微纳机电系统与微纳传感器技术 发展报告摘要

传感器技术是信息源头获取技术中的重要手段，近期受到广泛的高度关注。根据当今各个行业对传感器体积缩小、功耗减少、价格降低和规模制造能力增强的迫切需求，微纳传感器越来越受到应用领域的欢迎。同时，实现微纳传感器批量制造的微纳机电系统（micro/nano-electro-mechanical systems，MEMS/NEMS） 技术也逐步成为使用最广泛的先进工艺技术手段之一。

《微纳机电系统与微纳传感器技术》（国家自然科学基金委员会，中国科学院编. 北京：科学出版社，2020.8）一书对微纳机电系统与微纳传感器领域的主要技术进行了分类阐述，凝练了技术发展需要解决的科学问题，梳理了发展现状和趋势，讨论了发展方向和思路，从而有针对性地提出了发展的对策建议。

本书的写作和编撰人员由传感技术联合国家重点实验室的研究人员组成，同时得到了该领域很多著名学者的指导和建议。本书的出版得到了中国科学院和国家自然科学基金委员会等部门的立项支持和悉心指导。

本书将技术进展分析与我国的发展思路结合起来，在迎接科学技术发展挑战的同时，着重考虑我国国情和中长期战略发展规划，目的是让科学技术这个“第一生产力”最终落地到促进我国经济转型提升和社会全面发展的事业中。本文分享报告摘要如下。

报告摘要

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地位。传感器技术近年来获得了海量的应用，这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，微纳机电系统工艺已成为实现传感器制造的最主要技术手段。

微纳机电系统技术是多学科交叉后的融合技术，是继集成电路（IC）技术之后，信息产业中的又一个高新技术领域。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。

从感知对象的信息获取、转换、输出到信号接口处理，传感器的检测链路是有共性的，总的优化原则是信号获取的信噪比越高越好，传感检测和转换传输链路上的精度损失（包括时间漂移、温度漂移等）越小越好，链路上的时间延迟和能量消耗越小越好。其他共性包括环境应用的可靠性、传感器体积质量等。但是，随着传感探测的目标对象种类不同，其敏感效应会有很大的不同，甚至归属于不同的学科。例如，物理量的检测与生化量的检测，在敏感效应原理上完全归属于不同学科。因此，在传感器和微纳机电系统技术的发展中，除了有共通的规律外，不同种类传感器的发展有其各自的学科特点。

现阶段和未来10 年内的微纳传感器发展特点基本上可以用“加、减、乘、除”四个字来概括。

所谓“加”，就是需要大力发展具有很强加工覆盖能力的微纳机电系统工艺，用相同的工艺在芯片上集成更多维度和轴数的传感器，通过对集成的传感器种类做加法，来提升多传感器协同工作下的系统功能。

所谓“减”，就是要对化学类传感器的敏感材料的种类做减法，通过寻找敏感材料和敏感效应背后化学分子作用的物理化学本质参数，从本质上对目前种类繁多的化学敏感材料进行综合分析和系统优化，淘汰大多数并不实用的敏感材料，选取到综合参数具有优势的、可实用的化学敏感材料和化学传感器。

所谓“乘”，就是针对检测成分十分繁多和复杂的水环境或大气环境，力图采用微纳机电系统集成制造技术发展出具有多种独立谱学检测原理的微型化多谱学传感器，获得多谱学传感器采集的正交多维信息，对多维正交信息采用类似乘法的处理，并通过智能算法对信息进一步提升和提纯，最终达到对混杂环境的分析和检测能力。

所谓“除”，就是要重视现场物联网节点传感器获得信息除以消耗功耗这个能效比参数，大力发展信息获取能力强且消耗电能少的新型物联网监控节点传感器，实现环境中的方便安置和海量应用。

针对我国微纳机电系统技术与传感器的发展思路和方向有如下建议。

1. 将超越摩尔定律与延续摩尔定律两条路径结合起来发展

微纳机电系统传感器属于“超越摩尔”的发展范畴，因此很多时候我们国家和有关部门的科技发展规划中都把它与集成电路发展战略分离开来，根据其先进制造和自动化检测仪表的传统属性，将其发展战略放到关键基础部件或自动化机器人部分，与微电子产业分隔开来。在信息领域，很多发展战略中将传感器研究主要集中在传感器的应用研究方面，而对传感器本身的研制支持力度较小。

事实上，微纳机电系统传感器技术本身的发展从来都是受微电子技术发展影响最大的。虽然集成电路产业中很多技术是延续摩尔定律的部分，但在模拟器件、功率器件等方面的发展与微纳机电系统传感器有很多相同点，属于“超越摩尔”方向的。即使微纳机电系统传感器的发展具有超越摩尔定律的属性，但与集成电路一样，其海量市场应用的特点使其与集成电路一样追求廉价、高可靠的规模制造，因此也需要在微纳机电系统工艺“百花齐放”的基础上，实现制造工艺的相对标准化，即不总是一个器件一个工艺，而应该面对广泛应用的器件，力求采用相对一致的标准工艺来制造一大类或几大类传感器产品。另外，微纳机电系统传感器与信息处理的集成电路需要进行SoC 或SiP 方式的集成，它们之间往往是缺一不可的。事实上，传感信息处理的接口集成电路本身的造价比微纳机电系统传感器芯片部分的造价还要高很多，但是这里微纳机电系统传感器芯片部分是整个产品的主体功能部分，没有微纳机电系统传感器部分，其接口电路部分将不会存在。因此，在制定发展战略时，不能单纯以分别的产值关系来衡量重要性，而要认识到，微纳机电系统传感器部分是产品存在的前提和基础，或者说，微纳机电系统传感器对微电子或信息产业具有提供崭新市场和带动尾部高附加值的作用。

2. 要特别重视产业链中自动化大批量测试技术这个短板效应

微纳机电系统传感器与集成电路之间最大的不同之处在于：集成电路是电信号输入，电信号输出，传感器是自然界的非电量输入，而执行器是非电量输出。对于集成电路，很多情况下在晶圆级就可以依靠自动测试机软件进行电信号输入和输出间关系的确认，来完成集成电路功能的测试。然而传感器不行，物理传感器需要物理变化量的输入，生化传感器甚至需要生化反应变量的输入，这在探针台上是非常难做到的。另外，将传感器芯片与接口电路芯片连接并封装好后进行测试，在传感被测量输入方面是更容易实现的，但此时判断传感器功能的好坏又显得为时已晚，因为一个传感芯片的不正常将导致整个封装好的传感微系统报废，对成本影响很大。一般就国外企业来讲，其微纳机电系统传感器和执行器的产品测试车间是不能随便参观的。自动测试补偿技术的高产能、高效率和低成本，是该企业产品能够进入市场的关键。这种测试技术，加上定制的测试装备，往往是一个企业的高度机密。我们国家在发展传感器产业时，往往主要关心制造设备和生产线的能力建设，而忽略了传感器在测试这个环节的特殊性和产品化短板效应。制定发展规划时，这一点尤其要引起有关部门的高度关注。

3. 充分发挥我国产学研结合与多学科交叉的优势

由于传感器的种类繁多，因敏感对象的不同而必须涉及很多学科，比如，生物传感器往往需要生物技术、纳米技术、信息技术交叉的融合（BNI fusion）。所以，作为信息获取器件的传感器，其发展离不开与很多相关学科的交叉，特别是先进材料学科中的敏感材料，在传感器中是不可或缺的。此外，对于复杂对象的传感检测，仅仅研究材料和物理层面的科学与技术也是远远不够的，必须充分运用能使传感信息进一步提升和纯化的智能算法等科技手段。

我国拥有独立自主且门类齐全的科技体系。同时，我国有独立自主的国防科技产业，也有十分广阔的需求市场。因此，我国进行传感器的研发和产品化应用，有着十分优越的多学科交叉融合基础，也有着优越的产学研用合作机遇。当今的高科技，所谓前沿科技与实用化技术之间的鸿沟其实并不是那么宽，几年前的一个创意或新发现的一个敏感效应，有可能在短短几年之后就变成真正的实用传感器产品技术。当然，没有一个科技成果是可以单纯在实验室中变成产品的，关键是要通过学科间的合作和产学研用间的反馈与验证，尽快地将新的敏感效应转化成新的传感器产品技术。相关项目实施战略中，要十分关注这一点。

4. 走出我国独特的微纳机电系统与传感器规模制造技术之路

我国改革开放40 多年来，用这短短的时间跨越了西方大多数国家100 多年走过的工业化进程，并于近期与国际先进国家同步进入信息产业阶段。这其中，我们也在工业化基础方面留下了很多不足和缺憾。在微纳机电系统传感器方面，我们没有建立起像博世公司和意法半导体公司这样强大的IDM 企业（即自主设计并自己生产的企业）。我们国家已经在各个部门战略部署的支持下，建立了若干个微纳机电系统生产线，有较大的生产能力。但这些依托于某个研发单位技术基础建立的生产线并没有多少在市场上有足够竞争力的产品，而用一两个产品的产量是很难支撑和维持一个花费巨大的净化制造车间的。在微电子产业方面，我国已经成为一个半导体的“世界制造工厂”，已经建立的诸多半导体代加工厂（foundry）制造产能十分巨大。另外，我国的微纳机电系统传感器研发成果逐年增多，大量的微纳机电系统传感器初创企业纷纷成立。但这些中小企业一般都没有充足的资金马上建立自己的制造厂，而是希望能够利用代加工厂的产能来实现无生产线（fabless）企业产品的生产，力图进入市场带来第一桶金，从而进一步发展和壮大企业的能力。但往往无生产线企业的新产品需要有一个逐步增大批产量进入市场的过程。这与标准半导体代加工厂需要大批量标准加工的要求产生了矛盾，也产生了“先有鸡还是先有蛋”的困惑。政府在这个环节上的作为十分关键。建立公开服务、具有弹性产量和柔性制造能力的制造平台，以实现从样品到规模化产品的转化，是十分需要的。

5. 充分利用好我国的新一代应用平台，并在战略上持之以恒

为了改变我们在传感器研究方面大多是跟踪和追随先进国家的现状，我们要特别关注传感器的应用平台。我国近期在电子商务、“互联网+”应用和高速铁路系统等领域，已经建立了在国际上具有一定业务领导力的平台。我国的传感器研发事业，应特别注重结合这些我国具有发展话语权的平台的应用需求，在传感器的发展中，逐步建立我们的发展路径。例如，目前中医药信息化和现代化已经上升为国家发展战略，这其中需要很多传感器的应用来支撑。由于我国在中医药发展方面的独特优势，以及使用中医技术追求健康的受众数量巨大，在我国率先实现传感器在中医药事业中的广泛应用，是具有得天独厚的良好基础的。我们完全可以借助我国的中医药大众康养平台和大众健康平台，努力发挥健康大数据加人工智能算法的大数据挖掘和利用能力，建立大众健康的大数据模型，引领中医药大众康养等新的业务模式蓬勃发展，同时推动健康传感器事业获得快速发展。

还有一点，传感效应的产品应用相对于其他微电子器件来说，寿命要长得多。运用基本相同的敏感原理和效应，根据应用的创新对传感器产品进行相应的改造，完全可以在很长时间内不断产生新的产品和市场。例如，采用硅压阻效应的硅压力传感器，从20 世纪80 年代就在工业自动化领域广泛应用。此后，随着工艺技术的不断进步，传感器越来越小，价格越来越低，规模制造能力越来越强，使同样原理的压力传感器先后应用到航空、医疗、汽车电子等领域，近期又应用到智能手机和智能家居消费电子领域。因此，在制定发展战略时，要充分关注产品技术的持续改良和更新，尽量增强每种传感原理在崭新应用领域的适应能力，形成系列的产业化亮点。

本文摘编自《微纳机电系统与微纳传感器技术》（国家自然科学基金委员会，中国科学院编. 北京：科学出版社，2020.8）一书“前言”“摘要”，有删减，标题为编者所加。

（中国学科发展战略）

ISBN 978-7-03-065240-9

责任编辑：张 莉 郭学雯

本书对微纳机电系统与微纳传感器领域的主要技术进行了分类阐述，全面总结了技术的发展现状，客观分析了技术的发展态势，从学科的发展规律和研究特点出发，前瞻性地思考了技术的发展思路与发展方向，提出了我国发展该学科的资助机制与政策建议。本书不仅对相关领域科技工作者和高校师生有重要的参考价值，同时也可以为国家相关部门制定科技发展规划提供参考。

（本文编辑：刘四旦）

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