集成智能传感器：智能社会的五官

无人驾驶汽车、物联网（IOT）、可穿戴设备和机器人等无疑是未来最重要的新技术发展方向，将构成人类社会从信息社会转变到智能社会的物质基础，必将对人类社会产生深刻的影响。

信息与智能社会的发展，得益于计算机技术、通信技术、大规模集成电路技术、微机械加工技术以及传感器技术的迅猛发展。其中微型化的集成智能传感器，将是智能社会区别于信息社会的标志性器件。在信息社会，信息的来源主要是计算机终端通过人工方式采集和输入；而在智能社会，是信息获取件，主要是集成智能传感器。这些传感器就像人们的“五官”，不断将各种环境状态信息采集到电脑系统中，为各种智慧系统输入大数据。可以预见，集成智能传感器将逐渐从信息技术发展中的“配角”变为“主角”，将成为各个发达国家进行技术角逐的技术高点之一。新型集成智能传感器的市场已经逐渐成为各种创新型企业乃至传统大型企业争夺的热点。可以说，信息技术和智能社会的演变以及未来社会的需求为传感器的发展带来了良好的前景与机遇，为传感器的创新提高了极大的想象空间，也对集成传感器的研究和生产提出了前所未有的挑战。 

什么是集成智能传感器

集成智能传感器是指利用现代微加工技术，将敏感单元和电路单元制作在同一芯片上的换能和电信号处理系统。敏感单元包括各种半导体器件、薄膜器件和MEMS器件，其功能是将被测的力、声、光、磁、热、化学等信号转换成电信号，相当于人类能对环境进行感知的五官：光学传感器如同人类的眼睛，可以看到周围环境；声传感器相当于人类的耳朵，可以听到周围环境的声音；气体传感器则相当于人类的鼻子，可以测量环境的“气味”即化学成分；化学传感器相当于人类的舌头，可以感知化学物质的酸碱盐成分；而各种力学传感器则相当于人类的肢体手足，可以感知压力及速度等力学参数的大小。实际上，智能传感器的感知范围远远超过人类的感知能力。如光学传感器的探测范围可以从x射线、紫外线、可见光直至红外、远红外直到T赫兹波段，而且智能传感器也比人类的感官更加精确，因为现代传感器是数字化、智能化的。现代传感器不仅包括敏感单元，同时也包括由现代集成电路构成的信息处理单元，包括信号拾取、放大、滤波、补偿、模数转换、数据处理等。集成智能传感器是现代传感器技术发展的必然趋势，其演进的步伐紧跟集成电路的发展道路。

早在20世纪60年代，科学家就开始了基于硅技术的传感器研究。20世纪70年代，美国斯坦福大学、欧洲代尔夫特（Delft）大学等就开展了集成传感器的探索研究，探索将温度传感器、湿度传感器和压力传感器与简单的CMOS读出电路进行集成制作。20世纪80年代中期，在硅半导体集成电路技术巨大成功的启发下，随着微加工技术的发展以及为了迎接各种新型能量/信号变换的需要，美国伯克利大学加州分校的学者提出了MEMS的概念，其主要目的是制作可动的硅微机械部件并将其与微电子集成电路制作在一起，形成微电子机械系统。在这样的系统中，不仅包含有电子电路，同时含有必要的机械运动部件（传感器及执行器）；直径只有50微米的微型马达的成功制作，是该技术成功的标志。在全球大学中包括清华大学、北京大学、中国科学院等单位研究人员的共同努力下，MEMS技术随后飞速发展，研究出了多种基于不同物理和化学原理的新型MEMS传感器，包括加速度传感器、压力传感器、麦克风等。2000年前后，随着移动通信技术和智能手机市场的发展，以微型化为特点的MEMS传感器产品市场得以迅速发展，其中主要产品是硅麦克风、加速计和陀螺仪及压力传感器。

随着材料技术和微加工技术的发展，目前集成传感器正在智能传感器系统迅速发展，主要包括以下几个方面：其一是系统化，即在电路方面不但包括模数部分，同时包含数据部分、逻辑计算，未来还要包含天线和无线收发单元；其二是多功能化，比如一个集成传感器模块可以同时感测温度、湿度、压力等多种变量；其三是阵列化，阵列化不但是某些应用领域如光学传感器、红外传感器等的内秉需求，结合新的算法也可以为传感器赋予新的功能，如气体传感器、声学传感器等可以增加测量内容，提高感测信息的丰度；其四是智能化，即传感器不仅是硬件的结合，更是软硬件的结合。智能传感器早已有之，但是同时集信息的采集、调理、传输于一体的高度集成的智能传感器尚在发展之中。

集成智能传感器发展机遇

 

2010年前后，MEMS传感器市场规模已经达到100亿美元。据预测，这一市场的规模在2020年将达到200亿美元以上。与此同时，利用其他技术和原理的薄膜技术、CMOS技术的新型传感器也不断推向市场。据有关报道，我国的传感器市场在2014年也已经突破1000亿元人民币。从一般的经济规律来看，200亿美元的传感器市场至少可以带动2000亿美元的应用系统市场，并将最终为上万亿的IOT市场提供物理基础。

随着人们在人工智能技术（AI）、虚拟现实技术（VR）、无人驾驶技术（包括飞机和汽车）和通信技术领域的不断进步，新技术的发展不仅为集成传感器技术的发展提供了广阔市场的空间，同时也为之提供了新的发展平台。这就是技术发展史上的“交叉推动”作用。以5G通信为例，该技术将在2020年前后得到推广。5G技术将提供更快达到毫秒级的接入速度、1GPBS的高速数据流量和局域数十万的接入节点。当5G通信为万物互联提供技术基础建立以后，人类是否真正进入IOT时代的关键因素就在于是否能实现满足各种要求（环境、可穿戴、工农业、建筑、医疗等）的低成本高性能的无线传感节点（WSN）。估计到2030年，地球上的物联网传感器将有上万亿颗，平均每人拥有数颗传感器。加上天上人间的无人机和无人驾驶机器人市场，可以说智能传感器的市场前景不可估量。

如果说智能社会的发展为智能传感器的发展提供了技术趋势的历史性机遇，我国的社会经济发展则为智能传感器的发展提供了巨大的环境机遇。从以《中国制造2025》为代表的一系列战略规划的制定，都可以看到国家和政府对智慧系统、智能传感器技术前所未有的重视。中央政府和各地地方政府对物联网、智慧系统的建设以及对创新创业的鼓励，必将对中国智能传感器技术的发展起到巨大的推动作用。总而言之，集成智能传感器产业作为技术产品在中国遇到了发展中最好的“时空机遇”。

集成传感器技术面临挑战

 

集成智能传感器技术的发展也为大规模集成电路技术进入后摩尔时代提供了有力的支持。后摩尔时代的集成电路不仅需要有对信息的计算和储存功能，同时要有对信息感知、传输和执行的功能。未来集成智能传感器不但是传感器技术和集成电路技术的会师，也是人类各种知识、各种技术的大汇聚。包括物理、化学、生物原理的运用，MEMS/NEMS技术和集成电路技术等先进制造技术的整合，以及含有不同算法的软件和硬件的结合。集成智能传感器的发展不可能“单兵独进”，仍然以MEMS集成智能传感器为例，200亿美元是每年不可缺少的。数十亿美元的加工设备和材料需求，这就需要进行材料、设备等领域的全面突破，才能占领智能传感器领域的制高点。由此可见，使我国在以MEMS传感器为主的集成智能传感器技术得到稳步发展，具有重要的战略意义。

目前我国的集成传感器市场蓬勃发展，集成智能传感器、无线传感器节点研究方兴未艾。国内基于MEMS和半导体的创新型企业如雨后春笋，出现了多家在国际上名列前茅的知名传感器产品系统供应商，但是在集成传感器核心技术和高性能芯片制造方面，和国际知名企业如Bosch、ST、InvenSense等尚有不小的差距。如果我们在传感器发展的技术战略上没有很好的布局，很可能会重蹈20世纪八九十年代集成电路领域的覆辙，起个大早、赶个晚集。全面发展集成智能传感器需要应对一系列挑战：包括如何获得原创性技术突破，利用新原理、新材料、新结构实现具有自主产权的新型传感器；如何完善集成传感器生产和加工技术产业链，以构建一流的MEMS加工制造企业为核心，带动材料、设备、封装企业的发展；如何进行系统集成，实现高性能、低功耗、现场即用的低成本无线集成智能传感器系统。

集成智能传感器技术的突破与发展

 

集成智能传感器技术的突破与发展需要抓住一点两面，以市场和机遇为制高点，从基础原创和产品集成两个方面同时入手。在基础原创方面，需要进行产学研结合，发挥广大科研企业研发人员的协同作用，面对市场需求，发扬科学精神和工匠精神，在我国集成传感器现有的技术基础上，努力工作、大胆创新，利用新原理、新材料，进行原创性研发，实现适合未来智能传感器的原创性突破，各种二维新材料、量子电子器件、生物分子器件的发展为上述突破提供了新的空间。中国综合科技实力已经得到国际承认，上述突破的实现指日可待。在产品集成技术方面，需要国家的战略布局和资金的合理运用。中国政府和学术界、企业界有广泛的互动，相信会制定出合理的战略发展规划。而实现低成本高性能的集成传感器，从目前来看最好的解决方案是SoC（System on a Chip）。已经发展前CMOS或者后CMOS工艺的MEMS集成传感器方法，但是实现真正的SoC集成传感器尚需时日。业界广泛认为，目前SiP（System in Packaging）是实现集成传感器的最佳方法。SiP是指将多个具有不同功能的模拟电路、数字电路、射频无源器件以及 MEMS传感器、半导体传感器或其他器件优先组装到一起进行封装，实现一定功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统。已经在无线通信、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等领域得到广泛应用。面向未来智能系统需求的SiP，需要将无线通信系统集成在一起，这就是WSIP系统。WSIP系统的技术基础已经存在。这就是业界已经研究多年的RF MEMS（射频微机电系统），该技术是运用MEMS技术制作用于射频和微波领域的MEMS器件。主要的RF MEMS器件包括电容、电感、开关、谐振器以及基于上述器件的RF MEMS模块单元及系统包括RF MEMS移相器、衰减器、滤波器、智能天线等。从20世纪90年代提出开展RF MEMS研究以来，RF MEMS在开关、滤波器、振荡器的器件和应用方面已经取得巨大进步。

将集成电路技术、RF MEMS技术和集成传感器技术结合，制作新一代无线集成智能传感器，将是未来智能社会的必然选择，有巨大的产品市场和创新空间。

作者：刘泽文，清华大学教授、博导。毕业于中国科技大学、法国巴黎十一大学，曾任清华大学微电子研究室副主任，研究所副所长等。主要研究方向为微电子工艺和器件、MEMS和传感器。