文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫，作者 | 立言

好奇心是人類(lèi)的天性之一，它驅(qū)使著我們?nèi)チ私�，去探索未知的世界。隨著時(shí)代的發(fā)展，人類(lèi)五感所能感知的信息，已經(jīng)無(wú)法跟上人們對(duì)世界不斷探索的步伐。科技的發(fā)展帶給了我們?cè)鰪?qiáng)和拓展五感的可能。

傳感器是數(shù)據(jù)采集的源頭，它無(wú)處不在。

智能最前端所需要的態(tài)勢(shì)感知，基本都是要從傳感器開(kāi)始。無(wú)論是智能制造、智慧城市、智慧醫(yī)療等，還是智能設(shè)備和大數(shù)據(jù)分析，再龐大的智能系統(tǒng)，都要從傳感器的針尖上開(kāi)始。

近日，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫對(duì)話中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李昕欣教授，從傳感器的驅(qū)動(dòng)力談到未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景，在交流中李昕欣還分析了什么是中國(guó)發(fā)展傳感器的最大優(yōu)勢(shì)。

“一元”傳感器產(chǎn)值，可帶動(dòng)“百千萬(wàn)”元應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)值

世界萬(wàn)物最終都要轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，才能采集出電子數(shù)據(jù)。

傳感器的品種繁多，過(guò)去有句話叫 “多品種、小批量”。傳感器涉及物理、化學(xué)、生命等多個(gè)領(lǐng)域，從事不同類(lèi)型傳感器研究者可以來(lái)自不同的學(xué)科領(lǐng)域。比如，從事生物傳感器研究的人與從事物理傳感器研究的人通常不是同一專(zhuān)業(yè)畢業(yè)的，但傳感器的本質(zhì)功能是一樣的。

全球傳感器市場(chǎng)發(fā)展成熟，每年需生產(chǎn)千百億只傳感器。

根據(jù)德國(guó)Statista數(shù)據(jù)分析公司數(shù)據(jù)，2022年全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模為2512.9億美元（約1.79萬(wàn)億人民幣）。其中我國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模為3096.9億元人民幣，2019—2022年均復(fù)合增長(zhǎng)率為12.26%。

李昕欣說(shuō)到：“傳感器雖然產(chǎn)值不高，但它具有驅(qū)動(dòng)力，即Driving force。比如一個(gè)傳感器可能很便宜，只需要一元，但為其配備的信號(hào)處理相關(guān)部件可能價(jià)值 10 元。但不能因此認(rèn)為傳感器不值錢(qián)，因?yàn)槿绻麤](méi)有傳感功能，之后的 10 元是沒(méi)有用的，它起到牽引帶動(dòng)作用�！�

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，作為數(shù)據(jù)感知關(guān)鍵環(huán)節(jié)的傳感器正向智能方向發(fā)展。李昕欣表示，傳感器智能化背后有三層含義。一層含義是本身傳感的效應(yīng)，比如仿生智能，即模仿生物的傳感效應(yīng)，類(lèi)似的例子是模仿蒼蠅的復(fù)眼。另一層含義是類(lèi)腦智能，模仿人的腦干、小腦、大腦等。第三層含義是傳感器在信號(hào)處理方面體現(xiàn)出的智能性。由于環(huán)境干擾，傳感器輸出的信號(hào)可能不清晰，此時(shí)可以利用后續(xù)電路計(jì)算、卷積積分等智能算法對(duì)信號(hào)進(jìn)一步提純，提高信噪比。

李昕欣在采訪中表示：“傳感器涉及的學(xué)科很多，所以很多人都對(duì)它感興趣。實(shí)際上，對(duì)它感興趣的很多人是‘用傳感器’，但我們現(xiàn)在缺乏對(duì)‘做傳感器’的關(guān)注，這是源頭技術(shù)�！�

“越便宜的傳感器，越難做”

談到MEMS傳感器的難點(diǎn)，李昕欣說(shuō)到：“世界上最難做的傳感器是用量最大、要求最便宜且性能并不高的傳感器�！币晕覈�(guó)為例，航天傳感器已實(shí)現(xiàn)自主供應(yīng)。然而，在蘋(píng)果手機(jī)中能集成多少我國(guó)制造的傳感器呢？傳感器需要具備成本效益，有這么一句話：“Cheap is high technology.（廉價(jià)就是高科技）”

航天領(lǐng)域用的傳感器，做十個(gè)挑一個(gè)好的，其余九個(gè)不用也沒(méi)關(guān)系。手機(jī)需要的傳感器，只要有一個(gè)指標(biāo)未達(dá)標(biāo)，就會(huì)影響手機(jī)整體性能；汽車(chē)所用傳感器的不良率必須控制在百萬(wàn)分之一以下，否則一旦發(fā)生故障，后果可能是災(zāi)難性的。

因此，高端設(shè)備的應(yīng)用雖然要求嚴(yán)格，但對(duì)價(jià)格的敏感度相對(duì)較低，系統(tǒng)本身的高價(jià)值使得成本增加幾元并不構(gòu)成問(wèn)題。而在全球范圍內(nèi)廣泛使用且競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域，如手機(jī)行業(yè)，隨著競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度顯著增加，對(duì)成本的控制尤為嚴(yán)格。任何成本的輕微上升均可能對(duì)產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生影響。李昕欣表示：“技術(shù)最終要服務(wù)應(yīng)用，同時(shí)還要在固定價(jià)格以內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這就需要進(jìn)行策略權(quán)衡�！�

除了成本效益外，傳感器的制造、測(cè)試、多傳感器的融合都面臨著不同的挑戰(zhàn)。

在制造方面，傳感器與集成電路仍然存在很多不同之處。盡管，MEMS制造技術(shù)脫胎于半導(dǎo)體的光刻、刻蝕等經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，但集成電路往往是制造平面的東西，而MEMS傳感器，如陀螺、加速度、壓力傳感器等，需要雙面加工，以形成三維結(jié)構(gòu)。光刻掩膜板是二維的平面圖形，通過(guò)加工變成三維的微小結(jié)構(gòu)。李昕欣說(shuō)到：“從二維到 2.5 維或三維本身就很復(fù)雜，這種轉(zhuǎn)變成為了技術(shù)的難點(diǎn)所在。”

制造過(guò)程的復(fù)雜性，在需要將眾多傳感器集成時(shí)，困難無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步加劇。不同的傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的大小、薄厚等要求不一樣，如果一起制作，滿足其中一個(gè)傳感器，很有可能就達(dá)不到另一個(gè)傳感器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)�！按蠹铱偸窍氚鸭�成電路和各種傳感器全集成在一片上，理想是好的，但這樣做可能會(huì)導(dǎo)致成品率很低、制造成本過(guò)高，同時(shí)不能保證每個(gè)傳感器的性能都是按照最佳尺寸來(lái)設(shè)計(jì)�！�

在設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)時(shí)，若單個(gè)產(chǎn)品的合格率為99%，但如果將 10 個(gè)集中在一起，簡(jiǎn)單計(jì)算會(huì)發(fā)現(xiàn)成品率達(dá)不到99% 。如果數(shù)量再多的話，可能甚至不到 50%。這就導(dǎo)致生產(chǎn)失去意義，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的批量生產(chǎn)。

無(wú)論是應(yīng)用在哪個(gè)領(lǐng)域的傳感器，對(duì)其都有一個(gè)共同訴求，就是可靠。傳感器是否可靠，需要依靠測(cè)試。李昕欣說(shuō)到：“我一直認(rèn)為傳感器的測(cè)試是最難的，特別是大批量產(chǎn)品的自動(dòng)化測(cè)試�！�

IC 測(cè)試時(shí)，輸入輸出都是電信號(hào)，給一個(gè)脈沖串，經(jīng)過(guò)邏輯電路出來(lái)測(cè)延遲等。但傳感器不一樣，比如陀螺，輸入是角速度，輸出是電信號(hào)；壓力傳感器則需要鏈接管道；氣體傳感器要輸入特定濃度的氣體。傳感器的測(cè)試很難，難點(diǎn)在于模擬真實(shí)傳感環(huán)境輸入。

李昕欣表示，傳感器有很大部分不是電子設(shè)備，還需要將場(chǎng)景應(yīng)用考慮進(jìn)來(lái)。在這方面，不能只強(qiáng)調(diào)產(chǎn)能和制造。測(cè)試方面，尤其是大規(guī)模多品種的測(cè)試，在單一工廠內(nèi)難以完成，必須分散至多個(gè)工廠，而每個(gè)工廠的產(chǎn)量又相對(duì)較少，難以盈利。能夠非常柔性地對(duì)多種場(chǎng)景、不同量進(jìn)行快速自動(dòng)化檢測(cè)的技術(shù)是非常困難的。

中國(guó)發(fā)展傳感器的最大優(yōu)勢(shì)

在探討哪些領(lǐng)域?qū)⒋龠M(jìn)傳感器技術(shù)的增長(zhǎng)時(shí)，李昕欣如數(shù)家珍般詳盡地列舉了相關(guān)領(lǐng)域。

第一是汽車(chē)市場(chǎng)。汽車(chē)電子化，使得車(chē)需要的傳感器越來(lái)越多。即便并非電動(dòng)汽車(chē)，傳統(tǒng)燃油車(chē)的電子部件成本也已超越了發(fā)動(dòng)機(jī)。過(guò)去，人們普遍認(rèn)為汽車(chē)的核心在于發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)，然而現(xiàn)今在汽車(chē)產(chǎn)值構(gòu)成中，燃油系統(tǒng)的比重已不及電子部件部分。而為了實(shí)現(xiàn)有效的控制，首要任務(wù)是需要傳感器獲取傳感數(shù)據(jù)。

第二是手機(jī)等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)。移動(dòng)通信設(shè)備與消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)頗具規(guī)模，得益于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的微型化、低功耗、低能耗以及大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，這些傳感器得以實(shí)現(xiàn)低成本、小型化，進(jìn)而被廣泛集成于智能手機(jī)之中。

第三是醫(yī)療市場(chǎng)。為防止交叉感染，眾多醫(yī)療產(chǎn)品被設(shè)計(jì)為一次性使用。例如，在安裝支架過(guò)程中，需使用一次性傳感器來(lái)測(cè)量動(dòng)脈；在進(jìn)行腦部手術(shù)時(shí)，也需使用一次性顱內(nèi)壓傳感器。上述情況均構(gòu)成了傳感器技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。

第四是物聯(lián)網(wǎng)、智能樓宇、智慧城市、智能地球等。這些場(chǎng)景要實(shí)現(xiàn)智能，均離不開(kāi)傳感器的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)智能化的前提是確保一切皆處于可控狀態(tài)。例如，光傳感攝像頭所使用的CMOS芯片，同樣也是智能手機(jī)攝像頭的核心組件。在智能樓宇的構(gòu)建中，一棟大樓內(nèi)可能設(shè)有成千上萬(wàn)的通風(fēng)口，每個(gè)通風(fēng)口都配備了傳感器以實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)量，從而達(dá)到節(jié)能、提升舒適度和工作效率的目的。

李昕欣說(shuō)到：“世界向前發(fā)展，越來(lái)越難以找到一個(gè)單一的方向作為驅(qū)動(dòng)力。各行各業(yè)，電子領(lǐng)域包括半導(dǎo)體和傳感器，已經(jīng)滲入到社會(huì)的每一個(gè)細(xì)胞，每個(gè)人以后可能會(huì)擁有很多傳感器，需要多種傳感器采集數(shù)據(jù)才能做出判斷，其中任何一個(gè)傳感器都不可或缺�！�

談到中國(guó)發(fā)展傳感器，有什么樣的優(yōu)勢(shì)？李昕欣表示，中國(guó)最大的優(yōu)勢(shì)在于市場(chǎng)。

他回憶到，過(guò)去曾在新加坡工作，新加坡的學(xué)者和研究者們雖然也研究出很多成果，但是很難找到應(yīng)用場(chǎng)景，高端產(chǎn)品需要從美國(guó)進(jìn)口，低端產(chǎn)品從其他國(guó)家進(jìn)口。新加坡盡管處于產(chǎn)業(yè)鏈中，但既看不到源頭的科學(xué)研究，也看不到末端的應(yīng)用，所以比較被動(dòng)。

中國(guó)擁有巨大的市場(chǎng)，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)體系包括航天、國(guó)防等，是一個(gè)較為獨(dú)立完整的體系。我們經(jīng)常談?wù)擄w機(jī)國(guó)產(chǎn)化，甚至關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)能否國(guó)產(chǎn)化，以免陷入被動(dòng)局面。中國(guó)力圖建立更強(qiáng)大的工業(yè)體系。在這種情況下，傳感器就大有用處了，很多傳感器需要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

中國(guó)是大國(guó)，學(xué)科也全面。傳感器涉及光、力、熱、電磁、生物、氣體等眾多學(xué)科。一些較小的國(guó)家，即使是先進(jìn)國(guó)家，也可能無(wú)法顧及所有領(lǐng)域，無(wú)法全面鋪開(kāi)，只能專(zhuān)注于一兩種與本國(guó)工業(yè)最契合的領(lǐng)域。而中國(guó)各個(gè)方面都很重要，市場(chǎng)都很大，需求也都很旺盛。這給科研工作者，尤其是傳感器科研工作者提供了很好的機(jī)遇。

李昕欣感嘆到：“中國(guó)有一個(gè)相對(duì)豐富和完整的體系，讓科研人員和從業(yè)人員有的放矢、有用武之地。只要做好了，一定能找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景。”