集成智能傳感器：智能社會的五官

無人駕駛汽車、物聯網（IOT）、可穿戴設備和機器人等無疑是未來最重要的新技術發展方向，將構成人類社會從信息社會轉變到智能社會的物質基礎，必將對人類社會產生深刻的影響。

信息與智能社會的發展，得益于計算機技術、通信技術、大規模集成電路技術、微機械加工技術以及傳感器技術的迅猛發展。其中微型化的集成智能傳感器，將是智能社會區別于信息社會的標志性器件。在信息社會，信息的來源主要是計算機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”，不斷將各種環境狀態信息采集到電腦系統中，為各種智慧系統輸入大數據?？梢灶A見，集成智能傳感器將逐漸從信息技術發展中的“配角”變為“主角”，將成為各個發達國家進行技術角逐的技術高點之一。新型集成智能傳感器的市場已經逐漸成為各種創新型企業乃至傳統大型企業爭奪的熱點?？梢哉f，信息技術和智能社會的演變以及未來社會的需求為傳感器的發展帶來了良好的前景與機遇，為傳感器的創新提高了極大的想象空間，也對集成傳感器的研究和生產提出了前所未有的挑戰。 

什么是集成智能傳感器

集成智能傳感器是指利用現代微加工技術，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。敏感單元包括各種半導體器件、薄膜器件和MEMS器件，其功能是將被測的力、聲、光、磁、熱、化學等信號轉換成電信號，相當于人類能對環境進行感知的五官：光學傳感器如同人類的眼睛，可以看到周圍環境；聲傳感器相當于人類的耳朵，可以聽到周圍環境的聲音；氣體傳感器則相當于人類的鼻子，可以測量環境的“氣味”即化學成分；化學傳感器相當于人類的舌頭，可以感知化學物質的酸堿鹽成分；而各種力學傳感器則相當于人類的肢體手足，可以感知壓力及速度等力學參數的大小。實際上，智能傳感器的感知范圍遠遠超過人類的感知能力。如光學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，因為現代傳感器是數字化、智能化的?，F代傳感器不僅包括敏感單元，同時也包括由現代集成電路構成的信息處理單元，包括信號拾取、放大、濾波、補償、模數轉換、數據處理等。集成智能傳感器是現代傳感器技術發展的必然趨勢，其演進的步伐緊跟集成電路的發展道路。

早在20世紀60年代，科學家就開始了基于硅技術的傳感器研究。20世紀70年代，美國斯坦福大學、歐洲代爾夫特（Delft）大學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讀出電路進行集成制作。20世紀80年代中期，在硅半導體集成電路技術巨大成功的啟發下，隨著微加工技術的發展以及為了迎接各種新型能量/信號變換的需要，美國伯克利大學加州分校的學者提出了MEMS的概念，其主要目的是制作可動的硅微機械部件并將其與微電子集成電路制作在一起，形成微電子機械系統。在這樣的系統中，不僅包含有電子電路，同時含有必要的機械運動部件（傳感器及執行器）；直徑只有50微米的微型馬達的成功制作，是該技術成功的標志。在全球大學中包括清華大學、北京大學、中國科學院等單位研究人員的共同努力下，MEMS技術隨后飛速發展，研究出了多種基于不同物理和化學原理的新型MEMS傳感器，包括加速度傳感器、壓力傳感器、麥克風等。2000年前后，隨著移動通信技術和智能手機市場的發展，以微型化為特點的MEMS傳感器產品市場得以迅速發展，其中主要產品是硅麥克風、加速計和陀螺儀及壓力傳感器。

隨著材料技術和微加工技術的發展，目前集成傳感器正在智能傳感器系統迅速發展，主要包括以下幾個方面：其一是系統化，即在電路方面不但包括模數部分，同時包含數據部分、邏輯計算，未來還要包含天線和無線收發單元；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用領域如光學傳感器、紅外傳感器等的內秉需求，結合新的算法也可以為傳感器賦予新的功能，如氣體傳感器、聲學傳感器等可以增加測量內容，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合，更是軟硬件的結合。智能傳感器早已有之，但是同時集信息的采集、調理、傳輸于一體的高度集成的智能傳感器尚在發展之中。

集成智能傳感器發展機遇

 

2010年前后，MEMS傳感器市場規模已經達到100億美元。據預測，這一市場的規模在2020年將達到200億美元以上。與此同時，利用其他技術和原理的薄膜技術、CMOS技術的新型傳感器也不斷推向市場。據有關報道，我國的傳感器市場在2014年也已經突破1000億元人民幣。從一般的經濟規律來看，200億美元的傳感器市場至少可以帶動2000億美元的應用系統市場，并將最終為上萬億的IOT市場提供物理基礎。

隨著人們在人工智能技術（AI）、虛擬現實技術（VR）、無人駕駛技術（包括飛機和汽車）和通信技術領域的不斷進步，新技術的發展不僅為集成傳感器技術的發展提供了廣闊市場的空間，同時也為之提供了新的發展平臺。這就是技術發展史上的“交叉推動”作用。以5G通信為例，該技術將在2020年前后得到推廣。5G技術將提供更快達到毫秒級的接入速度、1GPBS的高速數據流量和局域數十萬的接入節點。當5G通信為萬物互聯提供技術基礎建立以后，人類是否真正進入IOT時代的關鍵因素就在于是否能實現滿足各種要求（環境、可穿戴、工農業、建筑、醫療等）的低成本高性能的無線傳感節點（WSN）。估計到2030年，地球上的物聯網傳感器將有上萬億顆，平均每人擁有數顆傳感器。加上天上人間的無人機和無人駕駛機器人市場，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展為智能傳感器的發展提供了技術趨勢的歷史性機遇，我國的社會經濟發展則為智能傳感器的發展提供了巨大的環境機遇。從以《中國制造2025》為代表的一系列戰略規劃的制定，都可以看到國家和政府對智慧系統、智能傳感器技術前所未有的重視。中央政府和各地地方政府對物聯網、智慧系統的建設以及對創新創業的鼓勵，必將對中國智能傳感器技術的發展起到巨大的推動作用?？偠灾?，集成智能傳感器產業作為技術產品在中國遇到了發展中最好的“時空機遇”。

集成傳感器技術面臨挑戰

 

集成智能傳感器技術的發展也為大規模集成電路技術進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算和儲存功能，同時要有對信息感知、傳輸和執行的功能。未來集成智能傳感器不但是傳感器技術和集成電路技術的會師，也是人類各種知識、各種技術的大匯聚。包括物理、化學、生物原理的運用，MEMS/NEMS技術和集成電路技術等先進制造技術的整合，以及含有不同算法的軟件和硬件的結合。集成智能傳感器的發展不可能“單兵獨進”，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。數十億美元的加工設備和材料需求，這就需要進行材料、設備等領域的全面突破，才能占領智能傳感器領域的制高點。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得到穩步發展，具有重要的戰略意義。

目前我國的集成傳感器市場蓬勃發展，集成智能傳感器、無線傳感器節點研究方興未艾。國內基于MEMS和半導體的創新型企業如雨后春筍，出現了多家在國際上名列前茅的知名傳感器產品系統供應商，但是在集成傳感器核心技術和高性能芯片制造方面，和國際知名企業如Bosch、ST、InvenSense等尚有不小的差距。如果我們在傳感器發展的技術戰略上沒有很好的布局，很可能會重蹈20世紀八九十年代集成電路領域的覆轍，起個大早、趕個晚集。全面發展集成智能傳感器需要應對一系列挑戰：包括如何獲得原創性技術突破，利用新原理、新材料、新結構實現具有自主產權的新型傳感器；如何完善集成傳感器生產和加工技術產業鏈，以構建一流的MEMS加工制造企業為核心，帶動材料、設備、封裝企業的發展；如何進行系統集成，實現高性能、低功耗、現場即用的低成本無線集成智能傳感器系統。

集成智能傳感器技術的突破與發展

 

集成智能傳感器技術的突破與發展需要抓住一點兩面，以市場和機遇為制高點，從基礎原創和產品集成兩個方面同時入手。在基礎原創方面，需要進行產學研結合，發揮廣大科研企業研發人員的協同作用，面對市場需求，發揚科學精神和工匠精神，在我國集成傳感器現有的技術基礎上，努力工作、大膽創新，利用新原理、新材料，進行原創性研發，實現適合未來智能傳感器的原創性突破，各種二維新材料、量子電子器件、生物分子器件的發展為上述突破提供了新的空間。中國綜合科技實力已經得到國際承認，上述突破的實現指日可待。在產品集成技術方面，需要國家的戰略布局和資金的合理運用。中國政府和學術界、企業界有廣泛的互動，相信會制定出合理的戰略發展規劃。而實現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）。已經發展前CMOS或者后CMOS工藝的MEMS集成傳感器方法，但是實現真正的SoC集成傳感器尚需時日。業界廣泛認為，目前SiP（System in Packaging）是實現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、數字電路、射頻無源器件以及 MEMS傳感器、半導體傳感器或其他器件優先組裝到一起進行封裝，實現一定功能的單個標準封裝件，形成一個系統或者子系統。已經在無線通信、汽車電子、醫療電子、計算機、軍用電子等領域得到廣泛應用。面向未來智能系統需求的SiP，需要將無線通信系統集成在一起，這就是WSIP系統。WSIP系統的技術基礎已經存在。這就是業界已經研究多年的RF MEMS（射頻微機電系統），該技術是運用MEMS技術制作用于射頻和微波領域的MEMS器件。主要的RF MEMS器件包括電容、電感、開關、諧振器以及基于上述器件的RF MEMS模塊單元及系統包括RF MEMS移相器、衰減器、濾波器、智能天線等。從20世紀90年代提出開展RF MEMS研究以來，RF MEMS在開關、濾波器、振蕩器的器件和應用方面已經取得巨大進步。

將集成電路技術、RF MEMS技術和集成傳感器技術結合，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，有巨大的產品市場和創新空間。

作者：劉澤文，清華大學教授、博導。畢業于中國科技大學、法國巴黎十一大學，曾任清華大學微電子研究室副主任，研究所副所長等。主要研究方向為微電子工藝和器件、MEMS和傳感器。