中国学科发展战略·微纳机电系统与微纳传感器技术

第一章 微纳机电系统与微纳传感器的战略地位

传感器是能感受到被测量的信息并将其按一定规律转换成可用输出信号 的器件或装置。信息技术中主要包含信息获取、信息处理（包括存储）和信 息传输这三大重要技术，在作为信息源头技术的信息获取中，传感器技术占 据着越来越突出的重要作用。随着传感器集成化与微小化制造技术的发展, 传感器也已经使用了雷达中使用的多普勒效应及光电遥感中使用的各种效应 来进行信息获取。并且，随着将以往庞大力学及谱学分析仪器（如色谱仪、 质谱仪、离子迁移谱仪、拉曼光谱仪等）实现了 MEMS微小化和集成芯片化 后，很多原来的仪器也被变成了现场大量廉价应用的传感器。因此，传感器 的内涵与外延也随技术和应用的发展不断丰富和扩大。总之，在信息获取、 处理和传输中，传感是信息技术的源头技术。当今世界进入了智能和智慧时 代，无论如何是不能没有传感器技术的。

从应用的角度看，传感技术是基础性、关键性和战略性高新技术，在 先进制造、航天国防、环境资源、健康医药、物联网乃至智慧地球等众多 领域，都有着广泛的重大需求。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006-2020年）》等国家重要战略规划报告中，都在多处对传感技术发展做 出了重点部署。同样，国际上对传感器技术的发展也都十分重视，美、欧、 日等发达国家和地区都纷纷把传感器作为“21世纪优先发展的十大顶尖技术之一 ”。

近期，随着“互联网+”、大数据/云计算、智慧城市、智慧农业、物联 网、智能手机与可穿戴装备等的快速发展，作为信息获取源头的传感技术, 就像对应于大脑的五官一样，受到了前所未有的高度重视。有人预测，未来 全球每人将平均拥有数千只传感器，这些传感器存在于手机等个人终端中、 智能化的家居内、自动驾驶的汽车上、办公和工作环境中、社会公共场所 里，等等。因此，传感器产业的规模也在不断地迅猛增长。据国际专业咨询 机构法国Yole Developpement公司的调研和预测，目前微型传感器和执行器 的产业规模已经超过了整个半导体产业的10%,据不完全统计已经达到了数 百亿美元的年产值，并且还在以接近15%的年增长率快速增长。

传感器的应用，体现了其巨大的市场带动能力和社会效益。对于一些国 防和航天等应用的重要传感器，其国产化具有重要的战略意义和社会效益。 即使是民用传感器，其作为信息获取源头，也具有很大的产品价值链带动能 力，往往尾端的价值要被放大很多倍。例如，近期放在某品牌智能手机内部 的一个用于高度测量的气压传感器，其传感芯片的市场价格仅为几美分，但 是为了让该传感器具备根据气压大小测量高度的功能，需要将该芯片与价格 更高的接口 IC芯片封装于一体；而为了将该传感器放置于手机内，其采用 的超小型器件封装技术的成本则超过了芯片本身的价格；最后还要利用自动 化方法对高度传感器信号的非线性和全温区温漂进行补偿和批量数据烧录校 准，这一步则要付出更高的成本。该传感器在手机内与协处理器联系后被注 入智能导航等功能软件，就可以与其他运动量传感器一起协同进行基于位置 的服务等，在业务平台支撑下实现新的业务模式。从该事例可见，传感芯片 价格在整个传感微系统中只占了很小一部分，其后续的微系统和应用服务功 能会带来价值的巨大放大。但是，该传感器芯片的测量性能直接决定了整个 功能是否能够达到应用高要求，没有这个价格很低的传感芯片，其后续连续 放大的价值链便无法实现。因此，传感器作为传感系统和功能模块的源头,应受到足够重视。

在未来10年，传感器的应用将获得爆炸式的增长，其主要的应用新兴 市场包括：①智能手机、无人机、可穿戴等智能消费类电子产品；②汽车电 子、自动驾驶乃至新能源汽车；③5G乃至6G通信模式下的物联网万物互联, 包括环境和安全监控；④智能机器人乃至“互联网+”支撑下的智能工业控 制；⑤医药设备乃至“互联网+”大数据云计算支撑的大众健康事业；⑥真 正自主地满足国家重要装备需求；等等。

传感器之所以能在近期获得海量的应用，与目前实现传感器微型化和规 模化制造的微纳机电系统技术是分不开的，MEMS工艺已成为实现传感器制造的最主要技术手段。MEMS一词的来源，可追溯到20世纪80？90年代美 国国家科学基金会（NSF）与美国国防部高级研究计划局（DARPA）联合召开 的战略新技术研讨会，会后发布的联合报告题目为幺儿Emerging Technology — Micro-Electro-Mechanical Systems,此后 MEMS 一词就与传感器密不可分了。 传感器的英文为transducer （又译：换能器），其包括了 sensor和actuator两 部分，而MEMS是制造当代主流sensor和actuator的主要技术方法。换言 之，MEMS和当代传感器之间的关系已达到密不可分的程度。图1-1是Yole Developpement公司给出的近期MEMS市场图。

图1-1 Yble D^veloppement公司给出的近期MEMS市场图（文后附彩图）

MEMS是一种多学科交叉后的融合技术，是继集成电路技术之后，信息 产业中又_个高新技术领域。该技术既是集成电路技术在器件功能上的扩展 和延伸，也是微电子“超越摩尔”之路向前发展的主要技术途径之一。微纳 机电系统技术首先是一种先进的微纳制造技术，其与很多微纳制造技术的区 别在于它延续了晶圆级高可靠性重复制造的模式，目前成为微纳传感器、微 纳机电系统器件和集成模块制造的主要手段。该技术所拥有的低成本规模制 造优势，为传感器带来了应用领域的大幅扩展，在保留传感器于航空航天、 工业自动化、汽车电子和医疗设备等领域的应用前提下，带来了传感器在物 联网、智能装备、智能移动终端和智能消费类电子等新一代事业中官方应用 的新的革命，成为诸多高科技产业中的核心器件之一。而采用该技术集成制 造的复合传感器提供了多传感信息获取和融合的发展动力，使传感器成为云 计算和大数据挖掘实时动态信息数据的一个主要来源。而所谓的NEMS技 术，是MEMS技术的跨尺度延伸，即当微系统结构中工作的特征尺度达到了 纳米尺度，MEMS就变成了 NEMSo可以说，传感器技术正是在微纳机电系 统技术发展的支撑下，在当前获得了最好的历史发展机遇。

微纳机电系统技术和微纳传感器已在国民经济和国防建设中发挥了不可 或缺的支撑作用,并将进一步引领未来信息技术和人工智能的发展。

 

李昕欣（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）