尤政院士談中國(guó)制造與傳感器/MEMS的發(fā)展前景

　　我國(guó)的傳感器產(chǎn)業(yè)和我國(guó)制造業(yè)的狀況幾乎是一樣的特點(diǎn)：1.產(chǎn)業(yè)規(guī)模進(jìn)入了世界前列。我們有很多是世界排在第一的，但大都是中低端產(chǎn)品。2.我們的產(chǎn)業(yè)布局基本形成，什么傳感器都有。3.中低檔產(chǎn)品基本滿足市場(chǎng)需求，通過(guò)合資和自己研制，基本能滿足國(guó)內(nèi)需求，嚴(yán)格地說(shuō)還存在供給過(guò)剩的問(wèn)題。4.通過(guò)多年的研發(fā)，我們的研發(fā)能力顯著進(jìn)步，有一些高端傳感器已經(jīng)做到了樣機(jī)階段。

　　當(dāng)然我們面臨的問(wèn)題也一樣。首先，產(chǎn)業(yè)集中度低，中低檔產(chǎn)能過(guò)剩，原因是我們沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)集群，沒(méi)有在產(chǎn)品聚集、地區(qū)聚集上做好，產(chǎn)品很分散，提到一個(gè)產(chǎn)品不知道在什么地方，但是在國(guó)外，很可能一類傳感器相對(duì)集中在一座城市或者一家大公司里，就比較容易形成規(guī)模效應(yīng)。

　　其次，研發(fā)和自主創(chuàng)新能力比較薄弱，核心技術(shù)受制于人，我們的很多傳感器是買國(guó)外的傳感器元件，拿來(lái)組成一個(gè)系統(tǒng)，并沒(méi)有自己去研發(fā)傳感部分。

　　第三是行業(yè)共性技術(shù)研究缺位。在國(guó)外甚至現(xiàn)在的美國(guó)也有一些高端戰(zhàn)略技術(shù)是國(guó)家出錢研究的，有國(guó)家研究院和一些公共的實(shí)驗(yàn)條件是國(guó)家承擔(dān)的，我們國(guó)家以前也有，不過(guò)在1995年以后基本上由于體制改革，這些企業(yè)都不承擔(dān)國(guó)家的責(zé)任，跑到市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的前沿去了，這對(duì)我國(guó)傳感器行業(yè)的進(jìn)步還是影響很大的，特別是高端傳感器，比如高溫壓力傳感器，你用國(guó)產(chǎn)的，出了問(wèn)題，你要擔(dān)當(dāng)責(zé)任，買國(guó)外的出了問(wèn)題沒(méi)事。如果我們有國(guó)家的機(jī)構(gòu)，能夠去按照客觀的測(cè)試辦法來(lái)進(jìn)行測(cè)試，由測(cè)試機(jī)構(gòu)來(lái)?yè)?dān)當(dāng)使用的責(zé)任，那么我們的大企業(yè)就會(huì)愿意去用，這樣才能促進(jìn)國(guó)有企業(yè)的發(fā)展。

　　最后是政策缺位。我們國(guó)家的建設(shè)重點(diǎn)主要是在整機(jī)上面，補(bǔ)貼整機(jī)較多，對(duì)元器件的補(bǔ)貼很少。因?yàn)橛惺着_(tái)戰(zhàn)略，但沒(méi)有首個(gè)傳感器戰(zhàn)略。建議傳感器方面，如果你要去購(gòu)買國(guó)外的，你要拿出1/3的價(jià)格建立傳感器基金，如果你的產(chǎn)品能夠替代國(guó)外產(chǎn)品，那么用戶買一件國(guó)貨國(guó)家可補(bǔ)貼1/3，所以兩個(gè)1/3可從經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)角度能起很大的作用。

2.1 傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　傳感器技術(shù)的發(fā)展也有幾條。第一，產(chǎn)品技術(shù)與智能化技術(shù)相互融合的水平相結(jié)合，數(shù)據(jù)的處理、無(wú)線信號(hào)的傳輸、自校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)很普遍了。

　　另外，傳感器變成模塊化、組合化、集成化得到高度重視。以前一個(gè)傳感器不能解決的問(wèn)題，通過(guò)多個(gè)傳感器的模塊化組合可以來(lái)解決了。過(guò)去我們看一個(gè)物體的特性是靠單一化的指標(biāo)，現(xiàn)在通過(guò)多指標(biāo)來(lái)確認(rèn)你的環(huán)境特征。

　　第三，高性能和環(huán)保成為行業(yè)的主題，因?yàn)槲覀兪呛髞?lái)者，不可能按照以前的老路再走一遍，所以我們要重視性能和環(huán)保問(wèn)題。

　　最后，新材料、新工藝的使用是傳感器革命性的進(jìn)步。比較典型的是MEMS傳感器，如果用硅來(lái)做，通常做到400~600℃就到極限了，但是碳化硅把性能可提高到1200~1800℃，因此隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)我們行業(yè)技術(shù)的發(fā)展可能是顛覆性的。

　　傳感器的智能化、無(wú)線化等體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面?微型化MEMS技術(shù)集成化怎么去做產(chǎn)量的融合?最后還有多樣化等等，需要各種各樣的先進(jìn)技術(shù)的使用。

　　所以從傳感器的發(fā)展技術(shù)路線圖看，從分立式的傳感器到機(jī)械式的集成傳感器、MEMS傳感器，將來(lái)可以做到單片集成傳感器、無(wú)線傳感器，一直到最后的iSensor(智能傳感器)(如圖2)。

　　以上是從傳感器維度來(lái)看。如果我們從另外一個(gè)維度——信息技術(shù)的維度看(圖3)，摩爾定律預(yù)言集成電路(IC)上可容納的晶體管數(shù)目每18個(gè)月就翻番，到目前為止，我們已接近特征尺寸的極限，在進(jìn)行“超越摩爾定律”的探索，即從系統(tǒng)的角度走，把傳感器、電源、信號(hào)傳輸?shù)鹊纫黄鸺?，我們的發(fā)展空間還很大，增長(zhǎng)的速度會(huì)很高，這可能是行業(yè)很重要的一個(gè)發(fā)展方向。所以從需求和信息獲取的技術(shù)進(jìn)步來(lái)看，傳感器和微系統(tǒng)技術(shù)都是革命性的和顛覆性的技術(shù)。

2.2 MEMS傳感器

　　MEMS傳感器和IC芯片最大的區(qū)別，MEMS是可動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用微納加工技術(shù)同時(shí)加工出機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)。我們最早做MEMS時(shí)，總以為MEMS結(jié)構(gòu)像制造業(yè)是由零件組成的，實(shí)際上不是，它是通過(guò)工藝--很復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，都是用一個(gè)零件，所以與以往是根本不同的。當(dāng)然我們還有自校準(zhǔn)等工藝和設(shè)計(jì)是不一樣的，所以從MEMS技術(shù)出現(xiàn)了以后，整個(gè)世界都在小型化，從微能源到生物、射頻等領(lǐng)域都在MEMS化、小型化的改造。例如1995年時(shí)聽(tīng)說(shuō)智能灰塵，大家覺(jué)得這個(gè)不太可以，但是到了前年(2014年)，美國(guó)已經(jīng)應(yīng)用了智能灰塵，只有5毫克重，1.2立方毫米，上面有厚膜電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池、陀螺儀、紅外傳感器、振動(dòng)傳感器，還有激光通訊等，這么小小一個(gè)東西，有這么多功能，反映了微系統(tǒng)或傳感器發(fā)展的未來(lái)前景很大。

　　當(dāng)然MEMS傳感器技術(shù)的特點(diǎn)也有幾條。首先是微型化、低成本、功耗低、高可靠。像我們現(xiàn)在做的MEMS陀螺儀，最高可以做到每小時(shí)1°，稍微差一點(diǎn)的，每小時(shí)10°，成本大概不到一千元。但是我們現(xiàn)在有的國(guó)內(nèi)廠子在做，每小時(shí)30°的陀螺儀現(xiàn)在還賣到五萬(wàn)元一支，一年也就生產(chǎn)兩三百只，所以一個(gè)硅圓片上的MEMS產(chǎn)品數(shù)量就接近該企業(yè)一年的產(chǎn)量。這是顛覆性技術(shù)的特點(diǎn)。

　　第二點(diǎn)是高精度。陀螺儀現(xiàn)在國(guó)外可以做到每小時(shí)0.01°，如果它能夠?qū)崿F(xiàn)的話，基本上光纖陀螺也沒(méi)了，如果現(xiàn)在的加速器可以做到3×10-8g，這不僅僅是高精度。另外還有芯片級(jí)原子鐘，現(xiàn)在歐洲已經(jīng)可以買了，一千歐元就可以買到1小時(shí)內(nèi)阿倫方差10-13的芯片原子鐘，使GPS的導(dǎo)航精度大大提高。我們現(xiàn)在的時(shí)鐘大概是10-6、10-9到10-13，半年校準(zhǔn)一次，也有每周校準(zhǔn)一次的。

　　另外是高集成。國(guó)外有2公斤的衛(wèi)星就可以把姿態(tài)回歸軌道全部解決，還有相控陣?yán)走_(dá)的陣列可以做到導(dǎo)彈里。所以MEMS技術(shù)精準(zhǔn)度可以很高。

　　MEMS還有一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)——高性能，例如微硅慣性器件(陀螺/加速度計(jì))可以承受20萬(wàn)g的過(guò)載，而我們有些武器系統(tǒng)能打得很遠(yuǎn)，但是過(guò)載很大，10萬(wàn)g時(shí)傳感器不能用了，但MEMS傳感器可以用，為什么?從物理上，根據(jù)牛頓第二定律：F=ma，m(物體質(zhì)量)變小了，所以它的破壞力變小了。另外，硅的機(jī)械常數(shù)等特性要比鐵、鋼高得多，也會(huì)提升性能。

　　最近一家美國(guó)公司介紹其智能片，使所有的發(fā)動(dòng)機(jī)片廠都有傳感和無(wú)線信號(hào)的布局，所以發(fā)動(dòng)機(jī)一開，所有發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)都可以傳出來(lái)，它可以抗惡劣環(huán)境，溫度最高耐1800℃，壓力超過(guò)300個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，沖擊接近5萬(wàn)g都能工作，反映了現(xiàn)在傳感器和智能化的水平之高超。

　　在武器裝備方面，美國(guó)稱90%的MEMS器件可對(duì)武器制造改進(jìn)，最新資料顯示火箭彈已經(jīng)可以改造了，每小時(shí)5°的陀螺儀可以做進(jìn)去了;世界上最小的導(dǎo)彈——長(zhǎng)矛已經(jīng)出現(xiàn)，只有771克，長(zhǎng)42.7厘米，直徑40毫米，射程2公里，殺傷半徑10米，放在槍上就可以射擊，把復(fù)雜的導(dǎo)彈已經(jīng)微縮到變成槍流彈的水平。當(dāng)然更多打法還是在制導(dǎo)子彈，子彈可以轉(zhuǎn)彎了。這些都源于傳感器，特別是MEMS技術(shù)帶來(lái)的進(jìn)步。

　　在汽車行業(yè)，需要約三百多個(gè)傳感器，高檔車約有80%可以用MEMS技術(shù)來(lái)做。

　　物聯(lián)網(wǎng)更是依賴于傳感器，物聯(lián)網(wǎng)最底層的技術(shù)就是信息傳感采集技術(shù)，比如智能停車場(chǎng)，生產(chǎn)的智能管理，還有環(huán)境的監(jiān)測(cè)，醫(yī)療資源的調(diào)配等，這些都是和MEMS相關(guān)。

　　MEMS傳感器應(yīng)用非常廣泛，醫(yī)療方面，從拍攝、便攜式、可穿戴式到植入式大概有45億美元的市場(chǎng)，治療糖尿病需要測(cè)眼壓，可以做在博士倫等隱形眼鏡上，像美國(guó)的智能鞋可以掃雷，走過(guò)之后地雷就出來(lái)了，還有很多編織物，例如衣服可以傳感人的信息，還有各種各樣的可穿戴電池、能發(fā)電的鞋子、腦信號(hào)/腦控服務(wù)機(jī)械設(shè)備，還有芯片上的器官/肺/腎等會(huì)出現(xiàn)。最新穎的是通過(guò)電腦陣列可以讀人——把這個(gè)人的存儲(chǔ)器讀了。另外是消費(fèi)電子，消費(fèi)電子大概有30億美元的市場(chǎng)規(guī)模，各種各樣。

2.3 我國(guó)傳感器發(fā)展

　　傳感器的發(fā)展還是從兩個(gè)維度解決：技術(shù)的推動(dòng)和市場(chǎng)的需求。國(guó)內(nèi)的MEMS主要集中在科研院所和大學(xué)(表3)，真正完全的單片層的MEMS傳感器技術(shù)中國(guó)還沒(méi)有。原因是這涉及到一系列的研究突破。好在最近我們還是有所進(jìn)步，我們已有一批中試線、生產(chǎn)線、代工線和產(chǎn)業(yè)公司(表4)。經(jīng)過(guò)20年的奮斗，我們的MEMS傳感器已處于曙光階段。

　　尤政院士也是淄博高新區(qū)MEMS研究院院長(zhǎng)，介紹了在淄博投資3億元建立的6英寸與8英寸兼容的生產(chǎn)線[2]，加速度計(jì)和陀螺儀產(chǎn)品已下線。微納制造、器件與系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心是由教育部的清華、北大、上交大、東南大學(xué)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開展項(xiàng)目的研發(fā)。

3 對(duì)“核心傳感器技術(shù)”上升為國(guó)家“制造強(qiáng)國(guó)”、“工業(yè)強(qiáng)基”戰(zhàn)略的建議

　　1.傳感器需要上升到國(guó)家戰(zhàn)略，因?yàn)閭鞲衅鞑皇强渴袌?chǎng)規(guī)律就可以做的，需要國(guó)家行為和市場(chǎng)行為結(jié)合起來(lái)，這是傳感器行業(yè)的特點(diǎn)。

　　2.把重點(diǎn)突破和行業(yè)整體水平提升相結(jié)合，既需要世界知名的百年老店，同時(shí)為提高我國(guó)整體傳感器的水平，也需要有若干專精特小企業(yè)共同支撐。

　　3.進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和政府引導(dǎo)相結(jié)合。在國(guó)內(nèi)若干地區(qū)建立若干基地，進(jìn)行人才培養(yǎng)等。

　　傳感器不好做，需要聯(lián)合。歐洲有歐盟MEMS系統(tǒng)聯(lián)盟，提供微系統(tǒng)加工一站式服務(wù)，設(shè)計(jì)、加工、工藝、測(cè)試、應(yīng)用是一體的。歐洲是分布式的，不是一家獨(dú)干的。歐盟有很多小國(guó)可以做好，咱們社會(huì)主義制度，也一定能做好。

參考文獻(xiàn)：

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　　[2]清華新聞網(wǎng).清華牽頭聯(lián)合組建微納制造、器件與系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心[R/OL].(2016-9-26)

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

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　　[4]王瑩.壓力傳感器及信號(hào)調(diào)理芯片的技術(shù)市場(chǎng)及工程實(shí)踐.電子產(chǎn)品世界，2016(11)：7-16

　　[5]王瑩,葉木子.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，MEMS傳感器發(fā)展面臨更多挑戰(zhàn).電子產(chǎn)品世界，2015(10)：16-20

本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第3頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。