)傳感器等可以增加測量內(nèi)容，提高感測信息的豐度；其四是智能化，即傳感器不僅是硬件的結(jié)合，更是軟硬件的結(jié)合。智能傳感器早已有之，但是同時集信息的采集、調(diào)理、傳輸于一體的高度集成的智能傳感器尚在發(fā)展之中。

集成智能傳感器發(fā)展機(jī)遇

 

2010年前后，MEMS傳感器市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到100億美元。據(jù)預(yù)測，這一市場的規(guī)模在2020年將達(dá)到200億美元以上。與此同時，利用其他技術(shù)和原理的薄膜技術(shù)、CMOS技術(shù)的新型傳感器也不斷推向市場。據(jù)有關(guān)報道，我國的傳感器市場在2014年也已經(jīng)突破1000億元人民幣。從一般的經(jīng)濟(jì)規(guī)律來看，200億美元的傳感器市場至少可以帶動2000億美元的應(yīng)用系統(tǒng)市場，并將最終為上萬億的IOT市場提供物理基礎(chǔ)。

隨著人們在人工智能技術(shù)（AI）、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、無人駕駛技術(shù)（包括飛機(jī)和汽車）和通信技術(shù)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，新技術(shù)的發(fā)展不僅為集成傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊市場的空間，同時也為之提供了新的發(fā)展平臺。這就是技術(shù)發(fā)展史上的“交叉推動”作用。以5G通信為例，該技術(shù)將在2020年前后得到推廣。5G技術(shù)將提供更快達(dá)到毫秒級的接入速度、1GPBS的高速數(shù)據(jù)流量和局域數(shù)十萬的接入節(jié)點(diǎn)。當(dāng)5G通信為萬物互聯(lián)提供技術(shù)基礎(chǔ)建立以后，人類是否真正進(jìn)入IOT時代的關(guān)鍵因素就在于是否能實(shí)現(xiàn)滿足各種要求（環(huán)境、可穿戴、工農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療等）的低成本高性能的無線傳感節(jié)點(diǎn)（WSN）。估計(jì)到2030年，地球上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器將有上萬億顆，平均每人擁有數(shù)顆傳感器。加上天上人間的無人機(jī)和無人駕駛機(jī)器人市場，可以說智能傳感器的市場前景不可估量。

如果說智能社會的發(fā)展為智能傳感器的發(fā)展提供了技術(shù)趨勢的歷史性機(jī)遇，我國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展則為智能傳感器的發(fā)展提供了巨大的環(huán)境機(jī)遇。從以《中國制造2025》為代表的一系列戰(zhàn)略規(guī)劃的制定，都可以看到國家和政府對智慧系統(tǒng)、智能傳感器技術(shù)前所未有的重視。中央政府和各地地方政府對物聯(lián)網(wǎng)、智慧系統(tǒng)的建設(shè)以及對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的鼓勵，必將對中國智能傳感器技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動作用?？偠灾?，集成智能傳感器產(chǎn)業(yè)作為技術(shù)產(chǎn)品在中國遇到了發(fā)展中最好的“時空機(jī)遇”。

集成傳感器技術(shù)面臨挑戰(zhàn)

 

集成智能傳感器技術(shù)的發(fā)展也為大規(guī)模集成電路技術(shù)進(jìn)入后摩爾時代提供了有力的支持。后摩爾時代的集成電路不僅需要有對信息的計(jì)算和儲存功能，同時要有對信息感知、傳輸和執(zhí)行的功能。未來集成智能傳感器不但是傳感器技術(shù)和集成電路技術(shù)的會師，也是人類各種知識、各種技術(shù)的大匯聚。包括物理、化學(xué)、生物原理的運(yùn)用，MEMS/NEMS技術(shù)和集成電路技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)的整合，以及含有不同算法的軟件和硬件的結(jié)合。集成智能傳感器的發(fā)展不可能“單兵獨(dú)進(jìn)”，仍然以MEMS集成智能傳感器為例，200億美元是每年不可缺少的。數(shù)十億美元的加工設(shè)備和材料需求，這就需要進(jìn)行材料、設(shè)備等領(lǐng)域的全面突破，才能占領(lǐng)智能傳感器領(lǐng)域的制高點(diǎn)。由此可見，使我國在以MEMS傳感器為主的集成智能傳感器技術(shù)得到穩(wěn)步發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前我國的集成傳感器市場蓬勃發(fā)展，集成智能傳感器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)研究方興未艾。國內(nèi)基于MEMS和半導(dǎo)體的創(chuàng)新型企業(yè)如雨后春筍，出現(xiàn)了多家在國際上名列前茅的知名傳感器產(chǎn)品系統(tǒng)供應(yīng)商，但是在集成傳感器核心技術(shù)和高性能芯片制造方面，和國際知名企業(yè)如Bosch、ST、InvenSense等尚有不小的差距。如果我們在傳感器發(fā)展的技術(shù)戰(zhàn)略上沒有很好的布局，很可能會重蹈20世紀(jì)八九十年代集成電路領(lǐng)域的覆轍，起個大早、趕個晚集。全面發(fā)展集成智能傳感器需要應(yīng)對一系列挑戰(zhàn)：包括如何獲得原創(chuàng)性技術(shù)突破，利用新原理、新材料、新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有自主產(chǎn)權(quán)的新型傳感器；如何完善集成傳感器生產(chǎn)和加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，以構(gòu)建一流的MEMS加工制造企業(yè)為核心，帶動材料、設(shè)備、封裝企業(yè)的發(fā)展；如何進(jìn)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗、現(xiàn)場即用的低成本無線集成智能傳感器系統(tǒng)。

集成智能傳感器技術(shù)的突破與發(fā)展

 

集成智能傳感器技術(shù)的突破與發(fā)展需要抓住一點(diǎn)兩面，以市場和機(jī)遇為制高點(diǎn)，從基礎(chǔ)原創(chuàng)和產(chǎn)品集成兩個方面同時入手。在基礎(chǔ)原創(chuàng)方面，需要進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，發(fā)揮廣大科研企業(yè)研發(fā)人員的協(xié)同作用，面對市場需求，發(fā)揚(yáng)科學(xué)精神和工匠精神，在我國集成傳感器現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，努力工作、大膽創(chuàng)新，利用新原理、新材料，進(jìn)行原創(chuàng)性研發(fā)，實(shí)現(xiàn)適合未來智能傳感器的原創(chuàng)性突破，各種二維新材料、量子電子器件、生物分子器件的發(fā)展為上述突破提供了新的空間。中國綜合科技實(shí)力已經(jīng)得到國際承認(rèn)，上述突破的實(shí)現(xiàn)指日可待。在產(chǎn)品集成技術(shù)方面，需要國家的戰(zhàn)略布局和資金的合理運(yùn)用。中國政府和學(xué)術(shù)界、企業(yè)界有廣泛的互動，相信會制定出合理的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。而實(shí)現(xiàn)低成本高性能的集成傳感器，從目前來看最好的解決方案是SoC（System on a Chip）。已經(jīng)發(fā)展前CMOS或者后CMOS工藝的MEMS集成傳感器方法，但是實(shí)現(xiàn)真正的SoC集成傳感器尚需時日。業(yè)界廣泛認(rèn)為，目前SiP（System in Packaging）是實(shí)現(xiàn)集成傳感器的最佳方法。SiP是指將多個具有不同功能的模擬電路、數(shù)字電路、射頻無源器件以及 MEMS傳感器、半導(dǎo)體傳感器或其他器件優(yōu)先組裝到一起進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。已經(jīng)在無線通信、汽車電子、醫(yī)療電子、計(jì)算機(jī)、軍用電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。面向未來智能系統(tǒng)需求的SiP，需要將無線通信系統(tǒng)集成在一起，這就是WSIP系統(tǒng)。WSIP系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)存在。這就是業(yè)界已經(jīng)研究多年的RF MEMS（射頻微機(jī)電系統(tǒng)），該技術(shù)是運(yùn)用MEMS技術(shù)制作用于射頻和微波領(lǐng)域的MEMS器件。主要的RF MEMS器件包括電容、電感、開關(guān)、諧振器以及基于上述器件的RF MEMS模塊單元及系統(tǒng)包括RF MEMS移相器、衰減器、濾波器、智能天線等。從20世紀(jì)90年代提出開展RF MEMS研究以來，RF MEMS在開關(guān)、濾波器、振蕩器的器件和應(yīng)用方面已經(jīng)取得巨大進(jìn)步。

將集成電路技術(shù)、RF MEMS技術(shù)和集成傳感器技術(shù)結(jié)合，制作新一代無線集成智能傳感器，將是未來智能社會的必然選擇，有巨大的產(chǎn)品市場和創(chuàng)新空間。

作者：劉澤文，清華大學(xué)教授、博導(dǎo)。畢業(yè)于中國科技大學(xué)、法國巴黎十一大學(xué)，曾任清華大學(xué)微電子研究室副主任，研究所副所長等。主要研究方向?yàn)槲㈦娮庸に嚭推骷EMS和傳感器。