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中国工程院院士尤政:MEMS技术是传感器领域重要的发展方向和趋势

2022-05-19张莹 杜春玲

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文中主要讲述智能微系统与MEMS技术发展的重要历程和产业发展动态,主要的研究成果,技术发展的瓶颈和挑战,及其未来的发展趋势,并对技术和产业发展的产学研协同合作以及人才培养和评价等方面提出建议。

    前言:本文是《微纳电子与智能制造》对中国工程院院士、清华大学副校长尤政的访谈,尤政院士是中国MEMS领域专家中的专家,为中国传感器事业做了不少开拓性的工作。

    文中主要讲述智能微系统与MEMS技术发展的重要历程和产业发展动态,主要的研究成果,技术发展的瓶颈和挑战,及其未来的发展趋势,并对技术和产业发展的产学研协同合作以及人才培养和评价等方面提出建议。

    看看我国院士怎么评价中国的传感器产业。

    尤政,中国工程院院士。清华大学精密仪器系教授、博士生导师,清华大学副校长。

       以下是访谈正文:

    《微纳电子与智能制造》:您多年从事智能微系统与MEMS技术的基础和应用研究,请跟大家分享一下您的研究成果和研究过程中的故事和体验。

    尤政院士我们团队是国内最早的从事智能微系统、MEMS方面研究的团队之一,在前沿科学问题、关键核心技术以及工程实践方面都取得了一些创新成果。

    (1)MEMS传感器及微系统

    创建了可扩展的高端MEMS器件加工平台,解决了系列高端MEMS器件加工的难题,“面向典型器件的体硅MEMS加工平台及其应用”于2019年获高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖。

    完成了MEMS继电器、RF MEMS开关,用于环境感知的MEMS智能感知微系统,恶劣环境下的MEMS高温无线传感微系统,MEMS扫描镜及目标探测微系统,微型MEMS储能器件及能源微系统等。

    其中超高过载自供电MEMS传感器及集成微系统在国内首次通过实测验证,填补国内空白,相关技术被国内多家重点单位应用并产业化,“基于微纳米技术的新型超级电容器及其实现”获得国家技术发明二等奖。

    (2)空间微系统及微纳航天器

    提出高精度姿态/轨道测量新方法并研制了MEMS磁敏感器、MIMU惯性微系统、MEMS太阳敏感器、纳\皮型星敏感器等空间微系统,相关成果填补了多项国内空白,已在探月工程、高分专项等国家重大工程以及国内外百余颗型号卫星中得到应用推广,并实现了出口欧、美、日等国。

    在我国率先开展了微纳航天器的技术创新与工程实践,首次将三轴稳定方式用于25kg以下的微小卫星,成功研制并运行了国内第一颗纳型卫星NS-1卫星,也是当时世界上在轨飞行的最小“轮控三轴稳定卫星”(2004年)。

    2015年研制并发射了NS-2(10公斤量级)MEMS技术试验卫星,成功开展了基于MEMS 的空间微型化器组件试验研究。NS-2卫星的有效载荷包括纳型星敏感器、低功耗MEMS太阳敏感器、硅基MEMS陀螺、MEMS石英音叉陀螺、MEMS磁强计、北斗-II/GPS接收机等自主研发的MEMS器件及微系统。

    同时还成功研制并发射皮型ZJ-1(100克量级)MEMS技术试验卫星,采用单板集成的综合电子系统,搭载试验商用微型CMOS相机,MEMS磁强计、新型商用电子元器件。

    “先进空间光学敏感器技术”2012年获国家技术发明二等奖“,先进MEMS卫星设计制造关键技术及应用”2019年获国家技术发明二等奖。

    (3)生物检测微系统方面

    围绕细胞分选检测、生物分子检测、人工听觉微系统等方向,突破了高通量细胞图形化、片上细胞聚焦分选、耳蜗内声电混合刺激、高时空分辨率相位差分检测等一批具有自主知识产权的关键技术,取得了一批原创性成果,研制了具有世界一流水平的高通量原位细胞多模式检测系统、流式细胞仪、系列流式细胞检测芯片等检测仪器,打破了相关领域国际厂商的技术封锁和垄断。

    总之,面向国家安全和医疗健康领域的重大需求,经过多年持续的努力,我们取得一系列具有国际先进水平的科研成果,部分技术处于国际领先地位,其中多项核心技术尚属国际首创

    《微纳电子与智能制造》:传感器技术与计算机技术、通信技术作为现代信息技术的三大支柱,也是计算机技术与通信技术的基础,核心传感器的元器件更是工业基石,请您简要介绍一下近些年智能传感器与MEMS技术研究和发展的重要历程及产业发展动态。

    尤政院士:简单来说,传感器的重要性体现在:它是信息获取的源头、物理世界与数字世界的接口。传感器可以把环境中的物理、化学量等被测信息转化为电信号,而MEMS技术则可将传感器中机械结构与电路系统通过规模化制造工艺集成在芯片上,因而MEMS技术是传感器的使能技术

    在“MEMS”一词出现之前,深硅刻蚀、谐振器、电容检测等MEMS技术就早已应用于微传感器中;随着20世纪90年代以来的MEMS技术快速发展期,基于MEMS技术的各种微传感器大发异彩,已经成为传感器技术领域的重要发展方向与发展趋势。

    进入新世纪,特别是近10年以来,微电子、MEMS、光电子技术的不断突破,人工智能、无线通讯等科技的兴起,智能微系统技术又成为了智能传感器的关键核心技术,推动传感器在社会生产生活中发挥越来越重要的作用。

    从技术发展的角度来讲,早期的智能传感器大都是指传统传感器加入处理器,带有数据处理功能的传感器;发展到现在,随着MEMS技术、通讯技术、计算机技术,特别是微系统技术、人工智能等前沿技术的交叉融合,基于微系统技术的智能传感器,不仅具有传感、处理、通讯等功能,还能实现自供电、自组网、自校准、自学习等智能化的功能、性能

    基于微系统技术的智能传感器将在各个领域发挥重要作用,除了航空航天、高端装备等事关国防安全、重大工程的国家战略领域之外,在医疗健康、汽车电子、消费电子、物联网等事关社会经济发展及民生领域等也都离不开智能传感器。

    《微纳电子与智能制造》:目前中国智能微系统与MEMS产业的发展中,核心关键的传感元器件的发展还存在发展瓶颈,然而机会与挑战并存,请您介绍一下中国在该领域的发展面临怎样的瓶颈和挑战,有哪些发展机遇,该如何进行突破?

    尤政院士:传感器作为“工业基石”,是各类产业赖以生存和发展的基础,作为“性能关键”,将直接决定重大装备和整机产品的性能、质量,那么基于微系统技术与MEMS技术的智能传感器也必将成为构筑未来智能社会基础设施、工业基础支撑体系、各类装备产品的关键

    然而由于我国目前微系统与智能传感器领域的核心关键技术发展滞后,中高端传感器受制于人,已经成为“卡脖子”障碍。

    我国自主生产的传感器已完全可以满足低端市场的需求,然而在中高端市场上,超过60%的市场份额被国外爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等外国巨头占据,特别是高端产品几乎全靠进口,80%的传感器芯片依赖国外。

    目前,我国主要面临以下挑战与瓶颈问题:

    (1)在研究主体方面,国内主要集中在高等院校与研究所,而国外还包括众多有实力的公司和企业;

    (2)在研发投入方面,国内微系统与智能传感器制造的专门设施较少,研发投入也较少,而国外基本都具备比较完善的开放生产线(平台),同时投入大量研发经费;

    (3)在传感器芯片方面,由于工艺成熟度与传感器专用试验设施的不足,国内差距明显,特别是中高端芯片;

    (4)在制造与集成工艺方面,尚无微系统制造与集成的国产化关键设备,与国外仍有较大差距;

    (5)在产业化方面,国外多家公司已具备批生产能力,而国内总体处于集成、封装及工程化的初级阶段。

    至于对策,除了针对上述差距与问题落实有针对性的措施之外,还要围绕智能微系统这一颠覆性关键技术,把握技术发展趋势,抢占未来技术制高点,催生大批升级换代甚至变革行业的新产品,为相关传统产业跨越式发展提供新机遇。

    在设计、制造、测试等共性基础技术方面进行重点发力,在感知、处理、通讯、执行、供能等重要关键技术方面进行重点突破,同时在感知智能微系统、空间智能微系统、生化分析微系统、新概念智能微系统等前沿方向布局示范。

    《微纳电子与智能制造》:智能微系统与MEMS技术的发展需要政策支持、技术创新、成果转化、应用创新等产业链上下游的协同合作,请问您对其发展中产学研用的合作模式有哪些建议?

    尤政院士:一方面,学科深度交叉融合的特点决定了智能微系统与MEMS技术的人才门槛、资金门槛、技术门槛均较高;另一方面产业环节多,细分技术谱系广,导致智能微系统的投资回报周期比较长。

    因此,只有打通技术、机构、资金之间的条框与分割,整合重组各类创新要素,推动机制创新、模式创新和管理创新,加强复合型人才培养,才能应对上述挑战。

    统筹各项创新要素及科技计划。形成智能微系统领域的高校-研究所-企业-政府的互动机制,推进学术-技术-产品-用户-金融等产业创新链、产业链、资金链的生态建设,充分统筹国家、地方、机构等各级科技规划,发挥相关战略规划管理机构与各级专家咨询委员会的智力及影响力作用,支撑智能微系统领域的科学发展。

    支持打造产业共性技术平台。针对智能微系统技术体系中产业相关性强的共性关键技术,如设计、制造、测试等,支持平台性研发机构建设,开展共性基础理论、关键核心技术、共性软硬件产品及其创新研发工作,推进智能微系统技术生态可持续发展。

    推动智能微系统技术的产品示范应用。提升智能微系统技术解决方案的供给能力,推进感知智能微系统等目前的典型智能微系统技术在航空航天、高端装备、能源交通、工农业生产等关键领域发挥积极作用;加快智能微系统技术在医疗健康、汽车电子、消费终端、物联网+等领域的规模应用;探索新概念智能微系统技术的颠覆性应用,为未来社会生活方式的发展变革提供技术储备。

    加大复合创新型人才培养力度。设立智能微系统相关的跨学科门类培养机制,扩大相关本科生、研究生招生规模;加强智能微系统的职业教育与工程教育;加强教学、科研与产业的融合,培养多领域、多学科交叉的复合型人才;通过多种机制和特支政策支持,吸引国内外智能微系统领域的高层次人才;改革评价机制,加强扶持力度,使得青年科技人员能够长期、稳定开展研究。

    《微纳电子与智能制造》:请您预判一下未来几年国内外智能微系统与MEMS技术的重要发展趋势。

    尤政院士:准确的技术预测有点儿难度,就好比我们在几年以前智能手机刚出现的时候,来预测现今智能手机在生活中的地位与作用。不过一些发展趋势还是已有呈现的,前面已经提到过一些,这里再谈一下。

    智能微系统技术已经呈现出很强的学科独立特征和系统层次上的内在特性,从理论、设计、制造到集成、封装、测试、应用开发都形成了独特的理论和方法体系的雏型;由于智能微系统涉及的学科和技术门类众多,交叉融合性极强,还处于学科体系发展的初级阶段,一些重要的共性基础问题与关键核心技术需要突破。

    (1)架构与设计方法:跨尺度、多层级、全能域的建模方法与模拟仿真手段,基于多学科优化思想的设计理论、方法、工具,如:智能微系统EDA工具等,均是设计方面的重要技术趋势 ,通过逐步建立智能微系统设计的IP数据库,来实现智能微系统的数字化敏捷开发。

    (2)先进制造与集成技术:探索智能微系统中微纳尺度的力学、流体力学、传热学、电磁兼容等基础理论,明晰微尺度效应与宏观、介观效应的区别与联系;突破三维集成、异质/异构集成、芯粒集成,以及面向场景的订制化集成等关键技术;解决材料、结构与器件、芯片、互连、接口等微系统部/组件在应用环境下的热匹配、热隔离、热传导、电隔离、电连接、电磁兼容等集成技术难题;形成满足智能微系统快速、灵活需求的先进制造技术体系。

    (3)测试技术与标准化:由于智能微系统的特征尺度在微米纳米量级,系统组成复杂,功能种类繁多,传统测试分析手段面临很多挑战。因此,发展涵盖机理-材料-工艺-器件-模块-微系统等多个层面,以及力-热-电-磁-光-生-化等多参量,且与设计、制造、集成、封装等环节紧密结合的测试理论、方法及手段至关重要。

    此外,深入理解智能微系统中模块化功能单元、加工工艺以及材料之间的相互影响,并进行概念、术语、接口的标准化,加快技术体系与测试体系的规范化,是智能微系统的重要发展趋势与必由之路。

    来源:《微纳电子与智能制造》2020年第4期

责任编辑:杨培
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