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智能传感器迎来万物互联

2019年11月26日12:17:23 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T

第三届中国MEMS智能传感器产业发展大会论坛实录之一

由华东光电集成器件研究所、蚌埠市发改委、蚌埠经济开发区管委会主办,2019第三届中国MEMS智能传感器产业发展大会在美丽珠城、大禹故里——蚌埠龙子湖畔盛大开幕。这里将分三个部分呈现大会论坛的精彩内容,这是第一部分智能传感器及应用。

当今世界,以信息技术为代表的新一轮科技革命方兴未艾,全球新兴技术发展正跨界融合,加速创新,深度融合的历史时期,呈现万物互联、万物智能的新特征,MEMS智能传感器作为与外界交互的重要手段和重要来源,正成为新时代关键引擎。MEMS智能传感器产业是高技术、高投入、高回报,它的发展需要地方政府、科研院所、企业单位的共同方合作,此次论坛目的是搭建一座桥梁,形成以政府为主导,企业为主体,市场为导向,院校为先锋的政产学研相结合的技术创新体系,促进中国MEMS智能传感器产业化的快速发展。我们确信,在各界领导、学者、企业家和政府部门的共同努力下,中国MEMS智能传感器产业必将进入一个全新的高速发展阶段。

以下八位专家分别从惯性传感器、非制冷红外焦平面技术、人工嗅觉系统、压力传感器、磁传感器、传感器的调理芯片以及针尖技术等八个方面,给我们做出了详细的报告,这些报告让我们全面了解了我国传感器的发展现状和未来的发展趋势,让我们对传感器的发展有了更清醒的认识,也更进一步坚定了我们对传感器发展的信心。

MEMS成套工艺及高性能惯性传感器产品发布

华东光电集成器件研究所副所长徐春叶

我的汇报分成三部分:一是成套工艺介绍,二是平台能力介绍,三是MEMS产品介绍。在成套工艺方面,214所经过从十一五以来,十几年的研究、攻关,逐步形成了四套标准工艺,还有一个一站式的定制服务,也就是“4+1”工艺体系。

第一套工艺体系是对标法国Tronics体硅工艺体系,有这么几个特点:一是基于Cavity/SOI技术实现高深宽比敏感结构、最佳结构保型;二是多金属引线互联,串联电阻小;三是PAD侧扁引出,易与引线键合;四是Au-SI共晶键合真空封装优于0.1Pa;五是复合薄膜Geeter工艺,长期稳定可靠;六是适用于高灵敏度、高一致性需求的MEMS器件。

第二套工艺体系是基于TSV-SOI体硅工艺体系,特点有:一是全硅工艺、热匹配性好;二是Cap直接高温硅硅键合真空封装,气密性极佳,无需Getter,优于0.1Pa;三是介质隔离TSV实现PAD垂直引出,芯片体积小,便于3D堆叠互联微系统集成;四是适用于高可靠性、高灵敏度、小体积MEMS器件及微系统。

第三套工艺体系是基于Class Frit晶圆级封装SOD体硅工艺,特点有:一是采用低阻硅引线,可实现硅硅键合,敏感结构应力低;二是Cap采用Glass Frit键合实现高真空晶圆级封装,工艺冗余度高,易于实现,真空度优于0.1Pa;三是兼容Getter工艺,稳定性好;四是工艺普适性强。

第四套工艺体系是一种特殊的,用于压阻体硅工艺,用于量程超过3万个G以上的,适用于各类压阻式传感器工艺加工。这是四套标准体系,希望各位同行到其工艺线进行加工,可以给大家提供工艺开发服务。另外在成套工艺里面,一站式定制柔性开发,一种器件,一种工艺,甚至是同种器件,不同的设计师,工艺都不一样,定制特征非常明显。基于这种特点,我们也提供了一站式定制柔性技术开发,从工艺加工、设计仿真到封装、设计、筛选、可靠性检测,一站式为大家提供服务。目前成功的案例有光学器件,在给华为供货,还有MEMS射频器件、MEMS气息传感器,成功应用在合作伙伴的产品上,已经大批量的供货。

下面简单介绍一下平台能力,MEMS所需要的所有的设计平台都有设计工具、设计版面。二是平台能力,有一套6英寸体硅MEMS工艺纤,手段齐全,没有缺陷。有常规的MEMS线所没有的特殊手段,因为219所还有6英寸的半导体芯片线,利用这种优势,有大市场的光刻、高能、低能离子注入,低应力CVD沉积以及优质的Getter专利技术等特色工艺。这条线的批产能力是一个月一万片,净化面积2500平。

另外还有完整的人才团队,工艺线再好,也离不开人,各类人才从研发到工艺技术人员共有100多人。光刻有步进式和接触式双面光刻,步进式做到0.5微米,接触式双面光刻1微米,离子注入有大、中、小束流,深硅刻蚀有401深宽比硅刻蚀。金属图形化有Lift/off工艺。成膜是低应力LPCVD沉积SiNPoly工艺。金属制备有多种金属溅射、蒸发、电镀工艺,工艺手段齐全。

昨天有十几款新产品刚刚通过仪器仪表学会新产品鉴定,以下做一个简要的介绍。本次发布了12款产品,四款MEMS陀螺仪、三款MEMS加速器,还有特种装置用的大量程MEMS开关,应用于产品领域主要是军民两用。在MEMS陀螺仪方面有这么几款,首先给大家介绍的是低成本的MEMS陀螺仪,它的量程在400deg/s,这个量程能覆盖日常的一些应用,但是在弹载高速旋转的时候,量程小了一点,后面还有大量程。输出精度24bits,数据输出率是12KHz,零偏稳定性是优于3deg/hr,角随机游走是0.125/h,标度因子是20000lsb/deg/s,这是第一款产品,低成本的。

第二款产品是大量程、耐过载的MEMS陀螺仪,量程能到2000deg/s,输出精度24bits,数据输出率是6KHz,零偏稳定性优于3deg/hr,温漂100ppm,带宽150Hz,抗冲击20000G

第三款产品是高精度的MEMS陀螺仪,它的量程能达到1000deg/s,输出精度24bits,零偏稳定性小于优于1deg/h,最好的能达到0.2的水准,1deg/h左右精度的可以大量的批量供货,随机游走0.05/h,它也具备耐高或者抗冲击。它采用了自较准补偿技术,把精细做的优于1度每小时的水平。

第四款产品是大动态MEMS陀螺仪,量程能到4000deg/s,相当每秒钟超过10转的旋转速度,10转是3600,现在是4000,输出精度24bits,数据输出率12KHz,零偏稳定性优以10deg/hr,在微小型弹药上使用。

这些MEMS陀螺仪和市面上战术级和导航级陀螺仪的对比,应该说已经做到了从战术级到导航级过渡的状态,也是当前国内能买到的全国产化的,MEMS产品覆盖了大部分的市场。

在加速度计方面,给大家介绍三款加速度计,一个是量程在2-10g,零偏稳定性小于20ug,可以抗10000g以上的冲击,这是第一款。第二款量程是30-50g,零偏稳定性优于50ug,也是有很强的抗冲击能力,10000g以上。第三款加速度计是70-100g,零偏稳定性优于100ug,也可以抗冲击。

另外把我们的加速度计和国际的一些产品进行了对比,总体性能上跟国际的先进水平相当,部分的性能是优于国际上的产品,现在跟国际的对比也是达到这样的国际水平。第三类产品是特种装置用的大量程MEMS开关,特种装置就是军事上应用的相对多一些,量程有5000g20000g等等。

非常欢迎各位经常到214所来走一走,多进行交流。我们是完全开放的模式,可以做服务,可以做产品,也可以联合研制,跟大家共同地把我们国家的基础器件水平推上去,也是解决我们军民两用的自主可控的这些问题。

万物互联,MEMS传感器迎来新一波浪潮

明皜传感科技有限公司副总裁钱春华

听了很多院士的介绍,让我发现了很多MEMS一些我之前未知的地方,所以说整个MEMS,整个行业,还有很多东西值得我们去探索。院士们只是给我们指明了很多宝藏的发现,接下来挖宝藏就要靠我们这些MEMS企业来做。

MEMS发展经过了几波发展浪潮,先从能量说起,在整个世界上,所谓能量,可能我们了解比较多的是机械能量,一般在学校学的比较多,还有一些化学能量、辐射能、磁能、热能、电能这些东西,能量中间存在不同的转换,也就是说换能器,我们可能常见的换能器有传感器、执行器,传感器是探测和监测物理化学现象的器件,执行器相反,通过电产生一些机器运动,力和扭矩的器件。

MEMS设备,很大一部分其实是属于这两个范畴,还有其它的定义。我们看一下MEMS传感器,我们目前比较常见的传感器,当然这些传感器还是比较偏消费类的,有些专家还讲了军用类的传感器。我们以加速器为例,这是明皜传感设计的加速器,这里有我们的专利,主要特点是8寸的MEMS/CMOS键合,使用单晶硅,整个是体硅工艺。MEMS现在有体硅工艺和表面硅工艺,我们专门做了抗沾黏工艺,还有晶圆级密封,明皜传感器有核心的专利。

速度传感器在实际运作中过梳尺运动产生电容的变化,再转化成电压,通过后端的数字电路处理把它转换成最后常见的数字信号。明皜的设计特点在于,现在MEMS片芯是世界最小面积加速度计,结构强壮化,耐high G冲击,现在标准是10000g冲击,整个结构对称化,温飘小。

我们常见的在消费类电子用的加速器内部结构是一款2×2的芯片,这款芯片是我们公司目前准备出货的产品。换能器有两个,一个是MEMS传感器,还有MEMS执行器,现在MEMS传感器比较多,相对而言, MEMS执行器在消费领域还比较少见。在VG中,每个小方块是可以活动的部件,上面会有两个支撑连,通过上面的电极施加不同的电压,产生角度的倾斜,这样它会改变射进来的光线,从而把光最终打出来,每个镜片的尺寸在10×10微米,我们标准的1.24.88投影仪有12万个小镜片,在一个小镜片中集成这么多,对精度要求非常高,有很多技术需要突破。

明皜最早就是在投入研究这个技术,做出来了XGA分辨率的投影仪芯片。今天万物互联可能会给我们带来新的所谓的浪潮或者叫机遇,浪潮其实就意味着机遇和挑战,我们看一下MEMS的发展历程,MEMS从六十年代开始,六十年代到八十年代可能是一个阶段,那时候主要是在构建一些基本的技术基础。在这个过程中,刚才提到的结构就有了研究,包括有一些使用的技术。在二十世纪九十年代,有两部分,一个是EDR,就是MEMS加速器,主要用在汽车上,安全气囊用的比较多,九十年代还有一个比较重要的是投影仪,在二十世纪九十年代基本上成型了。

MEMS让大家所熟知是在2006年以后,从苹果手机开始,里面内置了加速器,我们才知道MEMS器件变成了大家都能看到的一个东西,所以在这个之后就变得一发而不可收拾,MEMS各种各样传感器都出现在生活当中。MEMS的应用,不管是安全气囊,或者是整个动力系统、动力集成,有很多传感器,包括压力,这是用在汽车电子驱动。这是消费类产品推动的,让MEMS得到很广泛的应用,在我们很多设备中都出现了,以Iphone手机为例,第一代有加速器,后来有加速度计、陀螺仪,现在可能有二、三十种传感器。穿戴设备在传感器应用中是用的比较多的产品,比如心率传感器、压力传感器,在手表手环上得到很大的应用,这是MEMS爆发的时期。

在这波浪潮后,我觉得带给我们最大的收获是我国MEMS产业链开始逐渐形成,我们可能从设计、制造、封测包括后端的应用,都有相关公司慢慢开始发展起来了,至于有没有在浪潮里赚了很多钱,也不一定。在整个浪潮中,可能收获的应该还是国外公司,国内高端手机产品采用的还是国外传感器,但是随着整个大环境的变化,我觉得现在很多国产手机或品牌,更愿意使用国产的传感器,这对我国的MEMS企业是很好的机会。这是以手机带动的消费浪潮。

还有万物互联阶段,MEMS传感器还有一波新的机会和浪潮,首先是流动市场趋于饱和,手机出货量已经在放缓,移动设备终端传感器种类应该还会增加,但是没有前一段时间增速那么快了,现在整个在这块的厂商投入会越来越多,会有越来越多的公司进入,这就不可避免成本会被拉低。在这样的状况下,我们要去寻找一些新的机会,一个是消费电子,技术有很大的可挖点;还有智能制造,包括工业4.0、中国制造2025,应该在整个生态中,传感器应该是有很多的增长机会;智慧医疗、智能家居都是我们未来的机会。

机会大家都能看得到,但是我们还是有很多挑战,通过第一波浪潮,产业链应该初步具备,但是不可否认,我们整个能力还是比较薄弱,特别是在很多高端产品上,进口的比较多,看我们所有国内企业怎么去通过自身的研发提升,包括合理的利用产业链的配套,这是我们要去特别关注的地方。

专利是不能回避的,始终要面对,在MEMS上,专利是比较多的,我们在发展有时候没有注意,这是我们在接下来每个企业都需要关注的,虽然明皜在MEMS领域有超过100多项专利,包括加速计、微镜产品,都有自己的专利,专利是我们需要特别关注的地方,如果你的出货量是几百的话,没有人关注你怎么做的,等你做大后,会有人关注你是否有触碰专利的壁垒。

MEMS芯片本身来讲,尺寸、集成化是趋势,芯片要做的越来越小,对于芯片来说,尺寸越小,代表着成本降低。对于MEMS来讲,芯片做的越小,代表你里面的机械结构、设计会有很多的约束和限制,这是非常大的挑战,明皜MEMS现在大概是0.9×0.8的尺寸。从产品参数上讲,基本上是高精度、低功耗、智能化,这是MEMS优势的地方,但是可能根据不同客户的需求,这些参数还需要持续提升,比如说噪声指标、稳定性、偏差,偏差一般是零偏,还有轴间串扰,温度这边是长期稳定性、重复稳定性。目前我们加速计的典型参数是16 bit ADC,信号带宽达到2K以上。低噪声一般都是120ugTCO0.5mg/k

我们的第二个挑战是不同行业和客户的差异化需求,个人消费电子领域更看重功耗,汽车领域可靠性要求比较高,对工业领域,最看重的是寿命。今天做消费电子领域,再扩展到其他领域,要了解各个领域的真实需求,可能会去对产品做一些差异化的定制,这是当前需要考虑的问题。

接下来的挑战,我认为是软件与算法,今天的大会是从出发,智无限,智可以理解为后端芯片之外的,就是软件、算法这块。算法在传感器方面有信号处理、传感器融合、人工智能,有芯片、驱动、算法,一个集成一个模块,模块芯片集成变成系统,系统要集成化的话,会把系统集成到一个芯片上去。

我们最近的AirPods Pro力传感器在算法和软件方面有些完整的解决方案,比如车载设备有所谓的CarMotion,是基于传感器做的各种状态检测,比如说停车守卫、碰撞检测等。还有针对可穿戴的整个的算法集成方案,像简单的记录、跌倒检测等。另一个算法是把目前人工智能跟传感器结合,现在主要使用深度学习方法,对数据进行训练,然后是建模,我们提供在运动状态下的解决方案。

MEMS传感器将迎来发展浪潮,中国MEMS发展任重道远,中国应以巨大的市场应用为牵引,不断弥合人才缺口,研判和把握未来趋势,锚定自主创新之路,实现规模化崛起和赶超。在万物互联时代,牢牢把握并努力赢得MEMS传感器新一轮的商机。

高性能MEMS惯性传感器应用与研究进展

华东光电集成器件研究所科技带头人、MEMS传感器与维系统团队负责人鞠莉娜

惯性传感器的定义是对物理运动做出反应的器件,如线性位移或者角度旋转,并将这两种反应转换成电信号,目前涉及到通信、医疗、工业、国防、消费电子、汽车电子、航天航空等各个专业,它的增长动力,一方面来源于全球主要市场对汽车安全以及智能化需求的增加;第二个方面是受到工业4.0包括智慧家庭的影响,也就是工业类和家居类的自动化产品对MEMS的器件需求是巨大的;第三方面是目前可穿戴的无人机、机器人需求日益普及。

从产业链来说,MEMS惯性传感器在汽车制造领域取得了极大的提供,在消费市场应用也占有了极大的市场。目前在整个传感器应用里,消费存在两个极端的需求,一方面是以军共、航空航天等高端应用为主,另外一方面是以通常所熟知的消费电子、汽车领域的应用为主,消费的两极,应用需求是截然不同的。

从高端应用来说,整个高端应用主要是通过大量的资金投入来推动整个技术不断地向前进步与发展,在低端或者我们通常所说的消费领域,则是通过利润的吸引,使得这个技术不断走向产业化。以MEMS陀螺为例,从结构形态来看,就是典型的有线振动、角振动、蝶翼式、振动环。国际大公司,像HoneywellLittonThalesUTC等等,这些公司有成熟化的应用体系,主要以满足高端的应用需求为主。

从国外MEMS产业技术来看,每种结构都有各自的优点,也有它的应用领域。MEMS陀螺有力学和电学。从驱动形式来看,目前以电驱动为主,日本的SIM以压电形成微结构。从材料上来看,发展很迅速,从早期的多晶硅,到现在逐步被单晶硅取代。从加工工艺来说,目前整个全硅工艺快速发展,MEMS的晶圆尺寸以6-8英寸为主。从产业链结构来看,大公司和高水平的高校、研究机构是深度合作,这样推动整个技术的快速迭代和发展。

按照对MEMS传感器导航性能的等级划分,目前整个高性能的MEMS传感器基本上覆盖现在战术级的应用需求。这是国际上目前整个MEMS惯性传感器所构建的惯性组建,它在成本上、体积上有着不可比拟的优势,相对于我们传统的机械或者是惯性,再加上全球定位系统的快速发展,极大地改善了惯性自导和导航精度。世界各国,尤其是各大军事强国增大了对MEMS惯性器件的研发力度。从装备应用方面,在国外已经应用于精确的打击弹药、多功能弹药以及分布式的侦查网络等多功能的作战平台体系。我们能够通过网络资料查到的典型高性能MEMS产品,用在自导炮弹、自导炸弹,还有小型战术弹上的应用。

总的说来,采用MEMS惯性器件,整个战术武器,一方面专注于微型化、低功耗,也适用于制导精度要求,有很强的环境适应性,低成本也是不可回避的话题。从应用类型上看,旋转弹,关注于需要大量程MEMS陀螺;从稳像技术来说,它作为精确制导武器的主要技术力量成为未来精确制导的一个重要发展方向。通过相关资料,美国的海陆空三军对新的作战概念和作战需求提出来了,对于制导弹药和利用制导弹药信息提升作战能力是美军的发展重点。在这里面,一方面特别关注于中小口径的制导弹药发展,主要从单兵应用角度,特别关注于制导枪弹、智能榴弹应用;第二方面是反坦克弹药,主要关注微型自导弹药;第三是无人机载的围型弹药实现察打一体能力,最后是关注于舰艇用的中小口径但要,也是发展很活跃。

我们能够找到的雷声公司新研制的40毫米口径精确制导弹药,主要采用数字式的激光半主动导引头,用到UTC公司的一款迷你mu,体积只有16.5立方厘米,能实现小口径对导引头弹上姿态的精确控制。

最近美国达信展出了他可装备无人机的新型制导弹药,MEMS惯性器件也是大显身手,采用了GPS/ING+激光半主动复合制导。前面说了小口径,大家经常会说到高速高能制导弹药,也就是通常所说的电磁轨道炮和超高速弹药,超高速弹药是采用了节却的电子制导系统,要求常规弹药发射高射弹药,需要承受3-6G强烈冲击。

总的说来,美军探索研究前瞻性的技术,也推动了新概念、新技术在弹药中的,因此美国DAPPA启动不依赖GPS的导航技术研发项目。比较著名的是SOT,他的办公室启动了自适应导航系统项目。第二个项目是微系统技术办公室,也就是MTO,发展的是我们通常熟知的MEMS PAT,用芯片级的技术取代传统的PAT,实现系统集成,建立整个系统的尺寸、质量、功耗,提升精度、带宽和速率。最后一个项目是发展一套完成的PAT能力。2015DAPPA发布了一个项目,就是PPIGM项目,一个目标就是研制新型的MEMS传感器,这个传感器要具备几项特点,一方面是要有高动态、低噪声,还有高精度,同时对环境适应性的要求提出了高冲击、高振动。在DAPPA项目里面,意味着新型的MEMS传感器是他的研究目标,全对称的MEMS谐振陀螺是DAPPA PRIGM——MIMS项目重点支持三种建设方向之一,代表着MEMS惯性器件的发展方向。

几个关键要素,一是大量程,二是刻度因子高稳定性,三是高动态范围,四是灵敏度高,最后这种类型的陀螺环境灵敏度不是那么的敏感。从1995年到2018年全对称陀螺的研制进展,结构形式上,前期有半球的、环形的、碟形结构,目前碟形陀螺是被研究的最多的,这种碟形陀螺具有良好的对称性,信噪比高,是最接近于导航级的MEMS陀螺方案之一。相对于全对称的MEMS全角陀螺,有一些重点的关键技术,比如特别关注于在晶圆级高真空封装工艺,关于低热弹阻尼材料,关注于模态匹配控制,然后是全角模式技术研究,比如虚拟旋转技术、调幅/调频全角模式,还有环境稳健设计,对温度和应力的一体化要求比较高。

Snesors in Motion发布的世界上首款MEMS惯性导航系统,新一代导航原理就是采用多环圆盘式结构,这项研究从2003年研究到2019年,差不多二十年时间。这是PRIGM的第二个主要关注领域,是用于未来枪械高带宽、高动态范围、无GPS导航下的先进惯性微传感器技术研究,主要希望探索取代MEMS惯性传感器的替代技术和模式,包括光子和MEMS光子集成,以及新颖的架构和材料系统。发展新动向表明,在未来战争MEMS中将扮演重要的角色。

非制冷红外焦平面技术与产品

浙江大立科技股份有限公司前沿技术室主任钱良山

我的报告分为两点,第一跟大家汇报一下非制冷红外焦平面技术概括,二是我们公司的研制介绍。非制冷红外焦平面探测器利用热效应来探测目标物体的红外辐射并输出电信号的传感器。主要工作在8-14um的长波红外,通常也称为热红外的波段,目前基本特指微测辐射热计原理的探测器。非制冷红外焦平面工作原理,由两个象素点组成,检测到目标物体的红外辐射,然后把这种红外辐射转换为本身的电路变化,由下面的读出电路把电路变化读出,显示为图像输出。

主要技术环节有以下五个方面,首先利用标准的CMOS工艺加工制造出探测器的读出电路,再利用MEMS工艺在读出工艺上加工处MEMS微桥结构,然后利用真空封装技术封装成探测器产品,后面是要用一些测试系统来测探测器的热性能和操作率指标,最后是环境测试,生产出合格的产品。

非制冷红外焦平面最早起源于美国,主要用于军事。美国在红外探测器产品上对中国是禁运的,中国在2006年左右有一些单位开始红外探测器的研制,目前有四五家做氧化钒的产品,我们也是在2006年左右开始研制,2009年实现了的量产,我们公司是2008年上市。红外探测器有两个技术路线,一个是非晶硅路线,一个是氧化钒路线。由于美国对中国在非制冷红外焦平面方面有些禁运,导致国内技术发展相对比较好。

全球非制冷红外焦平面产量情况,目前北美市场还是最大的市场,主要是军事的应用,能占到市场份额75%以上,欧洲是ULIS公司,亚洲是中国,大概有15%的份额。

美国由于红外历史比较长,因为有三四十年的发展历史,经过了多次的并购和重组,格局是比较稳定的,目前FLIR在民品市场全球一家独立、军品以配套为主。中国是目前最活跃的市场,做探测器的企业国内现在有四五家,市场企业也有三四家,做整机的更多,可能有七、八家,还有众多的小企业做模组、方案、热像仪、集成商、代理商,可能有几十家,甚至几百家。

我们公司从1993年开始研制红外探测领域,目前有25年的经验积累,早期主要购买法国的一些探测器,组装成整机系统,从2006年开始核心器件探测器研制,2009年实现量产,目前已经实现了全系列产品量产,并用在公司的整机和模组上。

大立科技公司的产品分以下三块,一个是小列阵产品,中间是中等阵列,也是目前产量和产值最大的一块,还有一块是大列阵,主要是1024×768,是百万像素及百万像素以上的产品。我们公司是国内一家以非晶硅为探测器的企业,我们发挥a-Si技术路线优势,在大、中、小面阵三个方向提供特色产品,中面阵产品上,无需片上非均匀性校正步骤,模组生产过程简单,热敏特性稳定,可大批量实现无挡片车像工作模式,测温模型简单,非常适合工艺产品生产,还有大面阵、小面阵。大立公司的中等阵列探测器在2009年实现了量产,目前已有十年的经验积累,探测器的长期可靠性得到了充分的验证,在测温热像仪里面也是额国内最大的。中等阵列探测器的应用方向第一类是工业检测,比如手持的热像仪、在线监控;第二类是夜视增强;第三类是红外系统,包括电力巡检机器人;第四类是军事国防,包括夜视增强、望远镜这块。

大面阵非制冷红外焦平面探测器阵指规模达到1024×768以上,也就是百万像素或百万像素以上,目前我们公司100万像素和200万像素产品已经成熟,这两个产品也是公司承担的十二五十三五立项项目,在研是3072×2048,也就是600万像素的红外探测器。

红外探测器成像是814微米,尺寸相对比较大,在读出电路上我们降低了噪声,同时增加了均匀性。在微校上采用了单层微校和双层微校工艺。同时我们对探测器的热敏材料进行了优化,主要是提高热敏薄弱TCR和降低热敏薄膜噪声。我们公司200万探测器无挡片成像效果,图像经过一定的软件算法就可以知道每一个点的温度,无论是白天,还是黑夜,拍摄到的这个图片其实都是差不多的。这也是200万像素的成像效果。

最后介绍一下红外阵列传感器,也就是小面制的红外探测器,小面制红外探测器应用场合比较特殊,对热灵敏度要求不是特别高,反而对芯片的尺寸和它的价格比较敏感,所以我们公司的小阵列探测器主要是80×80320×240、陶瓷或晶圆级封装,降低探测器的价格。主要的技术路径,在尺寸和重量上进行了优化,也采用了低功耗电路设计,在NETD和均匀上进行了可靠化的设计,提高产品良率,采用了全新的牺牲层工艺和CMOS产线代工,降低探测器产品的价格。小阵列探测器的主要产品有不同像元尺寸,有20um17um,不同的规格,还有不同的输出方式。小阵列探测器因为价格有一定的优势,现在的应用范围越来越广,主要像手持式的测温、周界安防,周界安放前几年应用有限,这几年加上非热敏的探测器进行监控。还有人流量监控和设备在线监控,比如变电站里面可以在线实时监控,看是不是有些局部的温度过高,还有户外的爱好者,有望远镜,晚上可以看到动物在哪里。还有智能交通,现在的无人驾驶,最主要的可能是激光雷达,但激光雷达本身有缺点,比如在雾天、雨天或者下雪的天气会受到影响,但是红外探测器没有影响,它可以作为无人驾驶必要的补充,在测具和成像不如激光雷达,但是有些情况下少不了红外探测器。还有智能交通,早期探测器在汽车方面的应用作为辅助的安全驾驶,早期像宝马的7X还有奔驰的S级,因为价格比较高,你加个一两万块钱,他对价位不是很敏感;国内的国产车也想使用,国产车目前最贵的就是发动机,我们加一套这种红外系统,他根本就接受不了,所以就说随着红外探测器价格的下降,汽车领域可能是一个很好的方向。

最后总结一下,首先我们通过ROIC与微桥设计、拼接工艺、热敏薄膜优化,研制大面阵非制冷红外焦平面,目前的热灵敏度达到了45mK,实现了无挡片模组成像,并且在各种温度环境下可以稳定工作。第二是我们开发了新的牺牲层工艺,实现CMOS生产线代工,大幅提高芯片及封装合格率,实现低成本红外阵列传感器大规模应用。同时我们也会坚持大立非晶硅技术发展方向,我们开发大阵列、中阵列、小阵列的应用,同时在耐高温等新技术也会有新的应用。

基于MEMS及纳米阵列气体传感器的人工嗅觉系统

苏州慧闻纳米科技有限公司董事长兼首席科学家孙旭辉

我们叫慧闻,也就是有智慧的去闻,智慧传感器最高级别就是做人工嗅觉或者叫电子鼻,我们希望在人工嗅觉方面能够做一些工作,真正实现人工嗅觉应用。

我们知道人的四大感官是视听触嗅,四个方面,其实视听触三个已经有非常好的发展,而且有非常多的应有了,但是在嗅觉这块实际上一直没有很好的应用,这边有一个1919年贝尔电话公司发明人贝尔说的一段话,就说你测量过气味吗,你能分辨出一个气味刚好是另外一种气味的两倍强吗?你能测量两种气味的不同之处吗?这是非常明显的,我们具有非常不同的气味。

科技发展到现在了,我们还是没有办法定量气味标准,实际缺乏一把去测量气味的标准。最重要的就是硬件,你拿什么去测量?我们每一个人的鼻子是不一样的,每一个人闻出来的味道可能会不太一样,所以出来一个公共的标准,如何让我们的机器具备嗅觉,我们现在提出一个解决方案,基于MEMS/纳米传感器阵列芯片+人工智能算法平台让机器具备嗅觉,它是什么原理呢?下面我跟大家简单介绍一下。

做一个气体传感器,找不到一个有绝对选择性的传感器,我们经常看到我们市面上做甲醛传感器,可能它对甲醛的选择性比较好,还有一个指标是干扰器,很多其它的气体也会让它有响应,只不过响应低一点,在测量范围内响应小一点。另外一个传感器是氨气,它的选择性对氨气好一点,但是还是找不到绝对性的传感器。这是一个缺点,把这些传感器放在一起的时候,这个缺点往往就变成了优点,也就是我们把这些传感器全部摆在一个阵列里,如果一个气体进入以后,每个传感器都有一个响应,那就不是一个传感器在工作,这些响应在一起就组成针对气体或者气味的特征响应图谱,这个图谱通过后面的算法,提取特征,我们就可以得到气体的气味或者气体的种类、浓度、强度。这是我们的基于阵列的简单的原理或者模型。

我们去对比一下所谓的鼻子,就是我们的仿生学原理,为什么鼻子有嗅觉功能,主要是我们首先有一个嗅觉细胞,我们有不同的嗅觉细胞,细胞多少取决于嗅觉的灵敏度,狗的鼻子比人的要多大概1万倍,就是这个嗅觉细胞,它比我们人的鼻子就更灵敏一些,对这些嗅觉细胞我们要做一个传感器的阵列,阵列越多,越灵敏。嗅觉细胞上为什么有对气体或者气味敏感,主要是上面有嗅觉受体,就是我们的气敏材料,我们放在不同的传感器上进行响应。我们的嗅觉,所有的感官都是后天响应或者是后天意识,就是你要先闻过这个气味你才能够识别,比如我们小时候,你的老师或者你的父母,在你第一次闻到苹果的时候告诉你这是苹果味道,如果第一次告诉你这是香蕉的话,那你后面可能还有纠错的过程。

传感器要在不同浓度的气体以及各种气味进行嗅觉形成。举一个例子,比如玫瑰花香是五种不同的芳香气体组成的,它会在四个传感器上形成这么一个图案,如果我把它记下来,碰到不一样的,比如桂花香,我就不会识别,就不认识,遇到类似的图案,响应图案的时候就定义成玫瑰花香,这是简单的仿生学,通过阵列形成嗅觉的方法或者原理。

什么样的方法或者硬件可以做嗅觉或者阵列,这里面列举了常见的嗅觉传感器,人工嗅觉一定要传感器是小体积的,阵列越多,体积越大,如果功耗高的话,排列的越多,总功耗会成倍的增加,而且它是广谱,有特异性,如果传感器对所有气体都响应,它的贡献也是为零的,一定是广谱而又有特意性的。

我们看一下常见的传感器,常见的红外光学传感器,优点是高灵敏度、高精度,缺点是结构复杂、体积大,成本高。催化燃烧可以检测可然气体,但是工作温度高、功耗大。电化是高灵敏度、选择性好,结构简单,但是环境干扰大,寿命较短。最常见的一种半导体传感器,灵敏度高、广谱、寿命长、成本低、结构简单,它的缺点就是选择性差、工作温度高、功耗大、精确度较差。

现在我们的解决方案是把传统传感器通过MEMS,通过纳米技术,通过MEMS技术把它做小,做到低功耗,实现低功耗的工作,从体积和功耗上都是大大缩小,可以形成阵列。在硬件方面,我们通过MEMS/纳米气体传感器,可以实现硬件方面对人工嗅觉的要求。软件方面相对成熟,其实软件这块不是人工嗅觉发展的主要因素,我们常见的模式识别和分类技术,统计技术有主成分分析法,层次聚类分析,主成分回归。判别因子分析、组间方差分析,偏最小二乘法,软独立建模类比较和聚类算法等。人工智能技术,有人工神经网络、多层感知器等。软件、软件还有集成,系统集成我们可以看到。

气体传感器用于人工嗅觉来说,相对于物理类的温度或者压力的难度会更高一点,它主要涉及到化学和材料,涉及到气体和材料跟传统物理的加工,你可以在代工厂全部实现加工,在封测厂可以实现封装和测量,但是气体传感器很难做到这两步,所以做气体传感器一定要自己的生产加工线,后面还有测量、序列对传感器的标定,后面还有传感模块、通讯、软件、算法,所以做人工嗅觉来说,如果要实现公司学科种类、人才的聚集,还是具有一定的挑战性。所以人工嗅觉是目前很难找到真正可以应用的产品,在这方面也是一种挑战。

我们目前通过MEMS,可以在传感器上实现半导体制备工艺,可以做到小于10mW,通过脉冲可以降低到1mW功耗,实现针对单一气体传感器的开发,比如甲醛、一氧化碳、甲烷这些气体,而且我们把这些气体做成阵列之后,通过数据采集,可以实现自动识别气体和气味,再加上蓝牙、NB这种低功耗的数据传输系统,我们可以建立低功耗的气体检测网络。这是我们现在已经做的工作。

对于人工嗅觉的市场来说,我们看到的是传统的气体传感器应用市场,主要在工业、安全、环境检测、公共安全。气体传感器跟其它传感器一样,在低功耗、小型化和智能化发展结果下,它可以用到增量市场,比如智能家居、家电、品质检测和医疗方面,通过气体跟踪健康或者做早期的疾病诊断,这方面的研究在国外已经有非常多了。

对于我们公司来说,我们是针对常见的工业安全,针对互联网应用的,做成可穿戴的,在工业安全,比如说智能化工业园区,还有仓储,化工品的仓储运输过程,包括食品加工的过程,做一些物联网的应用。对于消费类的主要是和一些家电厂商合作,比如说在安全领域,在厨房做燃气灶、可燃气体、一氧化碳气体监控,还有冰箱里面对食物保鲜的应用,还有健康领域的一些应用、慢性病的管理、疾病诊断,这些是未来发展的趋势。后面举几个简单的例子,一个是从易到难,先用几个传感器来做一些常见的应用场景,比如说厨房里面的燃气泄露,目前产品针对燃气泄露,有一氧化碳,很多家庭为什么不愿意装,就是它会误报。比如中国人炒菜加调料会让它误报。我们加上阵列,提高它的水平和抗干扰能力,我们的传感器不止一颗,我们的封装里面是1×1毫米的封装,不止一个传感器,可以做各种抗干扰。所以在这个模块,不仅仅可以报警,还可以跟常见的热水器、燃气灶联动,有泄露的话,立刻可以把燃气灶关掉。常见的误报现象,在这种情景下就很难了,只有非常好的选择性的时候,它才有后续的动作,这是我们目前在做的模块。

另外一个例子是在食品加工过程,这是一个炒茶的,10月初我们跟福建做铁观音茶厂合作,我们知道以前的炒茶全是靠老师傅去闻的,茶叶的好坏和质量,在摇清的过程中香味被摇走了。现在随着年轻人对炒茶工艺越来越感兴趣,而且茶的制作周期非常短,也就一个月时间,如果这个月老师傅生病了或者感冒了,他的鼻子不灵了,整个茶厂这一年的收成就会受到很大的影响,急迫需要标准或者一个传感器来帮他,需要一个人工嗅觉帮他解决这个问题。我们就把这个放到边上,找到一个特征,我们把特征记下来,后面让机器代替师傅炒茶,也非常成功地炒出质量非常好的茶叶。另外一个应用就是冰箱里面的果蔬,腐败的预警系统,常见的疏果放在冰箱里面,什么时候可以吃,它的储存时间我们是不太清楚的,等我们打开冰箱,发现有很多忘了或者已经蔫了、腐败了。这个时候,冰箱里需要这么一个果蔬新鲜度的判断系统。我们通过电子鼻可以分出不同的果蔬种类,它的腐败和新鲜的图谱是不一样的,特征不一样,我们通过训练以后,就可以做冰箱的应用。目前果蔬种类非常多,在这个应用场景下还很难去区别所有的果蔬腐败新鲜,那目前至少可以做到异味,就是你有一点点异味的时候,人的鼻子还没有闻到的时候,它就提醒冰箱可以开你的紫外线或者负离子杀菌也好,把这些异味消除。

另外是小体积,低功耗,用于手机里面的应用,把我们的传感器系统通过手机方案商做到手机里面,这里真正可以实现手机的应用。这里有一个视频,里面有一个APP,打开APP,就可以监测温湿度、气体情况,这些气体是可以选择的,感兴趣的可以装,整个传感器装在后面。现在有一个是研究酒,先让它在数据库里面把二锅头闻一下,你从后面拿一个二锅头出来,它可以闻到酒精度是多少,这是自动告诉你,而不是说你要点击我要测什么。这是我们做的智能气体传感器联网系统,通过NB-IoTLoRa的物联网气体检测系统,检测管道里的气体环境泄露,通过监控平台可以看到整个地下管廊的气体环境情况。

最后介绍一下,我们公司主要做三个方面,一个是智能家居、移动穿戴,还有医疗检测。我们希望在医疗健康中,通过我们的人工训练系统能够监控我们的健康和实现一些疾病的早期诊断。我们公司口号是智慧感知,健康生活。我经常说一句话,我们就做一件事,就是做呼吸,我们保证呼吸的气体是健康的,根据我们呼出的气体跟踪我们的健康状况,如果有疾病的话,进行早期的预防和诊断。

压力传感器与久好电子的调理芯片

北京久好电子董事长刘卫东

传感器无非就是用在汽车、可穿戴、千亿物联网、手机,给我们提供了广阔的应用平台,我接触的是压力传感器,包括汽车所使用的一部分的压力传感器,像进气歧管、机油压力、变速箱压力等等。我们国内压力传感器企业在做的产品虽然规模比较小,但是他们在跟全世界最大的垄断公司做竞争。20132014年调查压力传感器市场时,蚌埠做汽车压力传感器的公司不多,但是做工业应用的压力传感器厂家,从百度上一搜,可能全国所有城市里,蚌埠是压力传感器数量最多的一个城市,但是我们这五年下来,哪一个城市芯片的发货量大,是无锡,无锡跑前面去了,可能是温总理建设无锡物联网城市推动了他的发展。

我们60后出生的,大家都记得家家户户有一个打气筒,现在完全用压力传感器做成智能控制的打气泵,插到汽车上,加点烟器就可以为汽车打气,将来的鞋垫甚至床都可能加上压力传感器,来感知这么一个情况。充油压力芯体是国内做压力传感器比较多的一个结构。还有一类叫陶瓷电容压力传感器,陶瓷电容压力传感器它有抗腐蚀、稳定性好的特点,在空调、机油、抗腐蚀这些环节有独到的应用。说起陶瓷压力传感器,世界老大是森萨塔,占据全球70%的份额,一年有3亿支的生产。

压力传感器的种类分三类,不含谐振式,大部分是电容式和电阻式的,国内做电阻式的厂家和品种非常多,做电容式的相对数量小一点。但是陶瓷压力传感器每年的出货量,电容陶瓷压力压力传感器厂商少,但是出货量非常大。电阻式陶瓷压力传感器厂商非常多,我们接触的有几十家,但是出货量远远不如陶瓷电容。

国际高度垄断、规模巨大,有很多中外合资厂,都是一些老品牌大品牌,产业链完整。国内厂家数量多(蚂蚁雄兵),规模小,民营厂多,品牌效应在逐步形成,希望我们国内的传感器厂家在以后能够取得更大的成就。

国内比较典型的压力传感器知名品牌一个是博世,分工业汽车用和消费类用的两大类,每年几十亿只传感器,在上海生产进气歧管就有4000万只。国内国际压力传感器的厂商,里面有两个非常非常关键的芯片,一个是Sensor,一个是ASIC,德国的博世全都是自己的品牌,自己去做。TE也有一部分自己做,一部分外购。森萨塔,Sensor大部分自己做,SASC有外购。国内的情况,Sensor外购,ASIC也外购。传感器的全球市场巨大,调理芯片每年新增量巨大,几十年前就非常大,现在每年新增量也还是非常大。

久好电子这五六年来在做芯片:公司成立以来做的第一款芯片面向工业和汽车,是把Sensor模拟出来的信号进行放大滤波,做处理,做补偿算法、DSP输出,这个芯片是一个低成本的创新。当我们这个芯片出来以后,国外的大厂在研究我们的芯片。总的来说,我们的成本都是他们成本的一半以下。我们这个芯片累计几年下来全国出货量1千万只;韩国也有两个客户,我们的产品还买向美国,德国博世也有一部分。我们做的第二款芯片是面向手机、无人机的GHM1203芯片。2015年的时候,手机iPone 6出来以后,把气压传感器加进去,我们也具备这个技术,然后就和国内一些厂家合作,他们重点去做MEMS,我们做调理芯片,当时做出来了,指标不低于博世的。它除了在手机上应用,另外还有仪器、仪表各方面的应用。

做了两款电阻式的压力传感器,一个做工业,一个做汽车,第三款选了电容式的。我们认为电容式的压力传感器也需要一款电容式的调理芯片,所以我们就把电容式的调理芯片做出来,没想到的是跟我们合作过的好几家到现在还没想出来。后来我们这一款芯片给国内做高精度的加速颗粒的电容测试,反馈效果还不错。从去年开始,突然我们发现国内有做电容格的湿度传感器,我们经过标定和补偿以后,做出温湿度传感器,现在我们的客户总出货量超过1千万个。还有第四款,我们天天盯着陶瓷电容传感器市场,国内一直没有陶瓷生产电容压力厂家的话,我们也一直不敢做,毕竟投资一个芯片下来估计得花一千万左右。后来安徽一个企业家给给你介绍一个合作伙伴,他们专门做陶瓷电容压力传感器,我们把这个芯片就做成了,配合去干。这是我们久好电子的第四款调理芯片,用于汽车产品的JHM2102,功能特性可适应不同容值的陶瓷电容传感器,最大特点是使得生产简化而达到低成本制造。

久好电子到现在五年多,有些新的体会给大家分享,做芯片不是一个非常容易的事,我们希望跟上下游的客户抱团取暖,国家领导人现在也重视了,提出传感器一条龙。看了半天,我说没有一条调理芯片,我们送了一本资料过去,领导一看,这个调理芯片SC应该也是很关键的一款,我这几年来看到国内产业形势的变化也感到非常高兴。现在传感器一条龙能把调理芯片也纳入进来。另外我们在质量、可靠性、稳定性方面要做世界第一,武汉有一个客户,他一年有四十几万支,以前是使用德国芯片,他做了对比,我们的稳定性、可靠性远远超过他们,他也很开心,我们也很开心。另外我们要在满足国内生产情况下生产的便利性,然后要降低成本,但是绝不降低性能。2013-2014年,我去跑温州市场的时候,温州市场做汽车的说低端市场,搞个放大器,搞个电阻电容,我们不要芯片,但是现在温州的那些传感器厂商都生产出来传感器供应全世界的汽车厂家,他们追求的性能、稳定性、可靠性一点也不比其他地方的差。还有我们要不断的与整机企业或传感器企业沟通,共同的找出创新点,共同找出进步点,因为每年或每季度进步一点点,我们才可能慢慢地去追上别人。最后一点,我们做芯片的,慢慢地要练成武林高手,选对方向,我们就做芯片设计,培养一个正向的芯片设计团队。我们要不断前进,最后才有可能变成武林大师。

我们做开发压力传感器调理芯片所需要的关键技术:一是高性能、低功耗数模混合集成电路设计技术,包括极低噪声的放大器、各种不同的高精度、高速、低功耗ADCDAC电路IP、低功耗的信号处理技术;二是对传感器非线性、满量程误差及温漂、灵敏度误差及温漂进行补偿的先进校准算法;三是低功耗的MCU技术及嵌入式软件技术;四是针对传感器、芯片、算法于一体的软硬件协同设计经验。

我们久好的目标是,我们一帮清华的同事们要在一起干一点不是很容易的事,我们琢磨来琢磨去,说干传感器,传感器太复杂了,我们进了一个高门槛。这条路高投入,回报周期长。好在我们这几年抓住了物联网传感器的高增长期,所以我们踏踏实实的把我们的每一款芯片做好,我们慢一点没关系,因为我们当时成立公司的时候说,我们做不了又快又好,但是我们争取让我们的芯片,让我们的客户用我们的芯片越久越好,所以我们起名子久好电子。现在比较欣慰的是早年用我们芯片的客户,现在一年有100万支压力传感器的出货量,还有50万支的,深圳、江苏加起来有好几家。同时现在也在积极寻求与国内的整机企业进行芯片联合开发,随着近几年传感器蓬勃发展,我们也说这是一个大好的时机。

磁传感器芯片的设计与应用

东方微电科技武汉有限公司总经理吴建得

我们公司是做磁传感器,公司位于武汉,在光谷,今天跟大家简单分享一下磁传感器有关的产品设计,还有我们的一些应用。

我们公司是一家新公司,去年成立,但是我们做磁传感器差不多有十来年的经历,这是我们团队做传感器的历程。我们在2009年,在710所做传感器,当时有一条MEMS生产线,是重资产模式,现在采用的模式是轻资产模式,另外两位合伙人主要是西安电子科技大学的,他们也是有十几年的做传感器芯片设计经验。此外,还有做软件开发和算法的核心骨干,我们的项目得到了都院士、王院士的大体支持,过去十年间也是长期跟踪我们项目的发展。

简单介绍一下磁传感器的应用市场,磁场无处不在,地球是有磁场的,所以我们简称地球的磁场可以做成磁罗盘,最典型的应用,每个人的手机上有一个指南指北的小器件,这个器件就是感应磁场的一种传感器。另外在汽车上,方向盘转角,方向盘转角下面镶嵌着一块磁铁,方向盘转动的时候磁场是在发生变化的,检测磁场的变化就可以推断出来方向盘转角的角度。另外在无人机和机器人上,磁传感器也是应用的比较多。工业上主要用在工业气缸,用来测量活塞形成。此外在家用的水汽表里面,其中有超声波水表,还有磁感应水表,水表里面也是镶嵌着有一块磁铁,磁铁在转,当水流动的时候,这个磁场是在发生变化的,目前国内的水汽表里面大部分用的感应器件是日本的。此外还有电流,因为有导线,有产生电流的地方就会产生对应的磁场。最后一项是一个榴弹炮,这是在军工上的应用,用做引线和姿态修整场景。

磁传感器主要是被美国、日本、欧洲、德国这些国家垄断,中国现在有四到五家公司在做,也都是创业公司,包括杭州容磁等,都是做磁场感应器件,目前整个中国企业在全球份额里现在连1%还不到。

我们公司做的一款感应弱磁场器件,除了搭载磁场传感器,还有信号调理芯片。这个信号调理信号是团队自主设计的,我们团队有两个股东本身是做信号调理芯片,和磁传感器配套的。

除了做芯片这些基础性的东西,我们也开发模块级的产品,这种产品虽然做的公司稍微多一点,但站在我们做公司的角度,能够快速地生产产品,快速地导入客户,所以我们做了一些模组产品。这个姿态传感器模块可测一个物体的倾斜、俯仰,用在水下装备、桥梁检测还有一些路灯灯杆检测场景。

这是数据采集产品,跟传感没有太多关系,不过也是我们公司的收入来源之一。

我们做的应用产品有医院用的核磁,一个铁磁物质的报警系统,跟我们在机场的安检系统不太一样,那个系统可以检测铜铝,我们是只检测铁磁物质,因为做核磁共振的时候,只有铁的物质才会对核磁的设备造成一定的干扰。这个系统里面我们用的传感器探头是自主研发的,里面核心的算法也是我们自主研发的。它的关键两个技术,一个就是磁传感器探头,另外一个技术就是整个报警有一些逻辑,就是一些算法逻辑。我们的核心团队设计包括,包括器件制备、调理芯片技术、模块算法。

我们公司过去这些年积累的一些客户现在还和我们有合作,包括兵器所,有西安的兄弟单位,他们跟我们都是合作的关系。我们后面的发展展望,现在前期获得了光谷的一些投资,后面我们期望通过销售产品,然后把公司进一步做强做大。

MEMS针尖技术在纳米指导和测量中的应用

百及纳米科技(上海)有限公司周向前博士

我希望也给大家增添一些新的应用场景,MEMS技术本身非常广泛,但是大家都看到,现在所有的技术背景实际上是基于微米技术,基本上没有进入到纳米技术,现在我们的芯片工业谈的是7纳米技术,7纳米以下技术,5纳米技术。反过来说,到了几个纳米技术,它会给我们带来什么样的场景,或者说现在尖端的制造工业需要什么样的一些技术装备,我们这里通过针尖技术来实现几个纳米精度的一些测量和制造应用。

我们团队其实是一个综合性的团队,这个团队有德国的朗格诺教授,有我,还有杜川博士和豪尔兹博士,由于大家对中国的情怀,还有德国伙伴对中国的情怀,所以大家都觉得要落户在中国,我们现在第一步选择在上海。

为什么这么一个中德合作的团队落户在中国是有意义呢,我还是要引用朗格诺教授的一段话,他说世界的和谐是要有一个平衡的,过去是美国和苏联的平衡,所以大家得以安宁,目前情况下,美国的单体力量非常强大,世界就失去了平衡,所以他非常愿意帮助中国来建立一个中美平衡的新的世界。我觉得在这个政治理念下,我们有非常大的共性,也就是说我们在做技术研发角度和销售的角度来说,我们面对的也是中德合作基础上的这么一种合作,也是面对的是国际市场,因为我们目前所有的技术,大部分情况可能还是国际市场。

中德合作有一个特点,大家一谈到工业4.0,这是德国人先提出的概念,我要讲一讲,现在德国有两个幽灵在徘徊,工业4.0大家都知道,另外一个就是量子科技革命,量子科技革命一上来,就谈到的是量子宣言,如果大家说起宣言,就想起共产党宣言,如果你要看比例,在工业4.0,当时德国联邦政府投入1亿欧元的进行研发性的导入,而量子科技革命一投入就10个亿欧元,也就说这两个比较重要的战略格局,中国是有所对应的,一个是中国制造2025,导致中美贸易战中提到了这个问题。还有量子科技革命的问题。但是所有这些东西都是需要硬件来实现的,硬件是什么,实际上这个硬件都是纳米技术,甚至是几个纳米的技术。

集成电路大家都知道,目前基本上是别人卡我们脖子,我们没法去卡别人脖子,为什么呢,大量的关键技术、核心技术都在国外,中国要去起步追赶,我觉得很重要的一个是要有原创性,要有自己的知识产权,这一点来讲,像今天早上院士们提的,要强调技术研究。

我觉得从尖端技术这一块来说,我们要涉及到的芯片制造、量子计算、传感技术,这些都是在微纳技术方面有很大的前景,包括今天上午杜江峰院士提出的他的技术,他的技术的下一步要用到我们的技术。

我们现在的切入点在哪里?我是用一个主动针尖的做法,这个做法就是用MEMS的做法,用MEMS做出针尖,当然这个针尖有很多种,具体的制造过程我这里不详细介绍了,它的性能我觉得是可以介绍的,这个性能在于我们的针尖由原来的比较宽的几个微米、几十个微米,一针一针缩,缩到了几个微米的数量级,中间的头已经到了几个纳米,它的特点是振频高,这就带来了很多的应用,比如测量和制造。

我这里举几个例子,核心的应用简单的说第一个是做测量,就是做表征。第二个是怎么样进行材料、器件的表面分析,这个分析不仅仅是一个形貌,三维的形貌,更重要的是其它的物理信息和化学信息可以提取。紧接着可以提取的是可以用针尖做制造。

我主要把重点放在应用场景的介绍,所有这些应用场景的介绍,我们都有相应的产品,其实就像我跟214所领导说的,包括做建模和MEMS的时候都需要很高精度的测量。

应用场景一:微纳米高速测量解决方案。我们的特点在什么地方呢,我觉得现在已经不是做基础研究的时候了,现在是做实验室流程性的测量和工业化测量,工业化的测量遇到什么问题,实验室里面非常简便的测量遇到什么问题。遇到的问题是,我们如果还是用激光反射式的针尖做原子力显微镜的时候,你会发现这个东西不太好用,我们用主动针尖来做的话,我是根本不要调试的,直接就可以测。在展览会上,大家看这个系统怎么回事,拿来以后,这么小就可以用,我说我用了8英寸的晶圆在上面,按照指定的程序直接可以测,测完了以后,进针和换针非常快,一般300秒,我们30秒就能全部测完。

首先讲到这个里面的精度,精度可测到原子极,可以看到原子极的石墨表面原子分布图形。二是可以看到原子台阶,意味着当精度非常高的时候,我们可以测同类的产品。我们不仅可以涉及到同类产品的测法,我们的针尖特别长,普通原子力针尖由于其长度不够,无法对微米级深度和宽度的孔洞实行三维形貌测量,百及纳米科技的特种长针尖是为测量微米级深的沟槽提供解决方案,并提供底部导电性能,满足行业需求空白。

多针尖并行阵列技术,多针尖并行阵列技术是利用多个并行排列的、可单独操控的针尖同时进行工作,显著提高对微纳结构表征的范围和速度。跨尺度微纳米结构的高效可靠表征测量提供全新解决方案和核心装备。我们落地在上海,很重要的就是把多针尖并行阵列技术在中国做出来。

这里有一个四针尖技术,做四幅图,把这四幅图一拼,就是四倍速,这个做法不仅仅是针对现在的并行做法,用在芯片工业、显示屏工业,材料显示也可以做。

我给大家举一个例子,这是一个EUV的模板,高度60nm,成像面积为50um×130um,现在SMN在测量的时候所谓模板的测量,就是用我们原子力针尖测量,必须具备纳米级的工艺。这不是我们一家说的,包括我们的竞争对手,战略伙伴也在说,现在国际最大的仪器公司也受芯片公司委托,最后和我们合作,因为我们有多针尖技术。

应用场景二:单纳米针尖光刻技术。我们的系统可以做到12个纳米,具体的做法很简单,这就是一台最小的电束光刻机,我用这个针尖进行电子发射,在针尖的顶端,曲力是非常高的,很容易进行场发射,这就是最小的场发射电磁光刻机。我现在用的胶可以是球形的小分子胶,可以刻到几纳米的线和结构,但是如果做一个比较大的分子,也可以用电束光或PMA来做,拓宽了大家目前的工作范围。非常重要的是这里面有很多优点,包括无邻近效应,很小的,可以忽略不计的。

举个例子,我要做结构,做等离子晶圆结构,还是Fin FET,包括量子气垫的时候,也可以用针尖光刻来做,尺寸很大,不过我的速度比较慢,所以要把前面的并行做法结合到光刻技术里面来。

我们现在做出来的1.8nm的室温单电子晶体管,这也是最近的新闻,这个单电子晶体管特性也测出来了,从加工制造角度,我们和科学家们、企业家们进行合作,这些都是现成的产品。

应用场景三:离子注入的解决方案。离子注入在MEMS工艺上也是常规的工艺,问题是我们要做一个非常小的、具有量子效应的器件的时候,掺杂浓度的均匀性随着器件特征尺寸的见效而逐渐需要,目前已经接近到了必须定已几个离子注入的程度。要做成这样的样子,那就意味这我们离子注入的空间定位精度要到几个纳米,这个怎么定位。还有离子注入的束流原则上是不可控的,发射的时候是有偏移的,注入100万个离子的时候有千份之一的偏移,注入10个粒子就有3.3%的偏移,那就没法做了,这就需要我们单离子注入。

单离子就需要非常稀薄的离子,需要你的针尖,大家可以看到下面是针尖穿孔的,这么小的穿好孔以后,用针尖找到位置,我可以做到找到非常精确的定位,没有什么制作的方法比用我的针尖,用原子力找针尖的位置最好了,因为我要是做到原子级的。这个情况下,用单离子的时候可以非常准确地打到我想要的地方,而且可以加上离子闸门,一旦离子进去以后必然会发生二次电子,我们可以捕捉,加一个电子闸门,加一个横向电闸,可以把后面的离子全部捕捉。

这里就讲到了杜江峰正在做的工作,接下来要做什么,他们现在做的是离子太多,不可能做到精确的单分子操纵,怎么办,要用我们的系统去打。我们现在已经跟中国科技大学联系合作,包括物理所在做,现在好多所在做,包括杜江峰院士的所。我们要用单个原子,原子电子学的原理。做电子器件耦合,在量子范围内怎么样把自旋利用好,以致于做到非常大量的储存和运算的量,这里面很重要的是做两个离子,这两个离子的间距是50纳米,0.05微米,而且需要非常精确的控制在这个范围之内,使它们进行耦合。

怎么做到?这就是我们最近发明的专利,这个专利是什么呢,大家都知道,在固体表面,如果离子打下去以后会产生最大的散射,这个散射会导致一个离子不知道跑哪去了,所以我们必须要用我的针尖来寻找一个位置,这个位置是有通道效应的,以致于我打下去没有散射。这是多离子工作,这是我们计算机模拟出来的,模拟出来的你可以看到,一旦用了我们的技术,离子定位是非常精准的,这个专利本身是四个人发明的,一个是德国发明的,我算中国,还有一个美国教授,一个加拿大教授,最终经过大家说服工作,同意把这个专利放在中国,专利的拥有人是中国的公司,大家一起来合作。这个我觉得不仅有了政治上的意义,更重要的是打开了进入单离子合作的量子器件的很重要的手段,所以我觉得这个是离子作为应用场景。这个应用场景跟MEMS尺寸不太相配,但是总有一天,我觉得会把这种纳米级的器件特点、物理特点,和现有的MEMS一些特点进行结合,我觉得我们可以探讨这一类的事。

应用场景四:新型气体流量传感器。大家讲了温度、红外,还没有讲流量,流量也很简单,当一个针,放在流量通道的时候,这个流量器受到一定的压力,这个压力会感知到,某种意义上也是一个压力器。但是当我们用针尖来做的时候,跟一般压力区别在什么地方,它特别敏感,敏感到什么程度,能感受7个数量级的测量范围,而不要换任何东西,而且微型化了以后,非常小。测压力、质量、浓度,都是可以通过针尖得到的。

还有量程非常大,量程非常大有什么好处?量程大了以后,我在选择流量级的时候不要考虑,反正什么场景,傻瓜式的我都可以用,傻瓜式用这个流量级的时候,各种场景都可以用,那我就有非常大的量,有非常大的量,自然性价比是最好的。当然还有一些精度,包括线性度、响应时间也不差。

非常快的量程范围是应用场景中间特别重要的因素,这是一个优势,这么大的量程范围和这么高的性价比,就使得这种针尖的使用在这种场景上是有特点的。

我觉得用MEMS技术制作针尖,这里面有一些诀窍,最后的应用场景这么广泛,我认为也是可想而知的,因为实际上这种精度、灵敏度,就像用原子镜显微镜可以测到原子力,不是杀鸡用牛刀,而是正好可以把这个优势发挥出来。单纳米技术的内容如果跟现有其他技术结合,我相信还会有更多的应用场景。

 


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