尤政院士谈中国制造与传感器/MEMS的发展前景

　　我国的传感器产业和我国制造业的状况几乎是一样的特点：1.产业规模进入了世界前列。我们有很多是世界排在第一的，但大都是中低端产品。2.我们的产业布局基本形成，什么传感器都有。3.中低档产品基本满足市场需求，通过合资和自己研制，基本能满足国内需求，严格地说还存在供给过剩的问题。4.通过多年的研发，我们的研发能力显著进步，有一些高端传感器已经做到了样机阶段。

　　当然我们面临的问题也一样。首先，产业集中度低，中低档产能过剩，原因是我们没有形成产业集群，没有在产品聚集、地区聚集上做好，产品很分散，提到一个产品不知道在什么地方，但是在国外，很可能一类传感器相对集中在一座城市或者一家大公司里，就比较容易形成规模效应。

　　其次，研发和自主创新能力比较薄弱，核心技术受制于人，我们的很多传感器是买国外的传感器元件，拿来组成一个系统，并没有自己去研发传感部分。

　　第三是行业共性技术研究缺位。在国外甚至现在的美国也有一些高端战略技术是国家出钱研究的，有国家研究院和一些公共的实验条件是国家承担的，我们国家以前也有，不过在1995年以后基本上由于体制改革，这些企业都不承担国家的责任，跑到市场经济的前沿去了，这对我国传感器行业的进步还是影响很大的，特别是高端传感器，比如高温压力传感器，你用国产的，出了问题，你要担当责任，买国外的出了问题没事。如果我们有国家的机构，能够去按照客观的测试办法来进行测试，由测试机构来担当使用的责任，那么我们的大企业就会愿意去用，这样才能促进国有企业的发展。

　　最后是政策缺位。我们国家的建设重点主要是在整机上面，补贴整机较多，对元器件的补贴很少。因为有首台战略，但没有首个传感器战略。建议传感器方面，如果你要去购买国外的，你要拿出1/3的价格建立传感器基金，如果你的产品能够替代国外产品，那么用户买一件国货国家可补贴1/3，所以两个1/3可从经济和市场角度能起很大的作用。

2.1 传感器技术发展趋势

　　传感器技术的发展也有几条。第一，产品技术与智能化技术相互融合的水平相结合，数据的处理、无线信号的传输、自校准技术已经很普遍了。

　　另外，传感器变成模块化、组合化、集成化得到高度重视。以前一个传感器不能解决的问题，通过多个传感器的模块化组合可以来解决了。过去我们看一个物体的特性是靠单一化的指标，现在通过多指标来确认你的环境特征。

　　第三，高性能和环保成为行业的主题，因为我们是后来者，不可能按照以前的老路再走一遍，所以我们要重视性能和环保问题。

　　最后，新材料、新工艺的使用是传感器革命性的进步。比较典型的是MEMS传感器，如果用硅来做，通常做到400~600℃就到极限了，但是碳化硅把性能可提高到1200~1800℃，因此随着材料技术的进步，对我们行业技术的发展可能是颠覆性的。

　　传感器的智能化、无线化等体现在哪几个方面?微型化MEMS技术集成化怎么去做产量的融合?最后还有多样化等等，需要各种各样的先进技术的使用。

　　所以从传感器的发展技术路线图看，从分立式的传感器到机械式的集成传感器、MEMS传感器，将来可以做到单片集成传感器、无线传感器，一直到最后的iSensor(智能传感器)(如图2)。

　　以上是从传感器维度来看。如果我们从另外一个维度——信息技术的维度看(图3)，摩尔定律预言集成电路(IC)上可容纳的晶体管数目每18个月就翻番，到目前为止，我们已接近特征尺寸的极限，在进行“超越摩尔定律”的探索，即从系统的角度走，把传感器、电源、信号传输等等一起集成，我们的发展空间还很大，增长的速度会很高，这可能是行业很重要的一个发展方向。所以从需求和信息获取的技术进步来看，传感器和微系统技术都是革命性的和颠覆性的技术。

2.2 MEMS传感器

　　MEMS传感器和IC芯片最大的区别，MEMS是可动结构，利用微纳加工技术同时加工出机械结构和电路系统。我们最早做MEMS时，总以为MEMS结构像制造业是由零件组成的，实际上不是，它是通过工艺--很复杂的转动和平动，都是用一个零件，所以与以往是根本不同的。当然我们还有自校准等工艺和设计是不一样的，所以从MEMS技术出现了以后，整个世界都在小型化，从微能源到生物、射频等领域都在MEMS化、小型化的改造。例如1995年时听说智能灰尘，大家觉得这个不太可以，但是到了前年(2014年)，美国已经应用了智能灰尘，只有5毫克重，1.2立方毫米，上面有厚膜电池、超级电容器、太阳能电池、陀螺仪、红外传感器、振动传感器，还有激光通讯等，这么小小一个东西，有这么多功能，反映了微系统或传感器发展的未来前景很大。

　　当然MEMS传感器技术的特点也有几条。首先是微型化、低成本、功耗低、高可靠。像我们现在做的MEMS陀螺仪，最高可以做到每小时1°，稍微差一点的，每小时10°，成本大概不到一千元。但是我们现在有的国内厂子在做，每小时30°的陀螺仪现在还卖到五万元一支，一年也就生产两三百只，所以一个硅圆片上的MEMS产品数量就接近该企业一年的产量。这是颠覆性技术的特点。

　　第二点是高精度。陀螺仪现在国外可以做到每小时0.01°，如果它能够实现的话，基本上光纤陀螺也没了，如果现在的加速器可以做到3×10-8g，这不仅仅是高精度。另外还有芯片级原子钟，现在欧洲已经可以买了，一千欧元就可以买到1小时内阿伦方差10-13的芯片原子钟，使GPS的导航精度大大提高。我们现在的时钟大概是10-6、10-9到10-13，半年校准一次，也有每周校准一次的。

　　另外是高集成。国外有2公斤的卫星就可以把姿态回归轨道全部解决，还有相控阵雷达的阵列可以做到导弹里。所以MEMS技术精准度可以很高。

　　MEMS还有一个技术特点——高性能，例如微硅惯性器件(陀螺/加速度计)可以承受20万g的过载，而我们有些武器系统能打得很远，但是过载很大，10万g时传感器不能用了，但MEMS传感器可以用，为什么?从物理上，根据牛顿第二定律：F=ma，m(物体质量)变小了，所以它的破坏力变小了。另外，硅的机械常数等特性要比铁、钢高得多，也会提升性能。

　　最近一家美国公司介绍其智能片，使所有的发动机片厂都有传感和无线信号的布局，所以发动机一开，所有发动机的参数都可以传出来，它可以抗恶劣环境，温度最高耐1800℃，压力超过300个标准大气压，冲击接近5万g都能工作，反映了现在传感器和智能化的水平之高超。

　　在武器装备方面，美国称90%的MEMS器件可对武器制造改进，最新资料显示火箭弹已经可以改造了，每小时5°的陀螺仪可以做进去了;世界上最小的导弹——长矛已经出现，只有771克，长42.7厘米，直径40毫米，射程2公里，杀伤半径10米，放在枪上就可以射击，把复杂的导弹已经微缩到变成枪流弹的水平。当然更多打法还是在制导子弹，子弹可以转弯了。这些都源于传感器，特别是MEMS技术带来的进步。

　　在汽车行业，需要约三百多个传感器，高档车约有80%可以用MEMS技术来做。

　　物联网更是依赖于传感器，物联网最底层的技术就是信息传感采集技术，比如智能停车场，生产的智能管理，还有环境的监测，医疗资源的调配等，这些都是和MEMS相关。

　　MEMS传感器应用非常广泛，医疗方面，从拍摄、便携式、可穿戴式到植入式大概有45亿美元的市场，治疗糖尿病需要测眼压，可以做在博士伦等隐形眼镜上，像美国的智能鞋可以扫雷，走过之后地雷就出来了，还有很多编织物，例如衣服可以传感人的信息，还有各种各样的可穿戴电池、能发电的鞋子、脑信号/脑控服务机械设备，还有芯片上的器官/肺/肾等会出现。最新颖的是通过电脑阵列可以读人——把这个人的存储器读了。另外是消费电子，消费电子大概有30亿美元的市场规模，各种各样。

2.3 我国传感器发展

　　传感器的发展还是从两个维度解决：技术的推动和市场的需求。国内的MEMS主要集中在科研院所和大学(表3)，真正完全的单片层的MEMS传感器技术中国还没有。原因是这涉及到一系列的研究突破。好在最近我们还是有所进步，我们已有一批中试线、生产线、代工线和产业公司(表4)。经过20年的奋斗，我们的MEMS传感器已处于曙光阶段。

　　尤政院士也是淄博高新区MEMS研究院院长，介绍了在淄博投资3亿元建立的6英寸与8英寸兼容的生产线[2]，加速度计和陀螺仪产品已下线。微纳制造、器件与系统协同创新中心是由教育部的清华、北大、上交大、东南大学等六所高校，以及航空、航天、兵器等部委的研究所共同在淄博开展项目的研发。

3 对“核心传感器技术”上升为国家“制造强国”、“工业强基”战略的建议

　　1.传感器需要上升到国家战略，因为传感器不是靠市场规律就可以做的，需要国家行为和市场行为结合起来，这是传感器行业的特点。

　　2.把重点突破和行业整体水平提升相结合，既需要世界知名的百年老店，同时为提高我国整体传感器的水平，也需要有若干专精特小企业共同支撑。

　　3.进行市场竞争和政府引导相结合。在国内若干地区建立若干基地，进行人才培养等。

　　传感器不好做，需要联合。欧洲有欧盟MEMS系统联盟，提供微系统加工一站式服务，设计、加工、工艺、测试、应用是一体的。欧洲是分布式的，不是一家独干的。欧盟有很多小国可以做好，咱们社会主义制度，也一定能做好。

参考文献：

　　[1]Troadec C.创新：MEMS行业与生俱来的能力.电子产品世界，2015(11)：6

　　[2]清华新闻网.清华牵头联合组建微纳制造、器件与系统协同创新中心[R/OL].(2016-9-26)

　　.http://www.tsinghua.edu.cn/publish/news/4205/2013/20130926164343098955234/20130926164343098955234_.html

　　[3]王曦.物联网时代的传感器和材料创新.电子产品世界，2016(1)：27-29

　　[4]王莹.压力传感器及信号调理芯片的技术市场及工程实践.电子产品世界，2016(11)：7-16

　　[5]王莹,叶木子.物联网时代，MEMS传感器发展面临更多挑战.电子产品世界，2015(10)：16-20

本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第3页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。