文 | 半导体产业纵横，作者 | 立言
好奇心是人类的天性之一，它驱使着我们去了解，去探索未知的世界。随着时代的发展，人类五感所能感知的信息，已经无法跟上人们对世界不断探索的步伐。科技的发展带给了我们增强和拓展五感的可能。
传感器是数据采集的源头，它无处不在。
智能最前端所需要的态势感知，基本都是要从传感器开始。无论是智能制造、智慧城市、智慧医疗等，还是智能设备和大数据分析，再庞大的智能系统，都要从传感器的针尖上开始。
近日，半导体产业纵横对话中国科学院上海微系统所、传感技术国家重点实验室李昕欣教授，从传感器的驱动力谈到未来应用场景，在交流中李昕欣还分析了什么是中国发展传感器的最大优势。
“一元”传感器产值，可带动“百千万”元应用系统产值
世界万物最终都要转化为电子信号，才能采集出电子数据。
传感器的品种繁多，过去有句话叫 “多品种、小批量”。传感器涉及物理、化学、生命等多个领域，从事不同类型传感器研究者可以来自不同的学科领域。比如，从事生物传感器研究的人与从事物理传感器研究的人通常不是同一专业毕业的，但传感器的本质功能是一样的。
全球传感器市场发展成熟，每年需生产千百亿只传感器。
根据德国Statista数据分析公司数据，2022年全球传感器市场规模为2512.9亿美元（约1.79万亿人民币）。其中我国传感器市场规模为3096.9亿元人民币，2019—2022年均复合增长率为12.26%。
李昕欣说到：“传感器虽然产值不高，但它具有驱动力，即Driving force。比如一个传感器可能很便宜，只需要一元，但为其配备的信号处理相关部件可能价值 10 元。但不能因此认为传感器不值钱，因为如果没有传感功能，之后的 10 元是没有用的，它起到牵引带动作用。”
在数字化转型加速推进的产业环境下，作为数据感知关键环节的传感器正向智能方向发展。李昕欣表示，传感器智能化背后有三层含义。一层含义是本身传感的效应，比如仿生智能，即模仿生物的传感效应，类似的例子是模仿苍蝇的复眼。另一层含义是类脑智能，模仿人的脑干、小脑、大脑等。第三层含义是传感器在信号处理方面体现出的智能性。由于环境干扰，传感器输出的信号可能不清晰，此时可以利用后续电路计算、卷积积分等智能算法对信号进一步提纯，提高信噪比。
李昕欣在采访中表示：“传感器涉及的学科很多，所以很多人都对它感兴趣。实际上，对它感兴趣的很多人是‘用传感器’，但我们现在缺乏对‘做传感器’的关注，这是源头技术。”
“越便宜的传感器，越难做”
谈到MEMS传感器的难点，李昕欣说到：“世界上最难做的传感器是用量最大、要求最便宜且性能并不高的传感器。”以我国为例，航天传感器已实现自主供应。然而，在苹果手机中能集成多少我国制造的传感器呢？传感器需要具备成本效益，有这么一句话：“Cheap is high technology.（廉价就是高科技）”
航天领域用的传感器，做十个挑一个好的，其余九个不用也没关系。手机需要的传感器，只要有一个指标未达标，就会影响手机整体性能；汽车所用传感器的不良率必须控制在百万分之一以下，否则一旦发生故障，后果可能是灾难性的。
因此，高端设备的应用虽然要求严格，但对价格的敏感度相对较低，系统本身的高价值使得成本增加几元并不构成问题。而在全球范围内广泛使用且竞争激烈的领域，如手机行业，随着竞争强度显著增加，对成本的控制尤为严格。任何成本的轻微上升均可能对产品在市场中的竞争力产生影响。李昕欣表示：“技术最终要服务应用，同时还要在固定价格以内实现，这就需要进行策略权衡。”
除了成本效益外，传感器的制造、测试、多传感器的融合都面临着不同的挑战。
在制造方面，传感器与集成电路仍然存在很多不同之处。尽管，MEMS制造技术脱胎于半导体的光刻、刻蚀等经验技术，但集成电路往往是制造平面的东西，而MEMS传感器，如陀螺、加速度、压力传感器等，需要双面加工，以形成三维结构。光刻掩膜板是二维的平面图形，通过加工变成三维的微小结构。李昕欣说到：“从二维到 2.5 维或三维本身就很复杂，这种转变成为了技术的难点所在。”
制造过程的复杂性，在需要将众多传感器集成时，困难无疑会进一步加剧。不同的传感器对结构的大小、薄厚等要求不一样，如果一起制作，满足其中一个传感器，很有可能就达不到另一个传感器的最优化设计。“大家总是想把集成电路和各种传感器全集成在一片上，理想是好的，但这样做可能会导致成品率很低、制造成本过高，同时不能保证每个传感器的性能都是按照最佳尺寸来设计。”
在设计传感器结构时，若单个产品的合格率为99%，但如果将 10 个集中在一起，简单计算会发现成品率达不到99% 。如果数量再多的话，可能甚至不到 50%。这就导致生产失去意义，无法实现有效的批量生产。
无论是应用在哪个领域的传感器，对其都有一个共同诉求，就是可靠。传感器是否可靠，需要依靠测试。李昕欣说到：“我一直认为传感器的测试是最难的，特别是大批量产品的自动化测试。”
IC 测试时，输入输出都是电信号，给一个脉冲串，经过逻辑电路出来测延迟等。但传感器不一样，比如陀螺，输入是角速度，输出是电信号；压力传感器则需要链接管道；气体传感器要输入特定浓度的气体。传感器的测试很难，难点在于模拟真实传感环境输入。
李昕欣表示，传感器有很大部分不是电子设备，还需要将场景应用考虑进来。在这方面，不能只强调产能和制造。测试方面，尤其是大规模多品种的测试，在单一工厂内难以完成，必须分散至多个工厂，而每个工厂的产量又相对较少，难以盈利。能够非常柔性地对多种场景、不同量进行快速自动化检测的技术是非常困难的。
中国发展传感器的最大优势
在探讨哪些领域将促进传感器技术的增长时，李昕欣如数家珍般详尽地列举了相关领域。
第一是汽车市场。汽车电子化，使得车需要的传感器越来越多。即便并非电动汽车，传统燃油车的电子部件成本也已超越了发动机。过去，人们普遍认为汽车的核心在于发动机和燃油系统，然而现今在汽车产值构成中，燃油系统的比重已不及电子部件部分。而为了实现有效的控制，首要任务是需要传感器获取传感数据。
第二是手机等消费类电子产品市场。移动通信设备与消费性电子产品市场颇具规模，得益于微机电系统（MEMS）传感器的微型化、低功耗、低能耗以及大规模生产的优势，这些传感器得以实现低成本、小型化，进而被广泛集成于智能手机之中。
第三是医疗市场。为防止交叉感染，众多医疗产品被设计为一次性使用。例如，在安装支架过程中，需使用一次性传感器来测量动脉；在进行脑部手术时，也需使用一次性颅内压传感器。上述情况均构成了传感器技术发展的主要推动力。
第四是物联网、智能楼宇、智慧城市、智能地球等。这些场景要实现智能，均离不开传感器的应用。实现智能化的前提是确保一切皆处于可控状态。例如，光传感摄像头所使用的CMOS芯片，同样也是智能手机摄像头的核心组件。在智能楼宇的构建中，一栋大楼内可能设有成千上万的通风口，每个通风口都配备了传感器以实时调整风量，从而达到节能、提升舒适度和工作效率的目的。
李昕欣说到：“世界向前发展，越来越难以找到一个单一的方向作为驱动力。各行各业，电子领域包括半导体和传感器，已经渗入到社会的每一个细胞，每个人以后可能会拥有很多传感器，需要多种传感器采集数据才能做出判断，其中任何一个传感器都不可或缺。”
谈到中国发展传感器，有什么样的优势？李昕欣表示，中国最大的优势在于市场。
他回忆到，过去曾在新加坡工作，新加坡的学者和研究者们虽然也研究出很多成果，但是很难找到应用场景，高端产品需要从美国进口，低端产品从其他国家进口。新加坡尽管处于产业链中，但既看不到源头的科学研究，也看不到末端的应用，所以比较被动。
中国拥有巨大的市场，中国的经济体系包括航天、国防等，是一个较为独立完整的体系。我们经常谈论飞机国产化，甚至关注发动机能否国产化，以免陷入被动局面。中国力图建立更强大的工业体系。在这种情况下，传感器就大有用处了，很多传感器需要实现国产化。
中国是大国，学科也全面。传感器涉及光、力、热、电磁、生物、气体等众多学科。一些较小的国家，即使是先进国家，也可能无法顾及所有领域，无法全面铺开，只能专注于一两种与本国工业最契合的领域。而中国各个方面都很重要，市场都很大，需求也都很旺盛。这给科研工作者，尤其是传感器科研工作者提供了很好的机遇。
李昕欣感叹到：“中国有一个相对丰富和完整的体系，让科研人员和从业人员有的放矢、有用武之地。只要做好了，一定能找到合适的应用场景。”
