好奇心是人类的天性之一。它驱使我们去理解和探索未知的世界。随着时代的发展，人类五种感官所能感知到的信息已经跟不上人们不断探索世界的步伐。科学技术的发展给我们带来了增强和扩展五种感官的可能性。 传感器是数据采集的源头，它无处不在。 智能前端所需的情况感知基本上是从传感器开始的。无论是智能制造、智能城市、智能医疗等，还是智能设备和大数据分析，无论智能系统有多大，都应该从传感器的针尖开始。 近日，中国科学院上海微系统研究所、传感技术国家重点实验室李欣欣教授在半导体行业纵横对话中，从传感器的驱动力到未来的应用场景，李欣欣还分析了中国传感器发展的最大优势。 01“一元”传感器产值可带动“百万”元应用系统产值 为了收集电子数据，世界上的一切最终都必须转换为电子信号。 传感器的种类很多，以前有句话叫传感器。 “多品种、小批量”。传感器涉及物理、化学、生命等领域，不同类型的传感器研究人员可以来自不同的学科。例如，从事生物传感器研究的人和从事物理传感器研究的人通常不毕业于同一专业，但传感器的基本功能是相同的。 随着全球传感器市场的成熟，每年需要生产100亿个传感器。 根据德国Statista数据分析公司的数据，2022年全球传感器市场规模为2512.9亿美元(约1.79万亿元)。其中，中国传感器市场规模为3096.9亿元，2019-2022年复合增长率为12.26%。 “虽然传感器的产值不高，但它有驱动力，即Drivinggng force。例如，一个传感器可能很便宜，只需要一元钱，但是相关部件的信号处理可能很有价值 10 元。但不能认为传感器毫无价值，因为如果没有传感功能，以后 10 元是无用的，它起着牵引作用。" 在加速数字化转型的工业环境下，传感器作为数据感知的关键环节，正朝着智能化方向发展。李昕欣说，传感器智能化背后有三层含义。一个意思是它自己的传感效应，比如仿生智能，也就是模仿生物的传感效应。类似的例子是模仿苍蝇的复眼。另一个意思是类似的大脑智能，模仿人类的脑干、小脑、大脑等。第三个意思是传感器在信号处理中的智能。由于环境干扰，传感器输出的信号可能不清晰。此时，可以使用智能算法（如后续电路计算和卷积分）来提高信号。 李欣欣在一次采访中说：“传感器涉及到很多学科，所以很多人都对它感兴趣。事实上，很多对它感兴趣的人都是‘使用传感器’，但我们现在对‘制造传感器’缺乏关注，这是源技术。” 02“传感器越便宜，越难做到” 谈到MEMS传感器的难点，李昕 欣欣说：“世界上最困难的传感器是消耗量最大、要求最便宜、性能低的传感器。”以中国为例，太空传感器已经实现了独立的供应。然而，中国制造的传感器在苹果手机中可以集成多少？传感器需要有成本效益，有一句话：“Cheap is high technology.(便宜就是高科技) 空间领域使用的传感器，做十个选择一个好，其余九个不重要。手机所需的传感器，只要一个指标不符合标准，就会影响手机的整体性能；汽车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，虽然高端设备的应用要求严格，但对价格的敏感性相对较低，但系统本身的高价值使成本增加几元并不构成问题。在手机行业等全球广泛使用和竞争激烈的领域，随着竞争强度的显著增加，成本控制尤为严格。任何成本的轻微上升都可能会影响产品在市场上的竞争力。李欣欣说：“技术最终应该服务于应用程序，并在固定价格内实现，这需要战略权衡。” 除了成本效益外，传感器的制造、测试和多传感器的集成也面临着不同的挑战。 在制造方面，传感器和集成电路之间仍然存在许多差异。虽然MEMS制造技术来自于半导体的光刻、蚀刻等经验技术，但集成电路通常是制造平面的东西，而MEMS传感器，如陀螺仪、加速度、压力传感器等，需要双面加工，以形成三维结构。光刻膜板是一个二维的平面图，通过加工成一个微小的三维结构。”从二维到二维到 2.5 维或三维本身就很复杂，这种转变已经成为技术的难点。” 当许多传感器需要集成时，制造过程的复杂性无疑会进一步加剧。不同的传感器对结构的尺寸和厚度有不同的要求。如果一起制造，满足其中一个传感器，很可能无法实现另一个传感器的优化设计。“人们总是想把集成电路和各种传感器集成在一起。理想是好的，但这样做可能导致成品率低，制造成本高。同时，不能保证每个传感器的性能都是按照最佳尺寸设计的。” 在传感器结构的设计中，如果单个产品的合格率是99%，但如果是 10 通过简单的计算，可以发现成品率低于99% 。如果数量再多，可能甚至不到 50%。这使得生产失去了意义，无法实现有效的批量生产。 无论传感器应用于哪个领域，都有一个共同的需求，即可靠性。传感器是否可靠取决于测试。李欣欣说：“我一直认为传感器测试是最困难的，尤其是大量产品的自动化测试。” IC 在测试过程中，输入和输出是电信号，给脉冲串，通过逻辑电路测量延迟等。但传感器不同，如陀螺，角速输入，电信号输出；压力传感器需要连接管道；气体传感器需要输入特定浓度的气体。传感器很难测试，难点是模拟真实的传感环境输入。 李欣欣说，大多数传感器不是电子设备，但也需要考虑场景应用程序。在这方面，我们不仅要强调生产能力和制造能力。在测试方面，特别是大规模、多品种的测试，在一个工厂很难完成，必须分散到多个工厂，每个工厂的生产相对较少，难以盈利。很难非常灵活地对各种场景和不同数量进行快速自动化检测。 03中国传感器发展的最大优势 在讨论哪些领域将促进传感器技术的增长时，李欣欣详细列出了相关领域。 首先是汽车市场。电子汽车使汽车需要越来越多的传感器。即使不是电动汽车，传统燃料汽车的电子部件成本也超过了发动机。过去，人们普遍认为汽车的核心是发动机和燃料系统，但燃料系统在汽车产值中的比例不如电子部件。为了实现有效的控制，首要任务是需要传感器来获取传感数据。 二是手机等消费电子产品市场。由于微机电系统，移动通信设备和消费电子产品市场相当大。（MEMS）这些传感器具有微型化、低功耗、低能耗、大规模生产的优点，可以实现低成本、小型化，然后广泛集成在智能手机中。 第三是医疗市场。许多医疗产品被设计为一次性使用，以防止交叉感染。例如，在安装支架时，需要使用一次性传感器来测量动脉；在脑部手术中，也需要使用一次性颅内压力传感器。上述情况都是传感器技术发展的主要驱动力。 第四是物联网、智能建筑、智能城市、智能地球等。没有传感器的应用，这些场景就无法实现智能化。智能化的前提是确保一切都处于可控状态。例如，光传感摄像头使用的CMOS芯片也是智能手机摄像头的核心组成部分。在智能建筑的建设中，一栋建筑可能有成千上万的通风口，每个通风口都配备了实时调节风量的传感器，从而达到节能、提高舒适度和工作效率的目的。 李欣欣说：“随着世界的发展，越来越难以找到一个单一的方向作为驱动力。在各行各业，电子领域，包括半导体和传感器，已经渗透到社会的每个细胞中。每个人将来都可能有很多传感器，需要各种传感器来收集数据来做出判断，其中任何传感器都是必不可少的。” 说到中国传感器的发展，有什么优势？李欣欣说，中国最大的优势在于市场。 他回忆说，他过去在新加坡工作。尽管新加坡的学者和研究人员也取得了许多成就，但很难找到应用场景。高端产品需要从美国进口，低端产品需要从其他国家进口。尽管新加坡处于产业链中，但它既看不到科学研究的来源，也看不到终端应用，因此它相对被动。 中国有一个巨大的市场，中国的经济体系，包括航空航天和国防，是一个相对独立和完整的体系。我们经常谈论飞机本地化，甚至关注发动机是否本地化，以避免被动。中国试图建立一个更强大的工业系统。在这种情况下，传感器非常有用，许多传感器需要本地化。 中国是一个大国，学科全面。传感器涉及许多学科，如光、力、热、电磁、生物和气体。一些小国，即使是先进国家，也可能无法考虑所有领域，无法全面推广，只能专注于一两个最适合中国工业的领域。中国在各个方面都非常重要，市场非常大，需求也非常强劲。这为研究人员，特别是传感器研究人员提供了很好的机会。 李昕欣感叹道：“中国有一个相对丰富和完整的体系，让研究人员和员工有针对性和有用性。只要做得好，我们就能找到合适的应用场景。”       原文标题 : “小”传感器，万亿市场被撬动