物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的傳感器和材料創(chuàng)新

摘要：探討了傳感器在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要性，以及如何發(fā)展我國(guó)的傳感器/MEMS傳感器及材料。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要基石

　　信息技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段(圖1)?，F(xiàn)在中國(guó)的通訊技術(shù)發(fā)展很快，希望下一步是智能社會(huì)的時(shí)代。智能社會(huì)就是要把物包括進(jìn)來(lái)，即物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。所以在這個(gè)領(lǐng)域，傳感器非常重要。所以半導(dǎo)體下一個(gè)創(chuàng)新的領(lǐng)域之一，是摩爾定律如何創(chuàng)新，其中包含傳感器。

　　當(dāng)然半導(dǎo)體在物聯(lián)網(wǎng)中是一個(gè)比較小的領(lǐng)域，但是很重要，它位于最底部，支撐起整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的大產(chǎn)業(yè)。據(jù)預(yù)測(cè)，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的半導(dǎo)體硬件在2020年大約有300億美元，其中傳感器在150億美元左右。

　　傳感器盡管小，但是應(yīng)用非常廣。最典型的就是在上世紀(jì)七八年代的汽車(chē)應(yīng)用，當(dāng)時(shí)因?yàn)槠?chē)的門(mén)檻較高，另一方面我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展沒(méi)那么迅速，所以汽車(chē)?yán)锩娴姆至⒃骷绕涫莻鞲衅鞅容^少。今天回過(guò)頭來(lái)我們整理發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)?yán)镉写罅康膫鞲衅?圖2)，尤其現(xiàn)在ADAS(高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng))需要很多各種各樣的傳感器。現(xiàn)在大家比較熟悉的一個(gè)領(lǐng)域是智能終端/智能手機(jī)。由于智能終端的出現(xiàn)，傳感器的需求呈爆發(fā)性增長(zhǎng)。再有，我們迎來(lái)了巨大的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的先頭兵——可穿戴設(shè)備，例如智能手環(huán)可以測(cè)量你的健康參數(shù)等。具體到巨大的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，市場(chǎng)機(jī)會(huì)更大。

　　智能手機(jī)一代代發(fā)展，其MEMS傳感器是不斷增加的。MEMS傳感器首先是由大的外國(guó)手機(jī)品牌推動(dòng)起來(lái)，今天中國(guó)的手機(jī)廠商實(shí)力越來(lái)越雄厚，他們智能手機(jī)中的有些傳感器甚至是領(lǐng)先于國(guó)外大廠商的。

　　中國(guó)在MEMS市場(chǎng)里的一類(lèi)份額如圖3所示。深藍(lán)色部分是中國(guó)手機(jī)廠商。過(guò)去一段時(shí)間里，主要是三星、蘋(píng)果主導(dǎo)，但是從2011年開(kāi)始，中國(guó)的手機(jī)廠商占MEMS傳感器市場(chǎng)份額不斷增加，從2011年的9%，到2012年17%，2013年21%，2014年的23%，2015年30%。相信隨著時(shí)間的推移，下一步份額還會(huì)更高。

　　反過(guò)來(lái)說(shuō)，我們的傳感器需要?jiǎng)?chuàng)新，來(lái)推動(dòng)智能手機(jī)更加智能化，最終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的智能化。

國(guó)內(nèi)MEMS研發(fā)平臺(tái)概況

　　在中國(guó)的MEMS生態(tài)系統(tǒng)還不是非常健全。中國(guó)有個(gè)特點(diǎn)，越往后端越發(fā)達(dá)。上海微技術(shù)工業(yè)研究院(SITRI)處于中間的開(kāi)發(fā)鏈條，可以作為研發(fā)到產(chǎn)品之間的工程化、產(chǎn)業(yè)化的橋梁。SITRI過(guò)去在MEMS方面做了30年，做得比較系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)MEMS實(shí)驗(yàn)室主要有三個(gè)：清華、北大和SITRI。MEMS設(shè)計(jì)公司(fabless)不少，目前集中在長(zhǎng)三角，中國(guó)的其他區(qū)域也非常多，這些設(shè)計(jì)公司規(guī)模還比較小，往往沒(méi)有采用非常大型的企業(yè)研發(fā)平臺(tái)在開(kāi)展工作，但是真正需要把它規(guī)模化、量產(chǎn)化需要一個(gè)比較好的平臺(tái)。

　　目前在中國(guó)有幾個(gè)MEMS研發(fā)平臺(tái)，一家在蘇州，規(guī)模較大，剛開(kāi)始不久，有一定的測(cè)試和封裝的能力;無(wú)錫有一家測(cè)試平臺(tái)。在上海，上海政府支持上海微技術(shù)工業(yè)研究院(SITRI)建立一條8英寸的完整MEMS研發(fā)供給線，這條線一旦建成以后，可為設(shè)計(jì)公司和代工廠(foundry)提供有力的研發(fā)支撐。

　　實(shí)際上，美國(guó)也存在科研轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的問(wèn)題。從2014年至今，美國(guó)已建6個(gè)先進(jìn)研究院。所謂的“死亡之谷”、“缺失的貝爾實(shí)驗(yàn)室”、“產(chǎn)業(yè)工地”，從技術(shù)上看，圖4左邊是研究所、大學(xué)，右邊是產(chǎn)業(yè)界，需要中間的開(kāi)發(fā)(development)橋梁。因?yàn)槊绹?guó)企業(yè)的研發(fā)能力比較強(qiáng)，但是奧巴馬認(rèn)為，美國(guó)仍然存在這個(gè)問(wèn)題，需要把中間的鴻溝填補(bǔ)起來(lái)，這是SITRI等中國(guó)很多研究院的使命。

　　因?yàn)榧夹g(shù)有一個(gè)成熟度，在技術(shù)研究階段，需要證明這個(gè)技術(shù)可行性，屬于前期，這是研究所、大學(xué)的事。但是要把它變成一個(gè)最終的產(chǎn)品，包括技術(shù)的中試，包括一些子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，都是處于中間階段。最終企業(yè)把它變成產(chǎn)品、推向市場(chǎng)。SITRI有8英寸的研發(fā)中試線，包括MEMS、硅光子等等，設(shè)備較為齊全。同時(shí)后端有合作伙伴——華虹宏力的生產(chǎn)線對(duì)接。

　　SITRI作為產(chǎn)業(yè)之間的橋梁，加入了很多工業(yè)聯(lián)盟，同時(shí)也在上海嘉定建立了“物聯(lián)網(wǎng)芯片產(chǎn)業(yè)園”，作為推動(dòng)傳感器、微能源、物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)基礎(chǔ)。

　　在傳感器領(lǐng)域，在上世紀(jì)70年代，汽車(chē)領(lǐng)域這波浪潮我們基本沒(méi)趕上。到了2006、2007年的智能手機(jī)時(shí)代，手機(jī)里的分立元器件(傳感器、核心器件)浪潮也沒(méi)趕上。我們希望在物聯(lián)網(wǎng)大潮里，中國(guó)的與傳感器相關(guān)的芯片可以“More than Moore(超越摩爾定律)”。

材料

　　做MEMS要做材料，SOI(絕緣層上硅)是做MEMS傳感器襯底一種選擇，好處是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。SOI材料不僅僅是在MEMS市場(chǎng)用，另外在RF(射頻)上用處很大，可以用于手機(jī)的射頻前端。傳統(tǒng)的GaAs(砷化鎵)也做了一些射頻元器件，比如開(kāi)關(guān)，現(xiàn)在射頻前端的SOI(新材料)占了很大的比例。我們正好也趕上了這一波，一方面本身是手機(jī)發(fā)展、量大，再一個(gè)手機(jī)里的SOI取代砷化鎵，如果在物聯(lián)網(wǎng)中，這個(gè)需求量更大。因此我們面臨了非常好的機(jī)遇，我們的材料在這方面有非常好的前景。

　　半導(dǎo)體的發(fā)展，到了20納米以后，有兩條發(fā)展路線：一個(gè)采用三維的FinFET，一個(gè)采用SOI二維結(jié)構(gòu)。到今天，Intel等繼續(xù)使用三維的晶體管結(jié)構(gòu)，發(fā)展還不錯(cuò)。另一波人，包括IBM和ST等推動(dòng)二維SOI結(jié)構(gòu)。應(yīng)該說(shuō)這是個(gè)分水嶺，中國(guó)，我認(rèn)為如果走前一條，永遠(yuǎn)是跟隨，不可能超越;但是如果走第二條路線，半導(dǎo)體體硅變化，中國(guó)有機(jī)會(huì)彎道超車(chē)。SOI芯片很重要的一點(diǎn)，過(guò)去這種夸大摩爾定律，以為平面CMOS到了盡頭，其實(shí)不然，我們可以比較多地降低體硅CMOS制造的成本，我們可以用28納米做22納米的事，進(jìn)一步降低成本，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)28納米壽命。這對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是非常有幫助的，再一個(gè)SOI的功耗降低，這也是物聯(lián)網(wǎng)最需要的。

　　最近，我們跟世界上最大的SOI公司Solitec結(jié)成了戰(zhàn)略聯(lián)盟，來(lái)共同推動(dòng)SOI在中國(guó)的推廣。

　　傳感器發(fā)展需要有更廣闊的思路

　　我國(guó)的研究所、高校在過(guò)去二三十年做了很多積累，現(xiàn)在通過(guò)產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，已有兩家公司上市。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，還需要我們進(jìn)一步思考。例如傳統(tǒng)的老牌企業(yè)博世，他們汽車(chē)傳感器做得好，當(dāng)看好消費(fèi)電子產(chǎn)品的勢(shì)頭后，不惜一切代價(jià)把消費(fèi)電子這塊做大，因?yàn)樗衅?chē)傳感器的經(jīng)驗(yàn)積累，他很有競(jìng)爭(zhēng)力。我認(rèn)為下一步中國(guó)傳感器的發(fā)展，第三個(gè)階段(如圖1)應(yīng)該跟我們當(dāng)前的半導(dǎo)體發(fā)展結(jié)合在一起，要有更廣闊的思路，不是就事論事地開(kāi)發(fā)一個(gè)傳感器，包括與系統(tǒng)結(jié)合，包括對(duì)國(guó)際半導(dǎo)體公司的并購(gòu)重組。即從傳統(tǒng)的芯片思路來(lái)整合各種資源，才能形成規(guī)模。

小結(jié)

　　2015年是摩爾定律誕生50周年，半導(dǎo)體發(fā)展是無(wú)窮無(wú)盡的。SITRI與合作伙伴從事融合創(chuàng)新。我們認(rèn)為這是半導(dǎo)體差異化的戰(zhàn)略，因?yàn)橐晃兜刈非竽柖桑€是可以走下去，但是確實(shí)投入很大。中國(guó)的半導(dǎo)體業(yè)實(shí)力還不足夠，超過(guò)很困難。我們希望在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代進(jìn)行差異化的融合創(chuàng)新，希望傳感器、能源、通信、功率等結(jié)合在一起，這里的創(chuàng)新機(jī)會(huì)非常多。通過(guò)這些半導(dǎo)體器件的融合創(chuàng)新，來(lái)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)真正智能化的時(shí)代到來(lái)。注：(本文根據(jù)王曦院士在“2015中國(guó)通信集成電路技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)暨互聯(lián)網(wǎng)+集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)”上的發(fā)言改編，未經(jīng)講演者確認(rèn)。)

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。