《微纳电子与智能制造》:传感器技术与计算机技术、通信技术作为现代信息技术的三大支柱,也是计算机技术与通信技术的基础,核心传感器的元器件更是工业基石,请您简要介绍一下近些年智能传感器与MEMS 技术研究和发展的重要历程及产业发展动态。
尤政院士:简单来说,传感器的重要性体现在:它是信息获取的源头、物理世界与数字世界的接口。传感器可以把环境中的物理、化学量等被测信息转化为电信号,而MEMS 技术则可将传感器中机械结构与电路系统通过规模化制造工艺集成在芯 片上 ,因而 MEMS 技术是传感器的使能技术。
在“MEMS”一词出现之前 ,深硅刻蚀、谐振器、电容检测等 MEMS 技术就早已应用于微传感器中;随着 20 世纪 90 年代以来的 MEMS 技术快速发展期 ,基于MEMS 技术的各种微传感器大发异彩 ,已经成为传感器技术领域的重要发展方向与发展趋势。
进入新世纪,特别是近10 年以来 ,微电子 、MEMS、光电子技术的不断突破 ,人工智能 、无线通讯等科技的兴起 ,智能微系统技术又成为了智能传感器的关键核 心技术 ,推动传感器在社会生产生活中发挥越来越重要的作用。
从技术发展的角度来讲,早期的智能传感器大都是指传统传感器加入处理器,带有数据处理功能的传感器;发展到现在,随着MEMS 技术、通讯技术、 计算机技术,特别是微系统技术、人工智能等前沿技 术的交叉融合,基于微系统技术的智能传感器,不仅具有传感、处理、通讯等功能,还能实现自供电、自组网、自校准、自学习等智能化的功能、性能。
基于微系统技术的智能传感器将在各个领域发挥重要作用,除了航空航天、高端装备等事关国防安全、重大工程的国家战略领域之外,在医疗健康、汽车电子、消费电子、物联网等事关社会经济发展及民生领域等也都离不开智能传感器。
《微纳电子与智能制造》:目前中国智能微系统与MEMS 产业的发展中 ,核心关键的传感元器件的发展还存在发展瓶颈,然而机会与挑战并存,请您介绍一下中国在该领域的发展面临怎样的瓶颈和挑战,有哪些发展机遇,该如何进行突破?
尤政院士:传感器作为“工业基石”,是各类产业赖以生存和发展的基础,作为“性能关键”,将直接决定重大装备和整机产品的性能、质量,那么基于微系统技术与MEMS 技术的智能传感器也必将成为构筑未来智能社会基础设施、工业基础支撑体系、各类装备产品的关键。
然而由于我国目前微系统与智能传感器领域的核心关键技术发展滞后,中高端传感器受制于人,已经成为“卡脖子”障碍。
我国自主生产的传感器已完全可以满足低端市场的需求,然而在中高端市场上,超过60%的市场份额被国外爱默生、 西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等外国巨头占据,特别是高端产品几乎全靠进口,80%的传感器芯片依赖国外。
目前,我国主要面临以下挑战与瓶颈问题:
(1)在研究主体方面,国内主要集中在高等院校与研究所,而国外还包括众多有实力的公司和企业;
(2)在研发投入方面,国内微系统与智能传感器制造的专门设施较少,研发投入也较少,而国外基本都具备比较完善的开放生产线(平台),同时投入大量研发经费;
(3)在传感器芯片方面,由于工艺成熟度与传感器专用试验设施的不足,国内差距明显,特别是中高端芯片;
(4)在制造与集成工艺方面,尚无微系统制造与集成的国产化关键设备,与国外仍有较大差距;
(5)在产业化方面,国外多家公司已具备批生产能力,而国内总体处于集成、封装及工程化的初级阶段。
至于对策,除了针对上述差距与问题落实有针对性的措施之外,还要围绕智能微系统这一颠覆性关键技术,把握技术发展趋势,抢占未来技术制高点,催生大批升级换代甚至变革行业的新产品,为相关传统产业跨越式发展提供新机遇。
在设计、制造、测试等共性基础技术方面进行重点发力,在感知、处理、通讯、执行、供能等重要关键技术方面进行重点突破,同时在感知智能微系统、空间智能微系统、生化分析微系统、新概念智能微系统等前沿方向布局示范。