本文是《微納電子與智能制造》對(duì)中國工程院院士、清華大學(xué)副校長尤政的訪談，尤政院士是中國MEMS領(lǐng)域?qū)＜抑械膶＜?，為中國傳感器事業(yè)做了不少開拓性的工作。
文中主要講述智能微系統(tǒng)與MEMS 技術(shù)發(fā)展的重要?dú)v程和產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，主要的研究成果，技術(shù)發(fā)展的瓶頸和挑戰(zhàn)，及其未來的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同合作以及人才培養(yǎng)和評(píng)價(jià)等方面提出建議。
看看我國院士怎么評(píng)價(jià)中國的傳感器產(chǎn)業(yè)。
專家檔案
尤政，中國工程院院士，華中科技大學(xué)校長，現(xiàn)任中國科協(xié)副主席、教育部科技委常務(wù)副主任、國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)儀器學(xué)科評(píng)議組召集人、中國儀器儀表學(xué)會(huì)理事長、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)副理事長等職務(wù)，主要學(xué)術(shù)方向?yàn)橹悄芪⑾到y(tǒng)及其在空間應(yīng)用。在我國率先開展了微納航天器的技術(shù)創(chuàng)新及其工程實(shí)踐，為我國空間微系統(tǒng)與微衛(wèi)星的科技進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)；突破了多項(xiàng)核心技術(shù)，研制了微型MEMS儲(chǔ)能器件及能源微系統(tǒng)、MEMS太陽敏感器、微/納型星敏感器、MEMS開關(guān)/繼電器、MEMS掃描鏡及探測(cè)微系統(tǒng)等一系列具有國際先進(jìn)水平的器件與微系統(tǒng)，且多種產(chǎn)品已經(jīng)在航空、航天等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。
《微納電子與智能制造》：您多年從事智能微系統(tǒng)與MEMS 技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究 ，請(qǐng)跟大家分享一下您的研究成果和研究過程中的故事和體驗(yàn)。
尤政院士：我們團(tuán)隊(duì)是國內(nèi)最早的從事智能微系統(tǒng)、MEMS 方面研究的團(tuán)隊(duì)之一 ，在前沿科學(xué)問題、關(guān)鍵核心技術(shù)以及工程實(shí)踐方面都取得了一些創(chuàng)新成果。
（1）MEMS傳感器及微系統(tǒng)
創(chuàng)建了可擴(kuò)展的高端MEMS 器件加工平臺(tái) ，解決了系列高端MEMS 器件加工的難題，“面向典型器件的體硅 MEMS 加工平臺(tái)及其應(yīng)用”于 2019 年獲高 等學(xué)?？茖W(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
完成了MEMS 繼電器、RF MEMS 開關(guān) ，用于環(huán)境感知的 MEMS 智能感知微系統(tǒng) ，惡劣環(huán)境下的 MEMS 高溫?zé)o線傳感微系統(tǒng) ，MEMS 掃描鏡及目標(biāo)探測(cè)微系統(tǒng)，微型 MEMS 儲(chǔ)能器件及能源微系統(tǒng)等。
其中超高過載自供電MEMS 傳感器及集成微系統(tǒng)在國內(nèi)首次通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證，填補(bǔ)國內(nèi)空白，相關(guān)技術(shù)被國內(nèi)多家重點(diǎn)單位應(yīng)用并產(chǎn)業(yè)化，“基于微納米技術(shù)的新型超級(jí)電容器及其實(shí)現(xiàn)”獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
（2）空間微系統(tǒng)及微納航天器
提出高精度姿態(tài)/軌道測(cè)量新方法并研制了MEMS磁敏感器、MIMU 慣性微系統(tǒng)、MEMS太陽敏感器 、納\皮型星敏感器等空間微系統(tǒng) ，相關(guān)成果填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)空白，已在探月工程、高分專項(xiàng)等國家重大工程以及國內(nèi)外百余顆型號(hào)衛(wèi)星中得到應(yīng)用推廣，并實(shí)現(xiàn)了出口歐、美、日等國。
在我國率先開展了微納航天器的技術(shù)創(chuàng)新與工程實(shí)踐 ，首次將三軸穩(wěn)定方式用于25 kg 以下的微小衛(wèi)星，成功研制并運(yùn)行了國內(nèi)第一顆納型衛(wèi)星 NS-1 衛(wèi)星，也是當(dāng)時(shí)世界上在軌飛行的最小“輪控三軸穩(wěn)定衛(wèi)星”（2004 年）。
2015 年研制并發(fā)射了 NS-2（10 公斤量級(jí)）MEMS 技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星 ，成功開展了基于 MEMS 的空間微型化器組件試驗(yàn)研究。NS-2 衛(wèi)星的有效載荷包括納型星敏感器 、低功耗 MEMS 太陽敏感器 、硅基 MEMS 陀螺 、MEMS 石英音叉陀螺 、MEMS 磁強(qiáng)計(jì) 、北斗- II/ GPS 接收機(jī)等自主研發(fā)的 MEMS 器件及微系統(tǒng)。
同時(shí)還成功研制并發(fā)射皮型ZJ-1（100 克量級(jí)）MEMS 技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，采用單板集成的綜合電子系統(tǒng)，搭載試驗(yàn)商用微型 CMOS 相機(jī)，MEMS 磁強(qiáng)計(jì)、新型商用電子元器件。
“先進(jìn)空間光學(xué)敏感器技術(shù)”2012 年獲 國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)“，先進(jìn) MEMS 衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造關(guān) 鍵技術(shù)及應(yīng)用”2019年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
（3）生物檢測(cè)微系統(tǒng)方面
圍繞細(xì)胞分選檢測(cè)、生物分子檢測(cè)、人工聽覺微系統(tǒng)等方向，突破了高通量細(xì)胞圖形化、片上細(xì)胞聚焦分選、耳蝸內(nèi)聲電混合刺激、高時(shí)空分辨率相位差分檢測(cè)等一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，取得了一批原創(chuàng)性成果，研制了具有世界一流水平的高通量原位細(xì)胞多模式檢測(cè)系統(tǒng)、流式細(xì)胞儀、系列流式細(xì)胞檢測(cè)芯片等檢測(cè)儀器，打破了相關(guān)領(lǐng)域國際廠商的技術(shù)封鎖和壟斷。
總之，面向國家安全和醫(yī)療健康領(lǐng)域的重大需求，經(jīng)過多年持續(xù)的努力，我們?nèi)〉靡幌盗芯哂袊H先進(jìn)水平的科研成果，部分技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，其中多項(xiàng)核心技術(shù)尚屬國際首創(chuàng)。
《微納電子與智能制造》：傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的基礎(chǔ)，核心傳感器的元器件更是工業(yè)基石，請(qǐng)您簡(jiǎn)要介紹一下近些年智能傳感器與MEMS 技術(shù)研究和發(fā)展的重要?dú)v程及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)。
尤政院士：簡(jiǎn)單來說，傳感器的重要性體現(xiàn)在：它是信息獲取的源頭、物理世界與數(shù)字世界的接口。傳感器可以把環(huán)境中的物理、化學(xué)量等被測(cè)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而MEMS 技術(shù)則可將傳感器中機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路系統(tǒng)通過規(guī)模化制造工藝集成在芯 片上 ，因而 MEMS 技術(shù)是傳感器的使能技術(shù)。
在“MEMS”一詞出現(xiàn)之前 ，深硅刻蝕、諧振器、電容檢測(cè)等 MEMS 技術(shù)就早已應(yīng)用于微傳感器中；隨著 20 世紀(jì) 90 年代以來的 MEMS 技術(shù)快速發(fā)展期 ，基于MEMS 技術(shù)的各種微傳感器大發(fā)異彩 ，已經(jīng)成為傳感器技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向與發(fā)展趨勢(shì)。
進(jìn)入新世紀(jì)，特別是近10 年以來 ，微電子 、MEMS、光電子技術(shù)的不斷突破 ，人工智能 、無線通訊等科技的興起 ，智能微系統(tǒng)技術(shù)又成為了智能傳感器的關(guān)鍵核 心技術(shù) ，推動(dòng)傳感器在社會(huì)生產(chǎn)生活中發(fā)揮越來越重要的作用。
從技術(shù)發(fā)展的角度來講，早期的智能傳感器大都是指?jìng)鹘y(tǒng)傳感器加入處理器，帶有數(shù)據(jù)處理功能的傳感器；發(fā)展到現(xiàn)在，隨著MEMS 技術(shù)、通訊技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是微系統(tǒng)技術(shù)、人工智能等前沿技 術(shù)的交叉融合，基于微系統(tǒng)技術(shù)的智能傳感器，不僅具有傳感、處理、通訊等功能，還能實(shí)現(xiàn)自供電、自組網(wǎng)、自校準(zhǔn)、自學(xué)習(xí)等智能化的功能、性能。
基于微系統(tǒng)技術(shù)的智能傳感器將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，除了航空航天、高端裝備等事關(guān)國防安全、重大工程的國家戰(zhàn)略領(lǐng)域之外，在醫(yī)療健康、汽車電子、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)等事關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及民生領(lǐng)域等也都離不開智能傳感器。
《微納電子與智能制造》：目前中國智能微系統(tǒng)與MEMS 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中 ，核心關(guān)鍵的傳感元器件的發(fā)展還存在發(fā)展瓶頸，然而機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)并存，請(qǐng)您介紹一下中國在該領(lǐng)域的發(fā)展面臨怎樣的瓶頸和挑戰(zhàn)，有哪些發(fā)展機(jī)遇，該如何進(jìn)行突破？
尤政院士：傳感器作為“工業(yè)基石”，是各類產(chǎn)業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，作為“性能關(guān)鍵”，將直接決定重大裝備和整機(jī)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量，那么基于微系統(tǒng)技術(shù)與MEMS 技術(shù)的智能傳感器也必將成為構(gòu)筑未來智能社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)基礎(chǔ)支撐體系、各類裝備產(chǎn)品的關(guān)鍵。
然而由于我國目前微系統(tǒng)與智能傳感器領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展滯后，中高端傳感器受制于人，已經(jīng)成為“卡脖子”障礙。
我國自主生產(chǎn)的傳感器已完全可以滿足低端市場(chǎng)的需求，然而在中高端市場(chǎng)上，超過60%的市場(chǎng)份額被國外愛默生、 西門子、博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾等外國巨頭占據(jù)，特別是高端產(chǎn)品幾乎全靠進(jìn)口，80%的傳感器芯片依賴國外。
目前，我國主要面臨以下挑戰(zhàn)與瓶頸問題：
（1）在研究主體方面，國內(nèi)主要集中在高等院校與研究所，而國外還包括眾多有實(shí)力的公司和企業(yè)；
（2）在研發(fā)投入方面，國內(nèi)微系統(tǒng)與智能傳感器制造的專門設(shè)施較少，研發(fā)投入也較少，而國外基本都具備比較完善的開放生產(chǎn)線（平臺(tái)），同時(shí)投入大量研發(fā)經(jīng)費(fèi)；
（3）在傳感器芯片方面，由于工藝成熟度與傳感器專用試驗(yàn)設(shè)施的不足，國內(nèi)差距明顯，特別是中高端芯片；
（4）在制造與集成工藝方面，尚無微系統(tǒng)制造與集成的國產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備，與國外仍有較大差距；
（5）在產(chǎn)業(yè)化方面，國外多家公司已具備批生產(chǎn)能力，而國內(nèi)總體處于集成、封裝及工程化的初級(jí)階段。
至于對(duì)策，除了針對(duì)上述差距與問題落實(shí)有針對(duì)性的措施之外，還要圍繞智能微系統(tǒng)這一顛覆性關(guān)鍵技術(shù)，把握技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，搶占未來技術(shù)制高點(diǎn)，催生大批升級(jí)換代甚至變革行業(yè)的新產(chǎn)品，為相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展提供新機(jī)遇。
在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等共性基礎(chǔ)技術(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)力，在感知、處理、通訊、執(zhí)行、供能等重要關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行重點(diǎn)突破，同時(shí)在感知智能微系統(tǒng)、空間智能微系統(tǒng)、生化分析微系統(tǒng)、新概念智能微系統(tǒng)等前沿方向布局示范。
《微納電子與智能制造》：智能微系統(tǒng)與MEMS 技術(shù)的發(fā)展需要政策支持、技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化、應(yīng)用創(chuàng)新等產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同合作 ，請(qǐng)問您對(duì)其發(fā)展中產(chǎn)學(xué)研用的合作模式有哪些建議?
尤政院士：一方面，學(xué)科深度交叉融合的特點(diǎn)決定了智能微系統(tǒng)與MEMS 技術(shù)的人才門檻、資金門檻、技術(shù)門檻均較高；另一方面產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)多，細(xì)分技術(shù)譜系廣，導(dǎo)致智能微系統(tǒng)的投資回報(bào)周期比較長。
因此，只有打通技術(shù)、機(jī)構(gòu)、資金之間的條框與分割，整合重組各類創(chuàng)新要素，推動(dòng)機(jī)制創(chuàng)新、模式創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，加強(qiáng)復(fù)合型人才培養(yǎng)，才能應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。
統(tǒng)籌各項(xiàng)創(chuàng)新要素及科技計(jì)劃。形成智能微系統(tǒng)領(lǐng)域的高校-研究所-企業(yè)-政府的互動(dòng)機(jī)制，推進(jìn) 學(xué)術(shù)-技術(shù)-產(chǎn)品-用戶-金融等產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、 資金鏈的生態(tài)建設(shè) ，充分統(tǒng)籌國家、地方、機(jī)構(gòu)等各級(jí)科技規(guī)劃 ，發(fā)揮相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃管理機(jī)構(gòu)與各級(jí)專 家咨詢委員會(huì)的智力及影響力作用 ，支撐智能微系統(tǒng)領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展。
支持打造產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)平臺(tái)。針對(duì)智能微系統(tǒng)技術(shù)體系中產(chǎn)業(yè)相關(guān)性強(qiáng)的共性關(guān)鍵技術(shù)，如設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等，支持平臺(tái)性研發(fā)機(jī)構(gòu)建設(shè)，開展共性基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵核心技術(shù)、共性軟硬件產(chǎn)品及其創(chuàng)新研發(fā)工作，推進(jìn)智能微系統(tǒng)技術(shù)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。
推動(dòng)智能微系統(tǒng)技術(shù)的產(chǎn)品示范應(yīng)用。提升智能微系統(tǒng)技術(shù)解決方案的供給能力，推進(jìn)感知智能微系統(tǒng)等目前的典型智能微系統(tǒng)技術(shù)在航空航天、高端裝備、能源交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮積極作用；加快智能微系統(tǒng)技術(shù)在醫(yī)療健康、汽車電子、消費(fèi)終端、物聯(lián)網(wǎng)+等領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用；探索新概 念智能微系統(tǒng)技術(shù)的顛覆性應(yīng)用 ，為未來社會(huì)生活 方式的發(fā)展變革提供技術(shù)儲(chǔ)備。
加大復(fù)合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)力度。設(shè)立智能微系統(tǒng)相關(guān)的跨學(xué)科門類培養(yǎng)機(jī)制，擴(kuò)大相關(guān)本科生、研究生招生規(guī)模；加強(qiáng)智能微系統(tǒng)的職業(yè)教育與工程教育；加強(qiáng)教學(xué)、科研與產(chǎn)業(yè)的融合，培養(yǎng)多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才；通過多種機(jī)制和特支政策支持，吸引國內(nèi)外智能微系統(tǒng)領(lǐng)域的高層次人才；改革評(píng)價(jià)機(jī)制，加強(qiáng)扶持力度，使得青年科技人員能夠長期、穩(wěn)定開展研究。
《微納電子與智能制造》：請(qǐng)您預(yù)判一下未來幾年國內(nèi)外智能微系統(tǒng)與MEMS 技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。
尤政院士：準(zhǔn)確的技術(shù)預(yù)測(cè)有點(diǎn)兒難度，就好比我們?cè)趲啄暌郧爸悄苁謾C(jī)剛出現(xiàn)的時(shí)候，來預(yù)測(cè)現(xiàn)今智能手機(jī)在生活中的地位與作用。不過一些發(fā)展趨勢(shì)還是已有呈現(xiàn)的，前面已經(jīng)提到過一些，這里再談一下。
智能微系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的學(xué)科獨(dú)立特征和系統(tǒng)層次上的內(nèi)在特性 ，從理論、設(shè)計(jì)、制造到集成、封裝、測(cè)試、應(yīng)用開發(fā)都形成了獨(dú)特的理論和方法體系的雛型；由于智能微系統(tǒng)涉及的學(xué)科和技術(shù)門類眾多，交叉融合性極強(qiáng)，還處于學(xué)科體系發(fā)展的初級(jí)階段，一些重要的共性基礎(chǔ)問題與關(guān)鍵核心技術(shù)需要突破。
（1）架構(gòu)與設(shè)計(jì)方法：跨尺度、多層級(jí)、全能域的建模方法與模擬仿真手段，基于多學(xué)科優(yōu)化思想的設(shè)計(jì)理論、方法、工具，如：智能微系統(tǒng)EDA 工具等， 均是設(shè)計(jì)方面的重要技術(shù)趨勢(shì) ，通過逐步建立智能 微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 IP 數(shù)據(jù)庫 ，來實(shí)現(xiàn)智能微系統(tǒng)的數(shù)字 化敏捷開發(fā)。
（2）先進(jìn)制造與集成技術(shù)：探索智能微系統(tǒng)中微納尺度的力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁兼容等基礎(chǔ)理論，明晰微尺度效應(yīng)與宏觀、介觀效應(yīng)的區(qū)別與聯(lián)系；突破三維集成、異質(zhì)/異構(gòu)集成 、芯粒集成 ，以及 面向場(chǎng)景的訂制化集成等關(guān)鍵技術(shù)；解決材料、結(jié)構(gòu) 與器件、芯片、互連、接口等微系統(tǒng)部/組件在應(yīng)用環(huán) 境下的熱匹配、熱隔離、熱傳導(dǎo)、電隔離、電連接、電 磁兼容等集成技術(shù)難題；形成滿足智能微系統(tǒng)快速、 靈活需求的先進(jìn)制造技術(shù)體系。
（3）測(cè)試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化：由于智能微系統(tǒng)的特征尺度在微米納米量級(jí)，系統(tǒng)組成復(fù)雜，功能種類繁多，傳統(tǒng)測(cè)試分析手段面臨很多挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展涵蓋機(jī)理-材料-工藝-器件-模塊-微系統(tǒng)等多個(gè)層面 ， 以及力-熱-電-磁-光-生-化等多參量 ，且與設(shè)計(jì) 、制 造、集成、封裝等環(huán)節(jié)緊密結(jié)合的測(cè)試?yán)碚?、方法?手段至關(guān)重要。
此外，深入理解智能微系統(tǒng)中模塊化功能單元、加工工藝以及材料之間的相互影響，并進(jìn)行概念、術(shù)語、接口的標(biāo)準(zhǔn)化，加快技術(shù)體系與測(cè)試體系的規(guī)范化，是智能微系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)與必由之路。
