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        中國工程院院士:已經明朗,MEMS技術是傳感器重要的發展方向和趨勢!

        發布時間:2023-08-22 責任編輯:wenwei

        【導讀】進入2023年,傳感器企業密集上市迎來了爆發,僅上半年就已有9家傳感器企業上市。在近期這些上市或準備上市的傳感器企業中,大部分來自MEMS傳感器領域,譬如中芯集成、芯動聯科、高華科技、明皜傳感、歌爾微電子、矽??萍?、天箭慣性……MEMS傳感器企業幾乎占據半壁江山。


        目前,MEMS技術已寫入國家“十四五”規劃等重要政策文件中,各地方政策對MEMS傳感器產業扶持力度也非常大,上馬建設多條MEMS產線/中試線,中國傳感器產業迎來了蓬勃發展的春天,MEMS技術對傳感器產業的影響至關重要。


        本文是3年前中國科學院院士尤政對我國傳感器產業的看法和評價,當時尤政院士已指出MEMS技術是傳感器重要的發展方向和趨勢,并建言我國大力發展MEMS產業,其中提到的一些問題和矛盾如今依然尖銳。


        專家檔案


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        尤政 ,中國工程院院士,華中科技大學校長,中國儀器儀表學會第九屆理事長,中國微米納米技術學會理事長,主要研究方向為微米納米技術、智能微系統技術及其應用。


        《微納電子與智能制造》:您多年從事智能微系統與 MEMS 技術的基礎和應用研究 ,請跟大家分享一下您的研究成果和研究過程中的故事和體驗。


        尤政院士:我們團隊是國內最早的從事智能微系統 、MEMS 方面研究的團隊之一 ,在前沿科學問題、關鍵核心技術以及工程實踐方面都取得了一些創新成果。


        (1)MEMS傳感器及微系統 


        創建了可擴展的高端 MEMS 器件加工平臺 ,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 加工平臺及其應用”于 2019 年獲高 等學??茖W研究優秀成果獎技術發明獎一等獎。


        完成了 MEMS 繼電器、RF MEMS 開關 ,用于環境感知的 MEMS 智能感知微系統 ,惡劣環境下的 MEMS 高溫無線傳感微系統 ,MEMS 掃描鏡及目標探測微系統,微型 MEMS 儲能器件及能源微系統等。


        其中超高過載自供電 MEMS 傳感器及集成微系統在國內首次通過實測驗證,填補國內空白,相關技術被國內多家重點單位應用并產業化,“基于微納米技術的新型超級電容器及其實現”獲得國家技術發明二等獎。


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        (2)空間微系統及微納航天器 


        提出高精度姿態/軌道測量新方法并研制了MEMS磁敏感器、MIMU 慣性微系統、MEMS太陽敏感器 、納\皮型星敏感器等空間微系統 ,相關成果填補了多項國內空白,已在探月工程、高分專項等國家重大工程以及國內外百余顆型號衛星中得到應用推廣,并實現了出口歐、美、日等國。


        在我國率先開展了微納航天器的技術創新與工程實踐 ,首次將三軸穩定方式用于 25 kg 以下的微小衛星,成功研制并運行了國內第一顆納型衛星 NS-1 衛星,也是當時世界上在軌飛行的最小“輪控三軸穩定衛星”(2004 年)。


        2015 年研制并發射了 NS-2(10 公斤量級)MEMS 技術試驗衛星 ,成功開展了基于 MEMS 的空間微型化器組件試驗研究。NS-2 衛星的有效載荷包括納型星敏感器 、低功耗 MEMS 太陽敏感器 、硅基 MEMS 陀螺 、MEMS 石英音叉陀螺 、MEMS 磁強計 、北斗- II/ GPS 接收機等自主研發的 MEMS 器件及微系統。


        同時還成功研制并發射皮型 ZJ-1(100 克量級)MEMS 技術試驗衛星,采用單板集成的綜合電子系統,搭載試驗商用微型 CMOS 相機,MEMS 磁強計、新型商用電子元器件。


        “先進空間光學敏感器技術”2012 年獲 國家技術發明二等獎“,先進 MEMS 衛星設計制造關 鍵技術及應用”2019年獲國家技術發明二等獎。


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        (3)生物檢測微系統方面 


        圍繞細胞分選檢測、生物分子檢測、人工聽覺微系統等方向,突破了高通量細胞圖形化、片上細胞聚焦分選、耳蝸內聲電混合刺激、高時空分辨率相位差 分檢測等一批具有自主知識產權的關鍵技術 ,取得了一批原創性成果 ,研制了具有世界一流水平的高通量原位細胞多模式檢測系統、流式細胞儀、系列流 式細胞檢測芯片等檢測儀器 ,打破了相關領域國際 廠商的技術封鎖和壟斷。


        總之 ,面向國家安全和醫療健康領域的重大需求,經過多年持續的努力,我們取得一系列具有國際先進水平的科研成果,部分技術處于國際領先地位, 其中多項核心技術尚屬國際首創。


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        《微納電子與智能制造》:傳感器技術與計算機技術、通信技術作為現代信息技術的三大支柱,也是計算機技術與通信技術的基礎 ,核心傳感器的元器件更是工業基石 ,請您簡要介紹一下近些年智能傳感器與 MEMS 技術研究和發展的重要歷程及產業發展動態。


        尤政院士:簡單來說 ,傳感器的重要性體現在:它是信息獲取的源頭 、物理世界與數字世界的接口。傳感器可以把環境中的物理、化學量等被測信息轉化為電信號 ,而 MEMS 技術則可將傳感器中機械結構與電路系統通過規?;圃旃に嚰稍谛?片上 ,因而 MEMS 技術是傳感器的使能技術。


        在 “MEMS”一詞出現之前 ,深硅刻蝕、諧振器、電容檢測等 MEMS 技術就早已應用于微傳感器中;隨著 20 世紀 90 年代以來的 MEMS 技術快速發展期 ,基于 MEMS 技術的各種微傳感器大發異彩 ,已經成為傳感器技術領域的重要發展方向與發展趨勢。


        進入新世紀 ,特別是近 10 年以來 ,微電子 、MEMS、光電子技術的不斷突破 ,人工智能 、無線通訊等科技的興起 ,智能微系統技術又成為了智能傳感器的關鍵核 心技術 ,推動傳感器在社會生產生活中發揮越來越重要的作用。


        從技術發展的角度來講 ,早期的智能傳感器大都是指傳統傳感器加入處理器 ,帶有數據處理功能的傳感器;發展到現在,隨著 MEMS 技術、通訊技術、 計算機技術,特別是微系統技術、人工智能等前沿技 術的交叉融合,基于微系統技術的智能傳感器,不僅具有傳感、處理、通訊等功能,還能實現自供電、自組網、自校準、自學習等智能化的功能、性能。


        基于微系統技術的智能傳感器將在各個領域發揮重要作用,除了航空航天、高端裝備等事關國防安全、重大工程的國家戰略領域之外,在醫療健康、汽車 電子、消費電子、物聯網等事關社會經濟發展及民生領域等也都離不開智能傳感器。


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        《微納電子與智能制造》:目前中國智能微系統與 MEMS 產業的發展中 ,核心關鍵的傳感元器件的發展還存在發展瓶頸,然而機會與挑戰并存,請您介紹一下中國在該領域的發展面臨怎樣的瓶頸和挑戰,有哪些發展機遇,該如何進行突破?


        尤政院士:傳感器作為“工業基石”,是各類產業賴以生存和發展的基礎,作為“性能關鍵”,將直接決定重大裝備和整機產品的性能、質量,那么基于微系 統技術與 MEMS 技術的智能傳感器也必將成為構筑未來智能社會基礎設施、工業基礎支撐體系、各類裝備產品的關鍵。


        然而由于我國目前微系統與智能傳 感器領域的核心關鍵技術發展滯后 ,中高端傳感器受制于人 ,已經成為“卡脖子”障礙。


        我國自主生產的傳感器已完全可以滿足低端市場的需求 ,然而在中高端市場上,超過60%的市場份額被國外愛默生、 西門子、博世、意法半導體、霍尼韋爾等外國巨頭占據,特別是高端產品幾乎全靠進口,80%的傳感器芯片依賴國外。


        目前,我國主要面臨以下挑戰與瓶頸問題:


        (1)在研究主體方面,國內主要集中在高等院校與研究所,而國外還包括眾多有實力的公司和企業;


        (2)在研發投入方面,國內微系統與智能傳感器制造的專門設施較少,研發投入也較少,而國外基本都具備比較完善的開放生產線(平臺),同時投入大量研發經費;


        (3)在傳感器芯片方面,由于工藝成熟度與傳感器專用試驗設施的不足,國內差距明顯,特別是中高端芯片;


        (4)在制造與集成工藝方面,尚無微系統制造與集成的國產化關鍵設備,與國外仍有較大差距;


        (5)在產業化方面,國外多家公司已具備批生產能力,而國內總體處于集成、封裝及工程化的初級階段。


        至于對策 ,除了針對上述差距與問題落實有針對性的措施之外 ,還要圍繞智能微系統這一顛覆性關鍵技術 ,把握技術發展趨勢 ,搶占未來技術制高點,催生大批升級換代甚至變革行業的新產品,為相關傳統產業跨越式發展提供新機遇。


        在設計、制造、 測試等共性基礎技術方面進行重點發力,在感知、處理、通訊、執行、供能等重要關鍵技術方面進行重點突破 ,同時在感知智能微系統、空間智能微系統、生化分析微系統、新概念智能微系統等前沿方向布局 示范。


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        《微納電子與智能制造》:智能微系統與 MEMS 技術的發展需要政策支持、技術創新、成果轉化、應用創新等產業鏈上下游的協同合作 ,請問您對其發 展中產學研用的合作模式有哪些建議? 


        尤政院士:一方面,學科深度交叉融合的特點決定了智能微系統與 MEMS 技術的人才門檻、資金門檻、技術門檻均較高;另一方面產業環節多 ,細分技 術譜系廣 ,導致智能微系統的投資回報周期比較長。


        因此 ,只有打通技術、機構、資金之間的條框與分割 ,整合重組各類創新要素 ,推動機制創新、模式 創新和管理創新,加強復合型人才培養,才能應對上述挑戰。


        統籌各項創新要素及科技計劃。形成智能微系 統領域的高校-研究所-企業-政府的互動機制,推進 學術-技術-產品-用戶-金融等產業創新鏈、產業鏈、 資金鏈的生態建設 ,充分統籌國家、地方、機構等各級科技規劃 ,發揮相關戰略規劃管理機構與各級專 家咨詢委員會的智力及影響力作用 ,支撐智能微系統領域的科學發展。


        支持打造產業共性技術平臺。針對智能微系統 技術體系中產業相關性強的共性關鍵技術,如設計、 制造、測試等,支持平臺性研發機構建設,開展共性 基礎理論、關鍵核心技術、共性軟硬件產品及其創新 研發工作,推進智能微系統技術生態可持續發展。


        推動智能微系統技術的產品示范應用。提升智能微系統技術解決方案的供給能力 ,推進感知智能 微系統等目前的典型智能微系統技術在航空航天、 高端裝備、能源交通、工農業生產等關鍵領域發揮積極作用;加快智能微系統技術在醫療健康 、汽車電 子、消費終端、物聯網+等領域的規模應用;探索新概 念智能微系統技術的顛覆性應用 ,為未來社會生活 方式的發展變革提供技術儲備。


        加大復合創新型人才培養力度。設立智能微系統相關的跨學科門類培養機制,擴大相關本科生、研究生招生規模;加強智能微系統的職業教育與工程教育;加強教學、科研與產業的融合,培養多領域、多學科交叉的復合型人才;通過多種機制和特支政策支持,吸引國內外智能微系統領域的高層次人才;改革評價機制,加強扶持力度,使得青年科技人員能夠長期、穩定開展研究。


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        《微納電子與智能制造》:請您預判一下未來幾年國內外智能微系統與 MEMS 技術的重要發展趨勢。


        尤政院士:準確的技術預測有點兒難度,就好比我們在幾年以前智能手機剛出現的時候 ,來預測現今智能手機在生活中的地位與作用。不過一些發展 趨勢還是已有呈現的,前面已經提到過一些,這里再談一下。


        智能微系統技術已經呈現出很強的學科獨立特征和系統層次上的內在特性 ,從理論、設計、制造到集成、封裝、測試、應用開發都形成了獨特的理論和方法體系的雛型;由于智能微系統涉及的學科和技術門類眾多,交叉融合性極強,還處于學科體系發展的初級階段 ,一些重要的共性基礎問題與關鍵核心技術需要突破。


        (1)架構與設計方法:跨尺度、多層級、全能域的建模方法與模擬仿真手段 ,基于多學科優化思想的 設計理論、方法、工具,如:智能微系統 EDA 工具等, 均是設計方面的重要技術趨勢 ,通過逐步建立智能 微系統設計的 IP 數據庫 ,來實現智能微系統的數字 化敏捷開發。


        (2)先進制造與集成技術:探索智能微系統中微 納尺度的力學、流體力學、傳熱學、電磁兼容等基礎 理論,明晰微尺度效應與宏觀、介觀效應的區別與聯 系;突破三維集成 、異質/異構集成 、芯粒集成 ,以及 面向場景的訂制化集成等關鍵技術;解決材料、結構 與器件、芯片、互連、接口等微系統部/組件在應用環 境下的熱匹配、熱隔離、熱傳導、電隔離、電連接、電 磁兼容等集成技術難題;形成滿足智能微系統快速、 靈活需求的先進制造技術體系。


        (3)測試技術與標準化:由于智能微系統的特征 尺度在微米納米量級 ,系統組成復雜 ,功能種類繁多,傳統測試分析手段面臨很多挑戰。因此,發展涵蓋機理-材料-工藝-器件-模塊-微系統等多個層面 , 以及力-熱-電-磁-光-生-化等多參量 ,且與設計 、制 造、集成、封裝等環節緊密結合的測試理論、方法及 手段至關重要。


        此外 ,深入理解智能微系統中模塊 化功能單元、加工工藝以及材料之間的相互影響,并進行概念、術語、接口的標準化 ,加快技術體系與測 試體系的規范化 ,是智能微系統的重要發展趨勢與必由之路。


        來源:《微納電子與智能制造》2020年第4期、傳感器專家網(由動感傳感整理)



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