无人驾驶汽车、物联网、可穿戴设备和机器人等无疑是未来最重要的新技术发展方向，正在向市场稳步渗透，将对人类社会产生深刻的影响。这些技术出现与发展，得益于计算机技术、通讯技术、大规模集成电路技术、微机械加工技术及传感器技术的迅猛发展。其中微型化的集成传感器，作为信息采集部件，是这些新技术发展的核心基础部件。未来若干年中，集成传感器将逐渐从信息技术发展中的“配角”变为“主角”，对新产品系统的性能和价格产生重要的影响。

　　发展趋势

　　集成传感器是指利用现代微加工技术，将敏感单元和电路单元制作在同一芯片上的换能和电信号处理系统。敏感单元包括各种半导体器件、薄膜器件和MEMS器件，其功能是将被测的力、声、光、磁、热、化学等信号转换成电信号；电路单元包括信号拾取、放大、滤波、补偿、模数转换等电路。集成传感器是现代传感器技术发展的必然趋势，其演进的步伐紧跟集成电路的发展道路。

　　早在上世纪七十年代，美国Stanford大学，欧洲Delft大学等就开展了集成传感器的探索研究，早期的集成传感器包括温度传感器、湿度传感器和压力传感器以及简单的CMOS读出电路。在上世纪八十年代中期，随着硅半导体集成电路技术的成功、微加工技术的发展以及各种新型能量/信号变换的需要，美国伯克利大学加州分校的学者提出了MEMS的概念，其主要目的是制作可动的硅微机械部件并将其与微电子集成电路制作在一起，形成微电子机械系统。在大批研究者的努力下，MEMS技术飞速发展，研究出了多种基于不同物理和化学原理的新型传感器，包括加速度传感器、压力传感器、麦克风等。

　　2000年以后，随着移动通讯技术和智能手机市场的发展，MEMS传感器产品市场得以迅速发展，硅麦克风、加速计和陀螺仪已成为主流的传感器。2010年前后，MEMS传感器的市场规模已经达到100亿美元。据预测，其规模在2020年将达到200亿美元。从一般经济规律看，200亿美元的传感器市场至少可以带动2000亿美元的应用系统市场，进一步将开发出每年数十亿美元的加工设备和材料需求。从数据不难看出，我国能否在以MEMS传感器为主的集成传感器市场稳步发展具有重要的战略意义。

　　集成传感器已从早期的单一传感器和简单的调理电路集成向更复杂的集成系统方向发展，主要包括以下几方面：其一是系统化，即在电路方面不但包括模数部分，同时包含数据部分，逻辑计算。未来甚至要包含无线收发单元；其二是多功能化，例如一个集成传感器模块可以同时感测温度、湿度、压力等多种变量。其三是阵列化，阵列化不但使某些特定应用领域如光传感器，结合新的算法也为传感器赋予新功能，如气体传感器，声学传感器的功能。其四是智能化，即传感器不仅仅是硬件的结合，而且是软硬件的结合。智能传感器早已有之，但是高度集成的智能传感器的目前还在研发阶段。

　　巨大机遇

　　随着人工智能技术（AI）、虚拟现实技术（VR）、无人驾驶技术（包括飞机和汽车）和通讯技术领域的不断进步，不仅为集成传感器技术的发展提供广阔的空间，同时也提供了新的发展平台。以2020前后将得到推广的5G技术为例，它将提供达到毫秒级的接入速度、1GPB/S的高速数据流量和局域数十万的接入节点。当5G通讯为万物互联提供技术基础建立以后，人类是否真正进入IOT时代的关键因素就是否能实现满足各种要求（环境、可穿戴、工农业、建筑、医疗等）的低成本高性能的无线传感节点（WSN）。估计到2030年，地球上的物联网传感器将有上万亿颗，平均每人拥有数颗传感器。加上天上人间的无人机和无人驾驶，机器人市场，可以说传感器市场前景无可估量。

　　挑战与应对

　　集成传感器技术的发展，也为大规模集成电路技术进入后摩尔时代提供了有力的支持。后摩尔时代的集成电路，不仅需要有信息的计算和储存功能，同时要有信息感知、传输和执行功能。未来的集成传感器，不但是传感器技术和集成电路技术的会师，也是人类各种知识、各种技术的大汇聚。包括物理、化学/生物原理的运用，MEMS/NEMS技术和集成电路技术等先进制造技术的整合，以及含有不同算法的软件和硬件的结合。

　　目前我国集成传感器的市场蓬勃发展，集成智能传感器、无线传感器节点研究方兴未艾。国内基于MEMS和半导体的创新型企业如雨后春笋，出现了多家在国际上名列前茅的知名传感器产品系统供应商。但是在集成传感器核心技术拥有、高性能芯片制造方面，和国际上的知名企业如Bosch、STMicroelectronics、InvenSense等尚有不小的差距。如果我们传感器发展的技术战略没有很好的布局，很可能会重蹈八九十年代集成电路领域的覆辙，起个大早，赶个晚集。集成传感器发展面临的主要挑战包括：实现原创性技术突破，利用新原理、新材料、新结构实现具有自主产权的新型传感器；完善集成传感器生产和加工技术产业链，以构建一流MEMS加工制造企业为核心，带动材料、设备、封装企业的发展；实现集成电路和MEMS器件的高度集成，形成多种前CMOS或者后CMOS工艺模块能力；实现高性能、低功耗、现场即用的低成本的无线集成智能传感器系统。

　　面对上述挑战，首先需要广大科研人员面对市场需求，发扬科学精神和工匠精神，在我国集成传感器现有的技术基础上，努力工作，大胆创新；第二需要国家的战略布局和资金的合理运用。中国政府和学术界、企业界广泛互动，相信会制定出合理的战略发展规划。而实现低成本高性能的集成传感器，从目前看最好的解决方案是SoC（Systemona Chip）。虽然已经发展前CMOS或者后CMOS工艺的MEMS集成传感器方法，但实现真正的SoC集成传感器，尚须时日。

　　业界广泛认为，SiP（Systemin Packaging）是实现集成传感器的最佳方法。SiP将多个具有不同功能的有模拟电路、数字电路、射频无源器件以及MEMS传感器、半导体传感器或者他器件优先组装到一起进行封装，实现一定功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统。SiP有非常好的灵活性，可以采取多种方式采用不同衬底进行SiP封装，目前已经在无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等领域得到广泛的应用。就物联网的需求和发展来说，如何实现低成本、高性能、低功耗、多功能的无线集成传感器是最大的挑战。

　　可能的一条路径是借助RFMEMS。RFMEMS是运用MEMS技术制作用于射频和微波领域的MEMS器件，RFMEMS研究，不仅为制作高性能低功耗的微波和射频器件提供了新方法，也为无线集成传感器的SIP发展提供了新的技术路线。当前主要的RFMEMS器件包括电容、电感、开关、谐振器以及基于上述器件的RFMEMS模块单元及系统，包括RFMEMS移相器、衰减器、滤波器、智能天线等。从上世纪九十年代开展RFMEMS研究以来，RFMEMS在开关、滤波器、振荡器的器件和应用方面已经取得巨大进步，其中清华大学的RFMEMS开关面积是0.04平方毫米，在直流到20GHz频段范围内有良好的射频特性。这种基于RFMEMS的集成技术被称之为WSIP，即Wireless Systemin Packaging。利用WSIP技术，可以不但可以进一步降低集成传感器功耗，同时可以减少无线集成模块的成本，为未来无线集成传感器的应用打下技术基础。

　　总之，集成传感器有广泛的应用前景和巨大的市场价值，技术的发展为集成传感器提供了新的机遇。同时集成传感器也面临着器件创新、工艺制作、系统集成和无线智能化等诸多方面的挑战。从长期看，SIP和WSIP为集成传感器的发展提供了非常具有潜力的发展方向。

　　作者单位：清华大学