文 | 半導體産業縱橫，作者 | 立言
好奇心是人類的天性之一，它驅使着我們去了解，去探索未知的世界。随着時代的發展，人類五感所能感知的信息，已經無法跟上人們對世界不斷探索的步伐。科技的發展帶給了我們增強和拓展五感的可能。
傳感器是數據采集的源頭，它無處不在。
智能最前端所需要的态勢感知，基本都是要從傳感器開始。無論是智能制造、智慧城市、智慧醫療等，還是智能設備和大數據分析，再龐大的智能系統，都要從傳感器的針尖上開始。
近日，半導體産業縱橫對話中國科學院上海微系統所、傳感技術國家重點實驗室李昕欣教授，從傳感器的驅動力談到未來應用場景，在交流中李昕欣還分析了什麽是中國發展傳感器的最大優勢。
" 一元 " 傳感器産值，可帶動 " 百千萬 " 元應用系統産值
世界萬物最終都要轉化爲電子信号，才能采集出電子數據。
傳感器的品種繁多，過去有句話叫 " 多品種、小批量 "。傳感器涉及物理、化學、生命等多個領域，從事不同類型傳感器研究者可以來自不同的學科領域。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業畢業的，但傳感器的本質功能是一樣的。
全球傳感器市場發展成熟，每年需生産千百億隻傳感器。
根據德國 Statista 數據分析公司數據，2022 年全球傳感器市場規模爲 2512.9 億美元（約 1.79 萬億人民币）。其中我國傳感器市場規模爲 3096.9 億元人民币，2019 — 2022 年均複合增長率爲 12.26%。
李昕欣說到："傳感器雖然産值不高，但它具有驅動力，即 Driving force。比如一個傳感器可能很便宜，隻需要一元，但爲其配備的信号處理相關部件可能價值 10 元。但不能因此認爲傳感器不值錢，因爲如果沒有傳感功能，之後的 10 元是沒有用的，它起到牽引帶動作用。"
在數字化轉型加速推進的産業環境下，作爲數據感知關鍵環節的傳感器正向智能方向發展。李昕欣表示，傳感器智能化背後有三層含義。一層含義是本身傳感的效應，比如仿生智能，即模仿生物的傳感效應，類似的例子是模仿蒼蠅的複眼。另一層含義是類腦智能，模仿人的腦幹、小腦、大腦等。第三層含義是傳感器在信号處理方面體現出的智能性。由于環境幹擾，傳感器輸出的信号可能不清晰，此時可以利用後續電路計算、卷積積分等智能算法對信号進一步提純，提高信噪比。
李昕欣在采訪中表示："傳感器涉及的學科很多，所以很多人都對它感興趣。實際上，對它感興趣的很多人是‘用傳感器’，但我們現在缺乏對‘做傳感器’的關注，這是源頭技術。"
" 越便宜的傳感器，越難做 "
談到 MEMS 傳感器的難點，李昕欣說到："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。" 以我國爲例，航天傳感器已實現自主供應。然而，在蘋果手機中能集成多少我國制造的傳感器呢？傳感器需要具備成本效益，有這麽一句話："Cheap is high technology.（廉價就是高科技）"
航天領域用的傳感器，做十個挑一個好的，其餘九個不用也沒關系。手機需要的傳感器，隻要有一個指标未達标，就會影響手機整體性能；汽車所用傳感器的不良率必須控制在百萬分之一以下，否則一旦發生故障，後果可能是災難性的。
因此，高端設備的應用雖然要求嚴格，但對價格的敏感度相對較低，系統本身的高價值使得成本增加幾元并不構成問題。而在全球範圍内廣泛使用且競争激烈的領域，如手機行業，随着競争強度顯著增加，對成本的控制尤爲嚴格。任何成本的輕微上升均可能對産品在市場中的競争力産生影響。李昕欣表示："技術最終要服務應用，同時還要在固定價格以内實現，這就需要進行策略權衡。"
除了成本效益外，傳感器的制造、測試、多傳感器的融合都面臨着不同的挑戰。
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 制造技術脫胎于半導體的光刻、刻蝕等經驗技術，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，以形成三維結構。光刻掩膜闆是二維的平面圖形，通過加工變成三維的微小結構。李昕欣說到："從二維到 2.5 維或三維本身就很複雜，這種轉變成爲了技術的難點所在。"
制造過程的複雜性，在需要将衆多傳感器集成時，困難無疑會進一步加劇。不同的傳感器對結構的大小、薄厚等要求不一樣，如果一起制作，滿足其中一個傳感器，很有可能就達不到另一個傳感器的最優化設計。" 大家總是想把集成電路和各種傳感器全集成在一片上，理想是好的，但這樣做可能會導緻成品率很低、制造成本過高，同時不能保證每個傳感器的性能都是按照最佳尺寸來設計。"
在設計傳感器結構時，若單個産品的合格率爲 99%，但如果将 10 個集中在一起，簡單計算會發現成品率達不到 99% 。如果數量再多的話，可能甚至不到 50%。這就導緻生産失去意義，無法實現有效的批量生産。
無論是應用在哪個領域的傳感器，對其都有一個共同訴求，就是可靠。傳感器是否可靠，需要依靠測試。李昕欣說到："我一直認爲傳感器的測試是最難的，特别是大批量産品的自動化測試。"
IC 測試時，輸入輸出都是電信号，給一個脈沖串，經過邏輯電路出來測延遲等。但傳感器不一樣，比如陀螺，輸入是角速度，輸出是電信号；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。傳感器的測試很難，難點在于模拟真實傳感環境輸入。
李昕欣表示，傳感器有很大部分不是電子設備，還需要将場景應用考慮進來。在這方面，不能隻強調産能和制造。測試方面，尤其是大規模多品種的測試，在單一工廠内難以完成，必須分散至多個工廠，而每個工廠的産量又相對較少，難以盈利。能夠非常柔性地對多種場景、不同量進行快速自動化檢測的技術是非常困難的。
中國發展傳感器的最大優勢
在探讨哪些領域将促進傳感器技術的增長時，李昕欣如數家珍般詳盡地列舉了相關領域。
第一是汽車市場。汽車電子化，使得車需要的傳感器越來越多。即便并非電動汽車，傳統燃油車的電子部件成本也已超越了發動機。過去，人們普遍認爲汽車的核心在于發動機和燃油系統，然而現今在汽車産值構成中，燃油系統的比重已不及電子部件部分。而爲了實現有效的控制，首要任務是需要傳感器獲取傳感數據。
第二是手機等消費類電子産品市場。移動通信設備與消費性電子産品市場頗具規模，得益于微機電系統（MEMS）傳感器的微型化、低功耗、低能耗以及大規模生産的優勢，這些傳感器得以實現低成本、小型化，進而被廣泛集成于智能手機之中。
第三是醫療市場。爲防止交叉感染，衆多醫療産品被設計爲一次性使用。例如，在安裝支架過程中，需使用一次性傳感器來測量動脈；在進行腦部手術時，也需使用一次性顱内壓傳感器。上述情況均構成了傳感器技術發展的主要推動力。
第四是物聯網、智能樓宇、智慧城市、智能地球等。這些場景要實現智能，均離不開傳感器的應用。實現智能化的前提是确保一切皆處于可控狀态。例如，光傳感攝像頭所使用的 CMOS 芯片，同樣也是智能手機攝像頭的核心組件。在智能樓宇的構建中，一棟大樓内可能設有成千上萬的通風口，每個通風口都配備了傳感器以實時調整風量，從而達到節能、提升舒适度和工作效率的目的。
李昕欣說到："世界向前發展，越來越難以找到一個單一的方向作爲驅動力。各行各業，電子領域包括半導體和傳感器，已經滲入到社會的每一個細胞，每個人以後可能會擁有很多傳感器，需要多種傳感器采集數據才能做出判斷，其中任何一個傳感器都不可或缺。"
談到中國發展傳感器，有什麽樣的優勢？李昕欣表示，中國最大的優勢在于市場。
他回憶到，過去曾在新加坡工作，新加坡的學者和研究者們雖然也研究出很多成果，但是很難找到應用場景，高端産品需要從美國進口，低端産品從其他國家進口。新加坡盡管處于産業鏈中，但既看不到源頭的科學研究，也看不到末端的應用，所以比較被動。
中國擁有巨大的市場，中國的經濟體系包括航天、國防等，是一個較爲獨立完整的體系。我們經常談論飛機國産化，甚至關注發動機能否國産化，以免陷入被動局面。中國力圖建立更強大的工業體系。在這種情況下，傳感器就大有用處了，很多傳感器需要實現國産化。
中國是大國，學科也全面。傳感器涉及光、力、熱、電磁、生物、氣體等衆多學科。一些較小的國家，即使是先進國家，也可能無法顧及所有領域，無法全面鋪開，隻能專注于一兩種與本國工業最契合的領域。而中國各個方面都很重要，市場都很大，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遇。
李昕欣感歎到：" 中國有一個相對豐富和完整的體系，讓科研人員和從業人員有的放矢、有用武之地。隻要做好了，一定能找到合适的應用場景。"
