信息輸入的窗口:傳感器的時代

目前,全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種。由於缺乏制定國際標準的準則與規範,尚未制定出權威的傳感器標準類型。

人類步入21世紀,全面進入信息時代,從一定意義上講,也就進入了傳感器時代。在現代控制系統中,傳感器處於連接被測對象和測試系統的接口位置,可直接或間接接觸被測對象,是信息輸入的“窗口”,是萬物互聯的眼睛,是數據信息獲取的 功能器件,直接影響和決定系統的性能優劣。特別是當前備受國際關注的物聯網、大數據、云計算技術,乃至智慧城市中的各種技術實現,對於傳感器技術的依賴尤為突出。
標準紛爭的傳感器
目前,全球產品化的傳感器種類約有2.6萬余種。由於缺乏制定國際標準的準則與規範,尚未制定出權威的傳感器標準類型。其敏感機理、敏感材料、使用功能、應用領域等互相交錯及深度融合,難以釐清,各國及各行業圍繞標準劃分的爭論從未停止,各抒己見、爭論不休,從而導致產品名稱混亂、種類繁多、結構複雜、參數各異等複雜狀況。目前,行業只能劃分為簡單的物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器等大的類別。

由於敏感機理、敏感材料不同,加之工業現場環境、使用場景,以及被檢測介質與個性化參數、結構複雜等特點,長期以來,傳感器一直處於多品種、小批量生產狀態。受工藝技術的分散性、複雜性影響和設備裝置價格昂貴等因素制約,業界稱其生產過程為製造“工業工藝品”。各國工程技術人員圍繞着工藝技術協同、融合,在產品規範化、性能歸一化、功能集成化、結構標準化,以及工藝設備和工裝夾具的產業化方面開展了長期的技術開發與創新,形成了一大批不同特色的技術成果。
MEMS工藝是創新源泉

在美國硅谷傳感器領域,以MEMS工藝技術為基礎,根據不同行業和功能的需求,展開不同封裝結構的各種傳感器產品創新,已經持續了近25年,形成各種類型傳感器產品,應用領域不斷擴展,得到了各行業的廣氾認同。正如硅谷MEMS工藝技術創始人丹尼斯所說:“20多年來,硅谷傳感器產品一直都圍繞着以硅基材料為主體的MEMS芯片和不同行業領域的市場應用需求,開展不同結構形式封裝的產品創新”。因此,MEMS工藝技術是各種類型傳感器的共性基礎工藝技術,被業界稱之為傳感器創新源泉。

目前,MEMS成熟工藝有4英吋、6英吋、8英吋、12英吋。伴隨着半導體平面工藝更新換代和不斷升級,工藝設備與裝置水平成熟度增強,價格不斷降低,MEMS工藝也正在向更大尺寸方向發展,工藝成熟度也隨之不斷增強。產品廣氾應用於物理、化學和生物傳感器中,在聲敏、光敏、熱敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏等傳感器中的應用業已成熟。不僅提高了產業化能力,降低了產品成本,也大大提高了產品的可靠性、穩定性、一致性,使得產品的分散性、離散性得到了極大改善,可進行規範化與標準化的封裝與生產,在批量化與規模化生產中發揮了重要作用。
2011年,美國業界認為MEMS工藝已經成熟,可以廣氾推廣應用,確立並形成了傳感器產業圍繞MEMS工藝技術和應用兩大方向的創新與突破:一是敏感機理創新與工藝突破。提高了MEMS工藝技術在材料與工藝結構等基礎理論與應用水平,比如在晶體與非晶體、各種半導體材料應用;在硅-硅鍵合工藝、硅薄膜工藝、金屬薄膜工藝等多個領域的工藝技術創新,大大提高了產品生產的微型化、低成本、復合型、集成度等產業化基礎水平。二是智能化水平提高和應用創新。在多功能集成化、模塊化構架、嵌入式能力、網絡化接口等方面形成了創新與突破。

這二者的突破,極大地改善了產用難以對接的矛盾,搭建了生產製造與市場應用的橋梁與技術通道,突破了行業在生產和應用長期形成的技術壁壘和發展瓶頸。同時也提高了各行業的產品自主選擇和應用設計能力,大大刺激了應用需求,拓展了市場空間。

智能化的三大核心
美國明確地提出傳感器智能化的三大核心技術與創新趨勢:
1.MEMS工藝技術。在微型化、低功耗、低成本、多材料復合、多參數融合,在大片集成工藝技術與裝備、微米與亞微米級高精度控制技術、柔性生產工藝技術等方面不斷迭代升級與創新。
2.無線網