【導(dǎo)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(zhǔn)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、矽睿科技、天箭慣性……MEMS傳感器企業(yè)幾乎占據(jù)半壁江山。
目前,MEMS技術(shù)已寫(xiě)入國(guó)家“十四五”規(guī)劃等重要政策文件中,各地方政策對(duì)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)扶持力度也非常大,上馬建設(shè)多條MEMS產(chǎn)線/中試線,中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的春天,MEMS技術(shù)對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)的影響至關(guān)重要。
本文是3年前中國(guó)科學(xué)院院士尤政對(duì)我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)的看法和評(píng)價(jià),當(dāng)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(shì),并建言我國(guó)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。
專家檔案
尤政 ,中國(guó)工程院院士,華中科技大學(xué)校長(zhǎng),中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第九屆理事長(zhǎng),中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng),主要研究方向?yàn)槲⒚准{米技術(shù)、智能微系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用。
《微納電子與智能制造》:您多年從事智能微系統(tǒng)與 MEMS 技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究 ,請(qǐng)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(yàn)。
尤政院士:我們團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)最早的從事智能微系統(tǒng) 、MEMS 方面研究的團(tuán)隊(duì)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(tǒng)
創(chuàng)建了可擴(kuò)展的高端 MEMS 器件加工平臺(tái) ,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(tái)及其應(yīng)用”于 2019 年獲高 等學(xué)??茖W(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
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(tǒng) ,惡劣環(huán)境下的 MEMS 高溫?zé)o線傳感微系統(tǒng) ,MEMS 掃描鏡及目標(biāo)探測(cè)微系統(tǒng),微型 MEMS 儲(chǔ)能器件及能源微系統(tǒng)等。
其中超高過(guò)載自供電 MEMS 傳感器及集成微系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,相關(guān)技術(shù)被國(guó)內(nèi)多家重點(diǎn)單位應(yīng)用并產(chǎn)業(yè)化,“基于微納米技術(shù)的新型超級(jí)電容器及其實(shí)現(xiàn)”獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
(2)空間微系統(tǒng)及微納航天器
提出高精度姿態(tài)/軌道測(cè)量新方法并研制了MEMS磁敏感器、MIMU 慣性微系統(tǒng)、MEMS太陽(yáng)敏感器 、納\皮型星敏感器等空間微系統(tǒng) ,相關(guān)成果填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)空白,已在探月工程、高分專項(xiàng)等國(guó)家重大工程以及國(guó)內(nèi)外百余顆型號(hào)衛(wèi)星中得到應(yīng)用推廣,并實(shí)現(xiàn)了出口歐、美、日等國(guó)。
在我國(guó)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(wěn)定方式用于 25 kg 以下的微小衛(wèi)星,成功研制并運(yùn)行了國(guó)內(nèi)第一顆納型衛(wèi)星 NS-1 衛(wèi)星,也是當(dāng)時(shí)世界上在軌飛行的最小“輪控三軸穩(wěn)定衛(wèi)星”(2004 年)。
2015 年研制并發(fā)射了 NS-2(10 公斤量級(jí))MEMS 技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星 ,成功開(kāi)展了基于 MEMS 的空間微型化器組件試驗(yàn)研究。NS-2 衛(wèi)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(qiáng)計(jì) 、北斗- II/ GPS 接收機(jī)等自主研發(fā)的 MEMS 器件及微系統(tǒng)。
同時(shí)還成功研制并發(fā)射皮型 ZJ-1(100 克量級(jí))MEMS 技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星,采用單板集成的綜合電子系統(tǒng),搭載試驗(yàn)商用微型 CMOS 相機(jī),MEMS 磁強(qiáng)計(jì)、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(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)“,先進(jìn) MEMS 衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造關(guān) 鍵技術(shù)及應(yīng)用”2019年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
(3)生物檢測(cè)微系統(tǒng)方面
圍繞細(xì)胞分選檢測(cè)、生物分子檢測(cè)、人工聽(tīng)覺(jué)微系統(tǒng)等方向,突破了高通量細(xì)胞圖形化、片上細(xì)胞聚焦分選、耳蝸內(nèi)聲電混合刺激、高時(shí)空分辨率相位差 分檢測(cè)等一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(xì)胞多模式檢測(cè)系統(tǒng)、流式細(xì)胞儀、系列流 式細(xì)胞檢測(cè)芯片等檢測(cè)儀器 ,打破了相關(guān)領(lǐng)域國(guó)際 廠商的技術(shù)封鎖和壟斷。
總之 ,面向國(guó)家安全和醫(yī)療健康領(lǐng)域的重大需求,經(jīng)過(guò)多年持續(xù)的努力,我們?nèi)〉靡幌盗芯哂袊?guó)際先進(jìn)水平的科研成果,部分技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位, 其中多項(xiàng)核心技術(shù)尚屬國(guó)際首創(chuàng)。
《微納電子與智能制造》:傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱,也是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的基礎(chǔ) ,核心傳感器的元器件更是工業(yè)基石 ,請(qǐng)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?dú)v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(xiàn)在:它是信息獲取的源頭 、物理世界與數(shù)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(cè)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào) ,而 MEMS 技術(shù)則可將傳感器中機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路系統(tǒng)通過(guò)規(guī)?;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(xiàn)之前 ,深硅刻蝕、諧振器、電容檢測(cè)等 MEMS 技術(shù)就早已應(yīng)用于微傳感器中;隨著 20 世紀(jì) 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(shì)。
進(jìn)入新世紀(jì) ,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)線通訊等科技的興起 ,智能微系統(tǒng)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?jìng)鹘y(tǒng)傳感器加入處理器 ,帶有數(shù)據(jù)處理功能的傳感器;發(fā)展到現(xiàn)在,隨著 MEMS 技術(shù)、通訊技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù),特別是微系統(tǒng)技術(shù)、人工智能等前沿技 術(shù)的交叉融合,基于微系統(tǒng)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(xiàn)自供電、自組網(wǎng)、自校準(zhǔn)、自學(xué)習(xí)等智能化的功能、性能。
基于微系統(tǒng)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(guó)防安全、重大工程的國(guó)家戰(zhàn)略領(lǐng)域之外,在醫(yī)療健康、汽車(chē) 電子、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)等事關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guó)智能微系統(tǒng)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(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)并存,請(qǐng)您介紹一下中國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展面臨怎樣的瓶頸和挑戰(zhàn),有哪些發(fā)展機(jī)遇,該如何進(jìn)行突破?
尤政院士:傳感器作為“工業(yè)基石”,是各類產(chǎn)業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),作為“性能關(guān)鍵”,將直接決定重大裝備和整機(jī)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量,那么基于微系 統(tǒng)技術(shù)與 MEMS 技術(shù)的智能傳感器也必將成為構(gòu)筑未來(lái)智能社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)基礎(chǔ)支撐體系、各類裝備產(chǎn)品的關(guān)鍵。
然而由于我國(guó)目前微系統(tǒng)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(guó)自主生產(chǎn)的傳感器已完全可以滿足低端市場(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(guó)外愛(ài)默生、 西門(mén)子、博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾等外國(guó)巨頭占據(jù),特別是高端產(chǎn)品幾乎全靠進(jìn)口,80%的傳感器芯片依賴國(guó)外。
目前,我國(guó)主要面臨以下挑戰(zhàn)與瓶頸問(wèn)題:
(1)在研究主體方面,國(guó)內(nèi)主要集中在高等院校與研究所,而國(guó)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(guó)內(nèi)微系統(tǒng)與智能傳感器制造的專門(mén)設(shè)施較少,研發(fā)投入也較少,而國(guó)外基本都具備比較完善的開(kāi)放生產(chǎn)線(平臺(tái)),同時(shí)投入大量研發(fā)經(jīng)費(fèi);
(3)在傳感器芯片方面,由于工藝成熟度與傳感器專用試驗(yàn)設(shè)施的不足,國(guó)內(nèi)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(tǒng)制造與集成的國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備,與國(guó)外仍有較大差距;
(5)在產(chǎn)業(yè)化方面,國(guó)外多家公司已具備批生產(chǎn)能力,而國(guó)內(nèi)總體處于集成、封裝及工程化的初級(jí)階段。
至于對(duì)策 ,除了針對(duì)上述差距與問(wèn)題落實(shí)有針對(duì)性的措施之外 ,還要圍繞智能微系統(tǒng)這一顛覆性關(guān)鍵技術(shù) ,把握技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ,搶占未來(lái)技術(shù)制高點(diǎn),催生大批升級(jí)換代甚至變革行業(yè)的新產(chǎn)品,為相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展提供新機(jī)遇。
在設(shè)計(jì)、制造、 測(cè)試等共性基礎(chǔ)技術(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)力,在感知、處理、通訊、執(zhí)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(tǒng)、空間智能微系統(tǒng)、生化分析微系統(tǒng)、新概念智能微系統(tǒng)等前沿方向布局 示范。
《微納電子與智能制造》:智能微系統(tǒng)與 MEMS 技術(shù)的發(fā)展需要政策支持、技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化、應(yīng)用創(chuàng)新等產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同合作 ,請(qǐng)問(wèn)您對(duì)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(tǒng)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(jié)多 ,細(xì)分技 術(shù)譜系廣 ,導(dǎo)致智能微系統(tǒng)的投資回報(bào)周期比較長(zhǎng)。
因此 ,只有打通技術(shù)、機(jī)構(gòu)、資金之間的條框與分割 ,整合重組各類創(chuàng)新要素 ,推動(dòng)機(jī)制創(chuàng)新、模式 創(chuàng)新和管理創(chuàng)新,加強(qiáng)復(fù)合型人才培養(yǎng),才能應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。
統(tǒng)籌各項(xiàng)創(chuàng)新要素及科技計(jì)劃。形成智能微系 統(tǒng)領(lǐng)域的高校-研究所-企業(yè)-政府的互動(dòng)機(jī)制,推進(jìn) 學(xué)術(shù)-技術(shù)-產(chǎn)品-用戶-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(shè) ,充分統(tǒng)籌國(guó)家、地方、機(jī)構(gòu)等各級(jí)科技規(guī)劃 ,發(fā)揮相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃管理機(jī)構(gòu)與各級(jí)專 家咨詢委員會(huì)的智力及影響力作用 ,支撐智能微系統(tǒng)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(tái)。針對(duì)智能微系統(tǒng) 技術(shù)體系中產(chǎn)業(yè)相關(guān)性強(qiáng)的共性關(guān)鍵技術(shù),如設(shè)計(jì)、 制造、測(cè)試等,支持平臺(tái)性研發(fā)機(jī)構(gòu)建設(shè),開(kāi)展共性 基礎(chǔ)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(tǒng)技術(shù)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。
推動(dòng)智能微系統(tǒng)技術(shù)的產(chǎn)品示范應(yīng)用。提升智能微系統(tǒng)技術(shù)解決方案的供給能力 ,推進(jìn)感知智能 微系統(tǒng)等目前的典型智能微系統(tǒng)技術(shù)在航空航天、 高端裝備、能源交通、工農(nóng)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(tǒng)技術(shù)在醫(yī)療健康 、汽車(chē)電 子、消費(fèi)終端、物聯(lián)網(wǎng)+等領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用;探索新概 念智能微系統(tǒng)技術(shù)的顛覆性應(yīng)用 ,為未來(lái)社會(huì)生活 方式的發(fā)展變革提供技術(shù)儲(chǔ)備。
加大復(fù)合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)力度。設(shè)立智能微系統(tǒng)相關(guān)的跨學(xué)科門(mén)類培養(yǎng)機(jī)制,擴(kuò)大相關(guān)本科生、研究生招生規(guī)模;加強(qiáng)智能微系統(tǒng)的職業(yè)教育與工程教育;加強(qiáng)教學(xué)、科研與產(chǎn)業(yè)的融合,培養(yǎng)多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才;通過(guò)多種機(jī)制和特支政策支持,吸引國(guó)內(nèi)外智能微系統(tǒng)領(lǐng)域的高層次人才;改革評(píng)價(jià)機(jī)制,加強(qiáng)扶持力度,使得青年科技人員能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定開(kāi)展研究。
《微納電子與智能制造》:請(qǐng)您預(yù)判一下未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)外智能微系統(tǒng)與 MEMS 技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。
尤政院士:準(zhǔn)確的技術(shù)預(yù)測(cè)有點(diǎn)兒難度,就好比我們?cè)趲啄暌郧爸悄苁謾C(jī)剛出現(xiàn)的時(shí)候 ,來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)今智能手機(jī)在生活中的地位與作用。不過(guò)一些發(fā)展 趨勢(shì)還是已有呈現(xiàn)的,前面已經(jīng)提到過(guò)一些,這里再談一下。
智能微系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的學(xué)科獨(dú)立特征和系統(tǒng)層次上的內(nèi)在特性 ,從理論、設(shè)計(jì)、制造到集成、封裝、測(cè)試、應(yīng)用開(kāi)發(fā)都形成了獨(dú)特的理論和方法體系的雛型;由于智能微系統(tǒng)涉及的學(xué)科和技術(shù)門(mén)類眾多,交叉融合性極強(qiáng),還處于學(xué)科體系發(fā)展的初級(jí)階段 ,一些重要的共性基礎(chǔ)問(wèn)題與關(guān)鍵核心技術(shù)需要突破。
(1)架構(gòu)與設(shè)計(jì)方法:跨尺度、多層級(jí)、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(shè)計(jì)理論、方法、工具,如:智能微系統(tǒng) EDA 工具等, 均是設(shè)計(jì)方面的重要技術(shù)趨勢(shì) ,通過(guò)逐步建立智能 微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 IP 數(shù)據(jù)庫(kù) ,來(lái)實(shí)現(xiàn)智能微系統(tǒng)的數(shù)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(tǒng)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(chǔ) 理論,明晰微尺度效應(yīng)與宏觀、介觀效應(yīng)的區(qū)別與聯(lián) 系;突破三維集成 、異質(zhì)/異構(gòu)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(jié)構(gòu) 與器件、芯片、互連、接口等微系統(tǒng)部/組件在應(yīng)用環(huán) 境下的熱匹配、熱隔離、熱傳導(dǎo)、電隔離、電連接、電 磁兼容等集成技術(shù)難題;形成滿足智能微系統(tǒng)快速、 靈活需求的先進(jìn)制造技術(shù)體系。
(3)測(cè)試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化:由于智能微系統(tǒng)的特征 尺度在微米納米量級(jí) ,系統(tǒng)組成復(fù)雜 ,功能種類繁多,傳統(tǒng)測(cè)試分析手段面臨很多挑戰(zhàn)。因此,發(fā)展涵蓋機(jī)理-材料-工藝-器件-模塊-微系統(tǒng)等多個(gè)層面 , 以及力-熱-電-磁-光-生-化等多參量 ,且與設(shè)計(jì) 、制 造、集成、封裝等環(huán)節(jié)緊密結(jié)合的測(cè)試?yán)碚?、方法?手段至關(guān)重要。
此外 ,深入理解智能微系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)化 ,加快技術(shù)體系與測(cè) 試體系的規(guī)范化 ,是智能微系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)與必由之路。
來(lái)源:《微納電子與智能制造》2020年第4期、傳感器專家網(wǎng)(由動(dòng)感傳感整理)
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