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在中國的通訊技術(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。

　　當然半導體在物聯(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)系統應用的大產(chǎn)業(yè)。據預測，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的半導體硬件在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，但是應用非常廣。最典型的就是在上世紀七八年代的汽車(chē)應用，當時(shí)因為汽車(chē)的門(mén)檻較高，另一方面我國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展沒(méi)那么迅速，所以汽車(chē)里面的分立元器件，尤其是傳感器比較少。今天回過(guò)頭來(lái)我們整理發(fā)現，汽車(chē)里有大量的傳感器(圖2)，尤其現在A(yíng)DAS(高級輔助駕駛系統)需要很多各種各樣的傳感器?，F在大家比較熟悉的一個(gè)領(lǐng)域是智能終端/智能手機。由于智能終端的出現，傳感器的需求呈爆發(fā)性增長(cháng)。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——可穿戴設備，例如智能手環(huán)可以測量你的健康參數等。具體到巨大的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)，市場(chǎng)機會(huì )更大。

　　智能手機一代代發(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手機品牌推動(dòng)起來(lái)，今天中國的手機廠(chǎng)商實(shí)力越來(lái)越雄厚，他們智能手機中的有些傳感器甚至是領(lǐng)先于國外大廠(chǎng)商的。

　　中國在MEMS市場(chǎng)里的一類(lèi)份額如圖3所示。深藍色部分是中國手機廠(chǎng)商。過(guò)去一段時(shí)間里，主要是三星、蘋(píng)果主導，但是從2011年開(kāi)始，中國的手機廠(chǎng)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(zhù)時(shí)間的推移，下一步份額還會(huì )更高。

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

國內MEMS研發(fā)平臺概況

　　在中國的MEMS生態(tài)系統還不是非常健全。中國有個(gè)特點(diǎn)，越往后端越發(fā)達。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。國內MEMS實(shí)驗室主要有三個(gè)：清華、北大和SITRI。MEMS設計公司(fabless)不少，目前集中在長(cháng)三角，中國的其他區域也非常多，這些設計公司規模還比較小，往往沒(méi)有采用非常大型的企業(yè)研發(fā)平臺在開(kāi)展工作，但是真正需要把它規?；?、量產(chǎn)化需要一個(gè)比較好的平臺。

　　目前在中國有幾個(gè)MEMS研發(fā)平臺，一家在蘇州，規模較大，剛開(kāi)始不久，有一定的測試和封裝的能力;無(wú)錫有一家測試平臺。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(xiàn)，這條線(xiàn)一旦建成以后，可為設計公司和代工廠(chǎng)(foundry)提供有力的研發(fā)支撐。

　　實(shí)際上，美國也存在科研轉化為產(chǎn)品的問(wèn)題。從2014年至今，美國已建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。因為美國企業(yè)的研發(fā)能力比較強，但是奧巴馬認為，美國仍然存在這個(gè)問(wèn)題，需要把中間的鴻溝填補起來(lái)，這是SITRI等中國很多研究院的使命。

　　因為技術(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，包括一些子系統的實(shí)驗，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(xiàn)，包括MEMS、硅光子等等，設備較為齊全。同時(shí)后端有合作伙伴——華虹宏力的生產(chǎn)線(xiàn)對接。

　　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。

　　在傳感器領(lǐng)域，在上世紀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年的智能手機時(shí)代，手機里的分立元器件(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，好處是結構比較簡(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，可以用于手機的射頻前端。傳統的GaAs(砷化鎵)也做了一些射頻元器件，比如開(kāi)關(guān)，現在射頻前端的SOI(新材料)占了很大的比例。我們正好也趕上了這一波，一方面本身是手機發(fā)展、量大，再一個(gè)手機里的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遇，我們的材料在這方面有非常好的前景。

　　半導體的發(fā)展，到了20納米以后，有兩條發(fā)展路線(xiàn)：一個(gè)采用三維的FinFET，一個(gè)采用SOI二維結構。到今天，Intel等繼續使用三維的晶體管結構，發(fā)展還不錯。另一波人，包括IBM和ST等推動(dòng)二維SOI結構。應該說(shuō)這是個(gè)分水嶺，中國，我認為如果走前一條，永遠是跟隨，不可能超越;但是如果走第二條路線(xiàn)，半導體體硅變化，中國有機會(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(cháng)28納米壽命。這對物聯(lián)網(wǎng)的應用是非常有幫助的，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結成了戰略聯(lián)盟，來(lái)共同推動(dòng)SOI在中國的推廣。

　　傳感器發(fā)展需要有更廣闊的思路

　　我國的研究所、高校在過(guò)去二三十年做了很多積累，現在通過(guò)產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，已有兩家公司上市。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，還需要我們進(jìn)一步思考。例如傳統的老牌企業(yè)博世，他們汽車(chē)傳感器做得好，當看好消費電子產(chǎn)品的勢頭后，不惜一切代價(jià)把消費電子這塊做大，因為它有汽車(chē)傳感器的經(jīng)驗積累，他很有競爭力。我認為下一步中國傳感器的發(fā)展，第三個(gè)階段(如圖1)應該跟我們當前的半導體發(fā)展結合在一起，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，包括與系統結合，包括對國際半導體公司的并購重組。即從傳統的芯片思路來(lái)整合各種資源，才能形成規模。

小結

　　2015年是摩爾定律誕生50周年，半導體發(fā)展是無(wú)窮無(wú)盡的。SITRI與合作伙伴從事融合創(chuàng )新。我們認為這是半導體差異化的戰略，因為一味地追求摩爾定律，還是可以走下去，但是確實(shí)投入很大。中國的半導體業(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、功率等結合在一起，這里的創(chuàng )新機會(huì )非常多。通過(guò)這些半導體器件的融合創(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：(本文根據王曦院士在“2015中國通信集成電路技術(shù)與應用研討會(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。)

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本文來(lái)源于中國科技期刊《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。