大学论文
摘要：传感器作为进口电子元器件中品种最多的领域,其芯片的进口量不计其数。本文以芯片的自主生产制造以及研发经验为基线,针对军用领域探测、控制系统应用使用的主要核心芯片方面遇到的各种实际问题以及未来发展可能遇到的潜在问题,进行梳理归纳、分析和总结,为相关决策提供参考依据;从传感器专业的敏感视角出发,进行跟踪、分析、判断,对未来可能对我们形成威慑的潜在问题提出预警,旨在让更多的人了解传感器以及传感器核心芯片后续发展需要注意的问题,提前谋划,使传感器技术在自主的道路上发展更稳健。
关键词：军用传感器; 高端核心芯片; 传感器芯片; 自主可控;
Requirement Analysis and Research on Development Issues of Military Sensor Core Technology
SUN Hui-guang YANG Yu-song ZHENG Wei-xian
The First Military Representative Office of the Air Force Equipment Department in Harbin
Abstract：Sensor is the most perse field of imported electronic components, its chip imports are numerous. This paper is based on the experience of independent manufacturing and development experience, a variety of practical problems encountered in the application of key chips for detection and control systems in the military file and potential problems for future development, we comb and analyze and summarize and provide reference basis for relevant decision-making. Form the sensitive perspective of sensor transfer, tracking analysis and judgment, give early warning of potential problem that could deter us in the future, let more people understand the sensor and sensor core chip follow-up develop need to pay attention to the issues and planning ahead of time, so that the sensor technology on the road to autonomy more robust development.
1 引言
随着中美贸易战的不断升级，美国宣布以国家安全和外交利益为由，对中国实行企业出口管制，一时间半导体芯片成为了全社会关注的焦点。半导体芯片内涵丰富，涉及范围很广，其中也包括传感器敏感芯片等[1]。
传感器作为获取武器装备以及装备保证系统所涉及的各类信息的重要技术手段，广泛应用于弹、机、箭、星、船等武器装备遥测、舵机、发动机、座舱等系统，在装备测量与控制等系统中发挥重要作用[2]。
美国对军工电子元器件一直都在实行禁运和限售政策，对高端核心关键器件，尤其是高端传感器及核心芯片更是绝对禁售，因此中国在军用传感器及芯片领域一直都在进行着国产化替代和自主研发的工作，有很多品种都实现了国产化替代，形成了很多自主能力。但是，中国确实也有一部分无法自主生产的产品会让别人卡脖子，比如很多中高端传感器及芯片。高端芯片的落后，其背后是技术能力的不足[3]。
本文通过对军用传感器核心技术需求分析和发展问题研究，从传感器专业的敏感视角出发，进行跟踪、分析、判断，对未来可能对我们形成威慑的潜在问题提出预警。
2 传感器领域的技术问题分析
2.1 发展路线分析
在传感器技术领域存在两种发展路线。一种是购买国外核心敏感芯片，然后自己封装成传感器产品，在市场经济环境下，是一种能够快速占领传感器市场的有效技术路线，可以缩短研发周期，很快的形成经济效益，然后进行再投入，形成良性循环；另一种是从传感器敏感芯片研发开始的，这种技术路线无疑需要更长的研发周期完成产品成熟度的锤炼过程，研发的传感器的性能指标往往比国外的成熟产品要差一些。但是一旦涉及高性能、高可靠、耐受恶劣环境等高端硬性指标，国内产品就显得心有余力不足了，究其根本，就是我们在涉及材料、工艺基础技术能力方面以及软实力的长期积累方面依然受到整体工业水平的限制[4]。
军用传感器的核心技术在芯片，用芯片和发动机一样，都是需要量产的，单纯造出几个，用处不大，而这就涉及良品率问题。行业领先的生产工艺是需要慢慢用时间去打磨的，目前国内企业在这方面仍需付出极大地努力，领导和企业都要能耐受住寂寞的磨炼期。
2.2 传感器技术能力完整性的构建面临困难
在军用传感器领域，国内只有少数几家单位能够完全进行芯片的自主研发，和国外传感器相比，在通用技术指标方面与国外产品相当，但在边缘和极限能力指标方面仍与国外高端产品存在差距，例如在精度指标方面，尤其是在小量程压力传感器精度指标方面还存在差距。例如对于谐振式压力传感器而言，国外有精度能够达到0.01%水平的压力传感器产品，属于标准级产品，国内在谐振传感器技术方面刚刚取得技术突破，要想达到国外产品水平，还需要一个产品成熟化过程。存在这些差距的主要原因主要有以下几个方面传感器芯片技术积累和迭代过程还不足，还没有经过量产工艺技术的积累迭代训练，在特殊品种的科研投入上还十分有限，在环境、工艺技术条件和材料特性等基础工业平台能力方面都有差距[5]。
在技术的支持方面，离散化的项目立项支持导致传感器技术研究不连续、片段式的科研任务使技术积累缓慢并缺乏体系性；科研任务的竞争性申请使一些单位为了立项盲目提高指标，部分院校基于科研思维将传感器技术指标提到虚高层度，使技术指标脱离了工程实际情况，将技术成熟化的迭代过程短路；基础器件的受重视程度远不能和系统相比，新技术的研发储备不足，创新投入受现实条件约束严重[6]。
3 高端传感器在核心芯片方面的不足
3.1 专业技术人才方面
高精尖的传感器芯片需要重金典制，有些特殊的传感器关联的是一种技术能力，需要很专业的技术团队重点打造，需要有核心人才聚集技术力量，生成技术能力[7]。
3.2 传感器技术体系规化方面
在高端传感器领域，除了敏感芯片与国外先进技术存在差距之外，传感器高端处理电路芯片方面差距更大，例如在低噪声的传感器信号处理放大器件以及更高端的高温传感器专用电路处理芯片方面。在低噪声电路器件方面，国内可选择器件非常受限，而低功耗器件更是凤毛麟角。国内在高温传感器专用电路处理芯片方面也只能算是刚刚起步，只是由大学做了一点非严肃的摸索性工作而已[8]。
4 传感器领域技术创新理念及思维上的突破
所有的自主可控的现状分析都是基于结果的，如果想在未来有一个根本转变，实现传感器技术真正的自主可控，必须了解传感器技术特点和发展规律，并深入了解分析应用需求，在有了客观的认识之后，通过合适的路线与方法，结果才是可预期的。
4.1 近零功耗传感器新技术
“近零”项目关注两个关键技术问题：一是有效的低功耗传感器开关技术，二是无线传感器系统休眠功耗接近零。这样既可以保证在出现特殊事件时能使系统从休眠中醒来；也可以保证在没有特殊事件时系统几乎无损耗[9]。
DARPA于2015年启动N-ZERO项目，旨在研发新型射频接收机和传感器。能以低于10纳瓦(相当于电池自然放电水平)的待机功耗持续、被动监测周围环境，从背景噪声中或在受干扰时识别目标信号，唤醒后续信号处理电路，进入工作状态。这样既可以保证在出现特殊事件时使系统从休眠中醒来；也可以保证在没有特殊事件时系统几乎无损耗。
N-ZERO项目是一个完整的信息获取系统能力构建以及核心技术逐步突破与实现的过程，是信息感知领域具有创新特点的新技术能力构建项目。从对传感器技术突破成果的分析可以看出，无论从物理效应与开关机制的配合方面，还是材料与工艺的集成方面，融合性特征十分突出，体现出了“技术突破源于设计理念改变”的思路。
4.2 工艺设计思维创新
2018年12月，一项具有颠覆性效果的单片集成传感器技术的突破性研发成果问世，由In Sense公司成功研发10轴单芯片惯性(运动)MEMS传感器产品，所采用的多传感功能集成设计是一项全新的技术突破，这项技术使用电镀铜作为结构材料，该专利技术的问世体现出新的多元传感集成设计思路，有望颠覆MEMS产业格局，衍生出新的集成传感器融合技术体系，并能够提高导航、定位的精确度，极大的拓展应用范围，未来将在军事领域得到广泛应用。
表1 DARPA N-ZERO项目取得的成果
全新的单芯片集成技术在设计理念指引下，突破以往思维，颠覆性的以CMOS工艺平台为基础，以电镀铜技术解决结构材料问题，获得了巨大成功，这标志着在核心芯片领域，一种更先进的全息功能感知单芯片技术已在技术层面完成。该技术后续可以支撑各种终端系统应用强劲需求的嵌入式的功能感知单元的单芯片化集成，这意味着在电子信号处理核心芯片之后，我们将面临又一个核心芯片领域滞后和被禁运的窘境。
2019年4月，Nanusens公司推出了颠覆性MEMS-in-CMOS技术，有望解决多年阻碍MEMS传感器批量扩产的瓶颈。由于世界上所有主要的半导体晶圆代工厂都采用CMOS工艺，因此传感器的产量将不再受限制[10]。
Nanusens通过使用标准的CMOS制造工艺，同时解决了规模制造和性能提升问题。此外，这种新型NEMS传感器技术还有尺寸小、功耗低等其它技术优势。
5 面临的技术封锁危险
以集成低功耗传感器技术为例，最具代表性的低功耗传感器技术产品是在无人机上广泛使用的高度测量压力传感器，这种传感器的应用中要求传感器能够分辨20厘米的高度，因此需要传感器具有很高的精度，同时由于是无人平台应用，因此功耗方面要求苛刻。目前国际上最具代表性的低功耗压力传感生产厂家有法国MEMS cap公司和美国TE、ASG等公司的产品，其中美国TE公司MS5803-02BA压阻式压力变送器性能最优，待机电流可达1微安。
超低功耗压力传感器研制领域国内与国外对比仍存在较大差距，尤其是在超低功耗专用信号处理电路方面差距较大。目前国内公司暂无开展超低功耗压力传感器的专用ASIC电路研究工作。在这种应用中国内望尘不及[11]。
无人平台的重要性越来越被大家了解，无人平台应用的传感器在能耗方面有着近乎苛刻的要求，如果国外对技术进行封锁，我国在无人机方面的研究将面临重大压力。
6 未来数字经济呼唤大量传感器新技术
智慧物联时代对信息的感知提出了更高要求，将来，我们会在传感器中嵌入匹配的人工智能。它将能够学习人类和动物的感知方式，不仅限于视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉，还包括运动或温度，以全面感知周围的环境。而零功耗技术在手机、汽车、无人平台领域都将大展身手，发挥重要作用，再加上人工智能概念和物联网概念，无论在数量上，还是在品种上不远的未来都在呼唤大量的新型传感器技术。
7 结束语
未来，在下一轮快速与精准打击军事能力对抗的牵引下，高超武器以及无人精准打击武器将成为重点发展内容，由此需要新一轮先进、耐用的高质量、高性能的传感器技术作为底层技术支撑，本文针对军用领域探测、控制系统应用使用的主要核心芯片方面遇到的各种实际问题以及针对未来发展将来可能遇到的潜在问题，进行梳理归纳、分析和总结，为传感器及传感器芯片技术以及集成传感芯片的发展提供了重要的理论依据和发展启示。
表2 超低功耗压力传感器研制领域国、外对比表
参考文献
[1]谷有臣,孔英,陈若辉.传感器技术的发展和趋势综述[J].物理实验,2002(12):31-35.
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[8] 吴荣军,张宝成,亢春梅.国外传感器市场发展现状及预测[J].传感器与微系统,2003(5):5-7.
[9] 刘成利,牛微,景云鹏.传感器市场现状及发展趋势[J].活力,2014(8):57-58.
[10]王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术,2011(8):516-522.
[11]吴荣军,张宝成,亢春梅.国外传感器市场发展现状及预测[J].传感器与微系统,2003(5):5-7.