第三屆中國MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)論壇實(shí)錄之一

由華東光電集成器件研究所、蚌埠市發(fā)改委、蚌埠經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會(huì)主辦，2019第三屆中國MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)在美麗珠城、大禹故里——蚌埠龍子湖畔盛大開幕。這里將分三個(gè)部分呈現(xiàn)大會(huì)論壇的精彩內(nèi)容，這是第一部分智能傳感器及應(yīng)用。

當(dāng)今世界，以信息技術(shù)為代表的新一輪科技革命方興未艾，全球新興技術(shù)發(fā)展正跨界融合，加速創(chuàng)新，深度融合的歷史時(shí)期，呈現(xiàn)萬物互聯(lián)、萬物智能的新特征，MEMS智能傳感器作為與外界交互的重要手段和重要來源，正成為新時(shí)代關(guān)鍵引擎。MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)是高技術(shù)、高投入、高回報(bào)，它的發(fā)展需要地方政府、科研院所、企業(yè)單位的共同方合作，此次論壇目的是搭建一座橋梁，形成以政府為主導(dǎo)，企業(yè)為主體，市場(chǎng)為導(dǎo)向，院校為先鋒的政產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，促進(jìn)中國MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。我們確信，在各界領(lǐng)導(dǎo)、學(xué)者、企業(yè)家和政府部門的共同努力下，中國MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)必將進(jìn)入一個(gè)全新的高速發(fā)展階段。

以下八位專家分別從慣性傳感器、非制冷紅外焦平面技術(shù)、人工嗅覺系統(tǒng)、壓力傳感器、磁傳感器、傳感器的調(diào)理芯片以及針尖技術(shù)等八個(gè)方面，給我們做出了詳細(xì)的報(bào)告，這些報(bào)告讓我們?nèi)�面了解了我國傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢(shì)，讓我們對(duì)傳感器的發(fā)展有了更清醒的認(rèn)識(shí)，也更進(jìn)一步堅(jiān)定了我們對(duì)傳感器發(fā)展的信心。

MEMS成套工藝及高性能慣性傳感器產(chǎn)品發(fā)布

華東光電集成器件研究所副所長徐春葉

我的匯報(bào)分成三部分：一是成套工藝介紹，二是平臺(tái)能力介紹，三是MEMS產(chǎn)品介紹。在成套工藝方面，214所經(jīng)過從“十一五”以來，十幾年的研究、攻關(guān)，逐步形成了四套標(biāo)準(zhǔn)工藝，還有一個(gè)一站式的定制服務(wù)，也就是“4+1”工藝體系。

第一套工藝體系是對(duì)標(biāo)法國Tronics體硅工藝體系，有這么幾個(gè)特點(diǎn)：一是基于Cavity/SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)高深寬比敏感結(jié)構(gòu)、較佳結(jié)構(gòu)保型；二是多金屬引線互聯(lián)，串聯(lián)電阻小；三是PAD側(cè)扁引出，易與引線鍵合；四是Au-SI共晶鍵合真空封裝優(yōu)于0.1Pa；五是復(fù)合薄膜Geeter工藝，長期穩(wěn)定可靠；六是適用于高靈敏度、高一致性需求的MEMS器件。

第二套工藝體系是基于TSV-SOI體硅工藝體系，特點(diǎn)有：一是全硅工藝、熱匹配性好；二是Cap直接高溫硅硅鍵合真空封裝，氣密性極佳，無需Getter，優(yōu)于0.1Pa；三是介質(zhì)隔離TSV實(shí)現(xiàn)PAD垂直引出，芯片體積小，便于3D堆疊互聯(lián)微系統(tǒng)集成；四是適用于高可靠性、高靈敏度、小體積MEMS器件及微系統(tǒng)。

第三套工藝體系是基于Class Frit晶圓級(jí)封裝SOD體硅工藝，特點(diǎn)有：一是采用低阻硅引線，可實(shí)現(xiàn)硅硅鍵合，敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力低；二是Cap采用Glass Frit鍵合實(shí)現(xiàn)高真空晶圓級(jí)封裝，工藝冗余度高，易于實(shí)現(xiàn)，真空度優(yōu)于0.1Pa；三是兼容Getter工藝，穩(wěn)定性好；四是工藝普適性強(qiáng)。

第四套工藝體系是一種特殊的，用于壓阻體硅工藝，用于量程超過3萬個(gè)G以上的，適用于各類壓阻式傳感器工藝加工。這是四套標(biāo)準(zhǔn)體系，希望各位同行到其工藝線進(jìn)行加工，可以給大家提供工藝開發(fā)服務(wù)。另外在成套工藝?yán)锩妫�一站式定制柔性開發(fā)，一種器件，一種工藝，甚至是同種器件，不同的設(shè)計(jì)師，工藝都不一樣，定制特征非常明顯。基于這種特點(diǎn)，我們也提供了一站式定制柔性技術(shù)開發(fā)，從工藝加工、設(shè)計(jì)仿真到封裝、設(shè)計(jì)、篩選、可靠性檢測(cè)，一站式為大家提供服務(wù)。目前成功的案例有光學(xué)器件，在給華為供貨，還有MEMS射頻器件、MEMS氣息傳感器，成功應(yīng)用在合作伙伴的產(chǎn)品上，已經(jīng)大批量的供貨。

下面簡單介紹一下平臺(tái)能力，MEMS所需要的所有的設(shè)計(jì)平臺(tái)都有設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)版面。二是平臺(tái)能力，有一套6英寸體硅MEMS工藝?yán)w，手段齊全，沒有缺陷。有常規(guī)的MEMS線所沒有的特殊手段，因?yàn)?span lang="EN-US">219所還有6英寸的半導(dǎo)體芯片線，利用這種優(yōu)勢(shì)，有大市場(chǎng)的光刻、高能、低能離子注入，低應(yīng)力CVD沉積以及優(yōu)質(zhì)的Getter專利技術(shù)等特色工藝。這條線的批產(chǎn)能力是一個(gè)月一萬片，凈化面積2500平。

另外還有完整的人才團(tuán)隊(duì)，工藝線再好，也離不開人，各類人才從研發(fā)到工藝技術(shù)人員共有100多人。光刻有步進(jìn)式和接觸式雙面光刻，步進(jìn)式做到0.5微米，接觸式雙面光刻1微米，離子注入有大、中、小束流，深硅刻蝕有40：1深寬比硅刻蝕。金屬圖形化有Lift/off工藝。成膜是低應(yīng)力LPCVD沉積SiN、Poly工藝。金屬制備有多種金屬濺射、蒸發(fā)、電鍍工藝，工藝手段齊全。

昨天有十幾款新產(chǎn)品剛剛通過儀器儀表學(xué)會(huì)新產(chǎn)品鑒定，以下做一個(gè)簡要的介紹。本次發(fā)布了12款產(chǎn)品，四款MEMS陀螺儀、三款MEMS加速器，還有特種裝置用的大量程MEMS開關(guān)，應(yīng)用于產(chǎn)品領(lǐng)域主要是軍民兩用。在MEMS陀螺儀方面有這么幾款，首先給大家介紹的是低成本的MEMS陀螺儀，它的量程在400deg/s，這個(gè)量程能覆蓋日常的一些應(yīng)用，但是在彈載高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，量程小了一點(diǎn)，后面還有大量程。輸出精度24bits，數(shù)據(jù)輸出率是12KHz，零偏穩(wěn)定性是優(yōu)于3deg/hr，角隨機(jī)游走是0.125/h，標(biāo)度因子是20000lsb/deg/s，這是第一款產(chǎn)品，低成本的。

第二款產(chǎn)品是大量程、耐過載的MEMS陀螺儀，量程能到2000deg/s，輸出精度24bits，數(shù)據(jù)輸出率是6KHz，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于3deg/hr，溫漂100ppm，帶寬150Hz，抗沖擊20000G。

第三款產(chǎn)品是高精度的MEMS陀螺儀，它的量程能達(dá)到1000deg/s，輸出精度24bits，零偏穩(wěn)定性小于優(yōu)于1deg/h，較好的能達(dá)到0.2的水準(zhǔn)，1deg/h左右精度的可以大量的批量供貨，隨機(jī)游走0.05/h，它也具備耐高或者抗沖擊。它采用了自較準(zhǔn)補(bǔ)償技術(shù)，把精細(xì)做的優(yōu)于1度每小時(shí)的水平。

第四款產(chǎn)品是大動(dòng)態(tài)MEMS陀螺儀，量程能到4000deg/s，相當(dāng)每秒鐘超過10轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度，10轉(zhuǎn)是3600，現(xiàn)在是4000，輸出精度24bits，數(shù)據(jù)輸出率12KHz，零偏穩(wěn)定性優(yōu)以10deg/hr，在微小型彈藥上使用。

這些MEMS陀螺儀和市面上戰(zhàn)術(shù)級(jí)和導(dǎo)航級(jí)陀螺儀的對(duì)比，應(yīng)該說已經(jīng)做到了從戰(zhàn)術(shù)級(jí)到導(dǎo)航級(jí)過渡的狀態(tài)，也是當(dāng)前國內(nèi)能買到的全國產(chǎn)化的，MEMS產(chǎn)品覆蓋了大部分的市場(chǎng)。

在加速度計(jì)方面，給大家介紹三款加速度計(jì)，一個(gè)是量程在2-10g，零偏穩(wěn)定性小于20ug，可以抗10000g以上的沖擊，這是第一款。第二款量程是30-50g，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于50ug，也是有很強(qiáng)的抗沖擊能力，10000g以上。第三款加速度計(jì)是70-100g，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于100ug，也可以抗沖擊。

另外把我們的加速度計(jì)和國際的一些產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比，總體性能上跟國際的先進(jìn)水平相當(dāng)，部分的性能是優(yōu)于國際上的產(chǎn)品，現(xiàn)在跟國際的對(duì)比也是達(dá)到這樣的國際水平。第三類產(chǎn)品是特種裝置用的大量程MEMS開關(guān)，特種裝置就是軍事上應(yīng)用的相對(duì)多一些，量程有5000g、20000g等等。

非常歡迎各位經(jīng)常到214所來走一走，多進(jìn)行交流。我們是完全開放的模式，可以做服務(wù)，可以做產(chǎn)品，也可以聯(lián)合研制，跟大家共同地把我們國家的基礎(chǔ)器件水平推上去，也是解決我們軍民兩用的自主可控的這些問題。

萬物互聯(lián)，MEMS傳感器迎來新一波浪潮

明皜傳感科技有限公司副總裁錢春華

聽了很多院士的介紹，讓我發(fā)現(xiàn)了很多MEMS一些我之前未知的地方，所以說整個(gè)MEMS，整個(gè)行業(yè)，還有很多東西值得我們?nèi)ヌ剿鳌Ｔ菏總冎皇墙o我們指明了很多寶藏的發(fā)現(xiàn)，接下來挖寶藏就要靠我們這些MEMS企業(yè)來做。

MEMS發(fā)展經(jīng)過了幾波發(fā)展浪潮，先從能量說起，在整個(gè)世界上，所謂能量，可能我們了解比較多的是機(jī)械能量，一般在學(xué)校學(xué)的比較多，還有一些化學(xué)能量、輻射能、磁能、熱能、電能這些東西，能量中間存在不同的轉(zhuǎn)換，也就是說換能器，我們可能常見的換能器有傳感器、執(zhí)行器，傳感器是探測(cè)和監(jiān)測(cè)物理化學(xué)現(xiàn)象的器件，執(zhí)行器相反，通過電產(chǎn)生一些機(jī)器運(yùn)動(dòng)，力和扭矩的器件。

MEMS設(shè)備，很大一部分其實(shí)是屬于這兩個(gè)范疇，還有其它的定義。我們看一下MEMS傳感器，我們目前比較常見的傳感器，當(dāng)然這些傳感器還是比較偏消費(fèi)類的，有些專家還講了軍用類的傳感器。我們以加速器為例，這是明皜傳感設(shè)計(jì)的加速器，這里有我們的專利，主要特點(diǎn)是8寸的MEMS/CMOS鍵合，使用單晶硅，整個(gè)是體硅工藝。MEMS現(xiàn)在有體硅工藝和表面硅工藝，我們專門做了抗沾黏工藝，還有晶圓級(jí)密封，明皜傳感器有核心的專利。

速度傳感器在實(shí)際運(yùn)作中過梳尺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電容的變化，再轉(zhuǎn)化成電壓，通過后端的數(shù)字電路處理把它轉(zhuǎn)換成較后常見的數(shù)字信號(hào)。明皜的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于，現(xiàn)在MEMS片芯是世界較小面積加速度計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)壯化，耐high G沖擊，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)是10000g沖擊，整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱化，溫飄小。

我們常見的在消費(fèi)類電子用的加速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一款2×2的芯片，這款芯片是我們公司目前準(zhǔn)備出貨的產(chǎn)品。換能器有兩個(gè)，一個(gè)是MEMS傳感器，還有MEMS執(zhí)行器，現(xiàn)在MEMS傳感器比較多，相對(duì)而言， MEMS執(zhí)行器在消費(fèi)領(lǐng)域還比較少見。在VG中，每個(gè)小方塊是可以活動(dòng)的部件，上面會(huì)有兩個(gè)支撐連，通過上面的電極施加不同的電壓，產(chǎn)生角度的傾斜，這樣它會(huì)改變射進(jìn)來的光線，從而把光較終打出來，每個(gè)鏡片的尺寸在10×10微米，我們標(biāo)準(zhǔn)的1.2寸4.88投影儀有12萬個(gè)小鏡片，在一個(gè)小鏡片中集成這么多，對(duì)精度要求非常高，有很多技術(shù)需要突破。

明皜較早就是在投入研究這個(gè)技術(shù)，做出來了XGA分辨率的投影儀芯片。今天萬物互聯(lián)可能會(huì)給我們帶來新的所謂的浪潮或者叫機(jī)遇，浪潮其實(shí)就意味著機(jī)遇和挑戰(zhàn)，我們看一下MEMS的發(fā)展歷程，MEMS從六十年代開始，六十年代到八十年代可能是一個(gè)階段，那時(shí)候主要是在構(gòu)建一些基本的技術(shù)基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中，剛才提到的結(jié)構(gòu)就有了研究，包括有一些使用的技術(shù)。在二十世紀(jì)九十年代，有兩部分，一個(gè)是EDR，就是MEMS加速器，主要用在汽車上，安全氣囊用的比較多，九十年代還有一個(gè)比較重要的是投影儀，在二十世紀(jì)九十年代基本上成型了。

MEMS讓大家所熟知是在2006年以后，從蘋果手機(jī)開始，里面內(nèi)置了加速器，我們才知道MEMS器件變成了大家都能看到的一個(gè)東西，所以在這個(gè)之后就變得一發(fā)而不可收拾，MEMS各種各樣傳感器都出現(xiàn)在生活當(dāng)中。MEMS的應(yīng)用，不管是安全氣囊，或者是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)力集成，有很多傳感器，包括壓力，這是用在汽車電子驅(qū)動(dòng)。這是消費(fèi)類產(chǎn)品推動(dòng)的，讓MEMS得到很廣泛的應(yīng)用，在我們很多設(shè)備中都出現(xiàn)了，以Iphone手機(jī)為例，第一代有加速器，后來有加速度計(jì)、陀螺儀，現(xiàn)在可能有二、三十種傳感器。穿戴設(shè)備在傳感器應(yīng)用中是用的比較多的產(chǎn)品，比如心率傳感器、壓力傳感器，在手表手環(huán)上得到很大的應(yīng)用，這是MEMS爆發(fā)的時(shí)期。

在這波浪潮后，我覺得帶給我們較大的收獲是我國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈開始逐漸形成，我們可能從設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)包括后端的應(yīng)用，都有相關(guān)公司慢慢開始發(fā)展起來了，至于有沒有在浪潮里賺了很多錢，也不一定。在整個(gè)浪潮中，可能收獲的應(yīng)該還是國外公司，國內(nèi)高端手機(jī)產(chǎn)品采用的還是國外傳感器，但是隨著整個(gè)大環(huán)境的變化，我覺得現(xiàn)在很多國產(chǎn)手機(jī)或品牌，更愿意使用國產(chǎn)的傳感器，這對(duì)我國的MEMS企業(yè)是很好的機(jī)會(huì)。這是以手機(jī)帶動(dòng)的消費(fèi)浪潮。

還有萬物互聯(lián)階段，MEMS傳感器還有一波新的機(jī)會(huì)和浪潮，首先是流動(dòng)市場(chǎng)趨于飽和，手機(jī)出貨量已經(jīng)在放緩，移動(dòng)設(shè)備終端傳感器種類應(yīng)該還會(huì)增加，但是沒有前一段時(shí)間增速那么快了，現(xiàn)在整個(gè)在這塊的廠商投入會(huì)越來越多，會(huì)有越來越多的公司進(jìn)入，這就不可避免成本會(huì)被拉低。在這樣的狀況下，我們要去尋找一些新的機(jī)會(huì)，一個(gè)是消費(fèi)電子，技術(shù)有很大的可挖點(diǎn)；還有智能制造，包括工業(yè)4.0、中國制造2025，應(yīng)該在整個(gè)生態(tài)中，傳感器應(yīng)該是有很多的增長機(jī)會(huì)；智慧醫(yī)療、智能家居都是我們未來的機(jī)會(huì)。

機(jī)會(huì)大家都能看得到，但是我們還是有很多挑戰(zhàn)，通過第一波浪潮，產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)該初步具備，但是不可否認(rèn)，我們整個(gè)能力還是比較薄弱，特別是在很多高端產(chǎn)品上，進(jìn)口的比較多，看我們所有國內(nèi)企業(yè)怎么去通過自身的研發(fā)提升，包括合理的利用產(chǎn)業(yè)鏈的配套，這是我們要去特別關(guān)注的地方。

專利是不能回避的，始終要面對(duì)，在MEMS上，專利是比較多的，我們?cè)诎l(fā)展有時(shí)候沒有注意，這是我們?cè)诮酉聛砻總�(gè)企業(yè)都需要關(guān)注的，雖然明皜在MEMS領(lǐng)域有超過100多項(xiàng)專利，包括加速計(jì)、微鏡產(chǎn)品，都有自己的專利，專利是我們需要特別關(guān)注的地方，如果你的出貨量是幾百的話，沒有人關(guān)注你怎么做的，等你做大后，會(huì)有人關(guān)注你是否有觸碰專利的壁壘。

從MEMS芯片本身來講，尺寸、集成化是趨勢(shì)，芯片要做的越來越小，對(duì)于芯片來說，尺寸越小，代表著成本降低。對(duì)于MEMS來講，芯片做的越小，代表你里面的機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)會(huì)有很多的約束和限制，這是非常大的挑戰(zhàn)，明皜MEMS現(xiàn)在大概是0.9×0.8的尺寸。從產(chǎn)品參數(shù)上講，基本上是高精度、低功耗、智能化，這是MEMS優(yōu)勢(shì)的地方，但是可能根據(jù)不同客戶的需求，這些參數(shù)還需要持續(xù)提升，比如說噪聲指標(biāo)、穩(wěn)定性、偏差，偏差一般是零偏，還有軸間串?dāng)_，溫度這邊是長期穩(wěn)定性、重復(fù)穩(wěn)定性。目前我們加速計(jì)的典型參數(shù)是16 bit ADC，信號(hào)帶寬達(dá)到2K以上。低噪聲一般都是120ug，TCO是0.5mg/k。

我們的第二個(gè)挑戰(zhàn)是不同行業(yè)和客戶的差異化需求，個(gè)人消費(fèi)電子領(lǐng)域更看重功耗，汽車領(lǐng)域可靠性要求比較高，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域，較看重的是壽命。今天做消費(fèi)電子領(lǐng)域，再擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，要了解各個(gè)領(lǐng)域的真實(shí)需求，可能會(huì)去對(duì)產(chǎn)品做一些差異化的定制，這是當(dāng)前需要考慮的問題。

接下來的挑戰(zhàn)，我認(rèn)為是軟件與算法，今天的大會(huì)是從“芯”出發(fā)，智“慧”無限，智可以理解為后端芯片之外的，就是軟件、算法這塊。算法在傳感器方面有信號(hào)處理、傳感器融合、人工智能，有芯片、驅(qū)動(dòng)、算法，一個(gè)集成一個(gè)模塊，模塊芯片集成變成系統(tǒng)，系統(tǒng)要集成化的話，會(huì)把系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上去。

我們較近的AirPods Pro力傳感器在算法和軟件方面有些完整的解決方案，比如車載設(shè)備有所謂的CarMotion，是基于傳感器做的各種狀態(tài)檢測(cè)，比如說停車守衛(wèi)、碰撞檢測(cè)等。還有針對(duì)可穿戴的整個(gè)的算法集成方案，像簡單的記錄、跌倒檢測(cè)等。另一個(gè)算法是把目前人工智能跟傳感器結(jié)合，現(xiàn)在主要使用深度學(xué)習(xí)方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，然后是建模，我們提供在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的解決方案。

MEMS傳感器將迎來發(fā)展浪潮，中國MEMS發(fā)展任重道遠(yuǎn)，中國應(yīng)以巨大的市場(chǎng)應(yīng)用為牽引，不斷彌合人才缺口，研判和把握未來趨勢(shì)，錨定自主創(chuàng)新之路，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化崛起和趕超。在萬物互聯(lián)時(shí)代，牢牢把握并努力贏得MEMS傳感器新一輪的商機(jī)。

高性能MEMS慣性傳感器應(yīng)用與研究進(jìn)展

華東光電集成器件研究所科技帶頭人、MEMS傳感器與維系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人鞠莉娜

慣性傳感器的定義是對(duì)物理運(yùn)動(dòng)做出反應(yīng)的器件，如線性位移或者角度旋轉(zhuǎn)，并將這兩種反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，目前涉及到通信、醫(yī)療、工業(yè)、國防、消費(fèi)電子、汽車電子、航天航空等各個(gè)專業(yè)，它的增長動(dòng)力，一方面來源于全球主要市場(chǎng)對(duì)汽車安全以及智能化需求的增加；第二個(gè)方面是受到工業(yè)4.0包括智慧家庭的影響，也就是工業(yè)類和家居類的自動(dòng)化產(chǎn)品對(duì)MEMS的器件需求是巨大的；第三方面是目前可穿戴的無人機(jī)、機(jī)器人需求日益普及。

從產(chǎn)業(yè)鏈來說，MEMS慣性傳感器在汽車制造領(lǐng)域取得了極大的提供，在消費(fèi)市場(chǎng)應(yīng)用也占有了極大的市場(chǎng)。目前在整個(gè)傳感器應(yīng)用里，消費(fèi)存在兩個(gè)極端的需求，一方面是以軍共、航空航天等高端應(yīng)用為主，另外一方面是以通常所熟知的消費(fèi)電子、汽車領(lǐng)域的應(yīng)用為主，消費(fèi)的兩極，應(yīng)用需求是截然不同的。

從高端應(yīng)用來說，整個(gè)高端應(yīng)用主要是通過大量的資金投入來推動(dòng)整個(gè)技術(shù)不斷地向前進(jìn)步與發(fā)展，在低端或者我們通常所說的消費(fèi)領(lǐng)域，則是通過利潤的吸引，使得這個(gè)技術(shù)不斷走向產(chǎn)業(yè)化。以MEMS陀螺為例，從結(jié)構(gòu)形態(tài)來看，就是典型的有線振動(dòng)、角振動(dòng)、蝶翼式、振動(dòng)環(huán)。國際大公司，像Honeywell、Litton、Thales、UTC等等，這些公司有成熟化的應(yīng)用體系，主要以滿足高端的應(yīng)用需求為主。

從國外MEMS產(chǎn)業(yè)技術(shù)來看，每種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，也有它的應(yīng)用領(lǐng)域。MEMS陀螺有力學(xué)和電學(xué)。從驅(qū)動(dòng)形式來看，目前以電驅(qū)動(dòng)為主，日本的SIM以壓電形成微結(jié)構(gòu)。從材料上來看，發(fā)展很迅速，從早期的多晶硅，到現(xiàn)在逐步被單晶硅取代。從加工工藝來說，目前整個(gè)全硅工藝快速發(fā)展，MEMS的晶圓尺寸以6-8英寸為主。從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)來看，大公司和高水平的高校、研究機(jī)構(gòu)是深度合作，這樣推動(dòng)整個(gè)技術(shù)的快速迭代和發(fā)展。

按照對(duì)MEMS傳感器導(dǎo)航性能的等級(jí)劃分，目前整個(gè)高性能的MEMS傳感器基本上覆蓋現(xiàn)在戰(zhàn)術(shù)級(jí)的應(yīng)用需求。這是國際上目前整個(gè)MEMS慣性傳感器所構(gòu)建的慣性組建，它在成本上、體積上有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于我們傳統(tǒng)的機(jī)械或者是慣性，再加上全球定位系統(tǒng)的快速發(fā)展，極大地改善了慣性自導(dǎo)和導(dǎo)航精度。世界各國，尤其是各大軍事強(qiáng)國增大了對(duì)MEMS慣性器件的研發(fā)力度。從裝備應(yīng)用方面，在國外已經(jīng)應(yīng)用于精確的打擊彈藥、多功能彈藥以及分布式的偵查網(wǎng)絡(luò)等多功能的作戰(zhàn)平臺(tái)體系。我們能夠通過網(wǎng)絡(luò)資料查到的典型高性能MEMS產(chǎn)品，用在自導(dǎo)炮彈、自導(dǎo)炸彈，還有小型戰(zhàn)術(shù)彈上的應(yīng)用。

總的說來，采用MEMS慣性器件，整個(gè)戰(zhàn)術(shù)武器，一方面專注于微型化、低功耗，也適用于制導(dǎo)精度要求，有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，低成本也是不可回避的話題。從應(yīng)用類型上看，旋轉(zhuǎn)彈，關(guān)注于需要大量程MEMS陀螺；從穩(wěn)像技術(shù)來說，它作為精確制導(dǎo)武器的主要技術(shù)力量成為未來精確制導(dǎo)的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過相關(guān)資料，美國的海陸空三軍對(duì)新的作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)需求提出來了，對(duì)于制導(dǎo)彈藥和利用制導(dǎo)彈藥信息提升作戰(zhàn)能力是美軍的發(fā)展重點(diǎn)。在這里面，一方面特別關(guān)注于中小口徑的制導(dǎo)彈藥發(fā)展，主要從單兵應(yīng)用角度，特別關(guān)注于制導(dǎo)槍彈、智能榴彈應(yīng)用；第二方面是反坦克彈藥，主要關(guān)注微型自導(dǎo)彈藥；第三是無人機(jī)載的圍型彈藥實(shí)現(xiàn)察打一體能力，較后是關(guān)注于艦艇用的中小口徑但要，也是發(fā)展很活躍。

我們能夠找到的雷聲公司新研制的40毫米口徑精確制導(dǎo)彈藥，主要采用數(shù)字式的激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭，用到UTC公司的一款迷你mu，體積只有16.5立方厘米，能實(shí)現(xiàn)小口徑對(duì)導(dǎo)引頭彈上姿態(tài)的精確控制。

較近美國達(dá)信展出了他可裝備無人機(jī)的新型制導(dǎo)彈藥，MEMS慣性器件也是大顯身手，采用了GPS/ING+激光半主動(dòng)復(fù)合制導(dǎo)。前面說了小口徑，大家經(jīng)常會(huì)說到高速高能制導(dǎo)彈藥，也就是通常所說的電磁軌道炮和超高速彈藥，超高速彈藥是采用了節(jié)卻的電子制導(dǎo)系統(tǒng)，要求常規(guī)彈藥發(fā)射高射彈藥，需要承受3-6萬G強(qiáng)烈沖擊。

總的說來，美軍探索研究前瞻性的技術(shù)，也推動(dòng)了新概念、新技術(shù)在彈藥中的，因此美國DAPPA啟動(dòng)不依賴GPS的導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目。比較著名的是SOT，他的辦公室啟動(dòng)了自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目。第二個(gè)項(xiàng)目是微系統(tǒng)技術(shù)辦公室，也就是MTO，發(fā)展的是我們通常熟知的MEMS PAT，用芯片級(jí)的技術(shù)取代傳統(tǒng)的PAT，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，建立整個(gè)系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量、功耗，提升精度、帶寬和速率。較后一個(gè)項(xiàng)目是發(fā)展一套完成的PAT能力。2015年DAPPA發(fā)布了一個(gè)項(xiàng)目，就是PPIGM項(xiàng)目，一個(gè)目標(biāo)就是研制新型的MEMS傳感器，這個(gè)傳感器要具備幾項(xiàng)特點(diǎn)，一方面是要有高動(dòng)態(tài)、低噪聲，還有高精度，同時(shí)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的要求提出了高沖擊、高振動(dòng)。在DAPPA項(xiàng)目里面，意味著新型的MEMS傳感器是他的研究目標(biāo)，全對(duì)稱的MEMS諧振陀螺是DAPPA PRIGM——MIMS項(xiàng)目重點(diǎn)支持三種建設(shè)方向之一，代表著MEMS慣性器件的發(fā)展方向。

幾個(gè)關(guān)鍵要素，一是大量程，二是刻度因子高穩(wěn)定性，三是高動(dòng)態(tài)范圍，四是靈敏度高，較后這種類型的陀螺環(huán)境靈敏度不是那么的敏感。從1995年到2018年全對(duì)稱陀螺的研制進(jìn)展，結(jié)構(gòu)形式上，前期有半球的、環(huán)形的、碟形結(jié)構(gòu)，目前碟形陀螺是被研究的較多的，這種碟形陀螺具有良好的對(duì)稱性，信噪比高，是較接近于導(dǎo)航級(jí)的MEMS陀螺方案之一。相對(duì)于全對(duì)稱的MEMS全角陀螺，有一些重點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，比如特別關(guān)注于在晶圓級(jí)高真空封裝工藝，關(guān)于低熱彈阻尼材料，關(guān)注于模態(tài)匹配控制，然后是全角模式技術(shù)研究，比如虛擬旋轉(zhuǎn)技術(shù)、調(diào)幅/調(diào)頻全角模式，還有環(huán)境穩(wěn)健設(shè)計(jì)，對(duì)溫度和應(yīng)力的一體化要求比較高。

Snesors in Motion發(fā)布的世界上首款MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，新一代導(dǎo)航原理就是采用多環(huán)圓盤式結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)研究從2003年研究到2019年，差不多二十年時(shí)間。這是PRIGM的第二個(gè)主要關(guān)注領(lǐng)域，是用于未來槍械高帶寬、高動(dòng)態(tài)范圍、無GPS導(dǎo)航下的先進(jìn)慣性微傳感器技術(shù)研究，主要希望探索取代MEMS慣性傳感器的替代技術(shù)和模式，包括光子和MEMS光子集成，以及新穎的架構(gòu)和材料系統(tǒng)。發(fā)展新動(dòng)向表明，在未來戰(zhàn)爭MEMS中將扮演重要的角色。

非制冷紅外焦平面技術(shù)與產(chǎn)品

浙江大立科技股份有限公司前沿技術(shù)室主任錢良山

我的報(bào)告分為兩點(diǎn)，第一跟大家匯報(bào)一下非制冷紅外焦平面技術(shù)概括，二是我們公司的研制介紹。非制冷紅外焦平面探測(cè)器利用熱效應(yīng)來探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射并輸出電信號(hào)的傳感器。主要工作在8-14um的長波紅外，通常也稱為“熱紅外”的波段，目前基本特指微測(cè)輻射熱計(jì)原理的探測(cè)器。非制冷紅外焦平面工作原理，由兩個(gè)象素點(diǎn)組成，檢測(cè)到目標(biāo)物體的紅外輻射，然后把這種紅外輻射轉(zhuǎn)換為本身的電路變化，由下面的讀出電路把電路變化讀出，顯示為圖像輸出。

主要技術(shù)環(huán)節(jié)有以下五個(gè)方面，首先利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝加工制造出探測(cè)器的讀出電路，再利用MEMS工藝在讀出工藝上加工處MEMS微橋結(jié)構(gòu)，然后利用真空封裝技術(shù)封裝成探測(cè)器產(chǎn)品，后面是要用一些測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)探測(cè)器的熱性能和操作率指標(biāo)，較后是環(huán)境測(cè)試，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

非制冷紅外焦平面較早起源于美國，主要用于軍事。美國在紅外探測(cè)器產(chǎn)品上對(duì)中國是禁運(yùn)的，中國在2006年左右有一些單位開始紅外探測(cè)器的研制，目前有四五家做氧化釩的產(chǎn)品，我們也是在2006年左右開始研制，2009年實(shí)現(xiàn)了的量產(chǎn)，我們公司是2008年上市。紅外探測(cè)器有兩個(gè)技術(shù)路線，一個(gè)是非晶硅路線，一個(gè)是氧化釩路線。由于美國對(duì)中國在非制冷紅外焦平面方面有些禁運(yùn)，導(dǎo)致國內(nèi)技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較好。

全球非制冷紅外焦平面產(chǎn)量情況，目前北美市場(chǎng)還是較大的市場(chǎng)，主要是軍事的應(yīng)用，能占到市場(chǎng)份額75%以上，歐洲是ULIS公司，亞洲是中國，大概有15%的份額。

美國由于紅外歷史比較長，因?yàn)橛腥�四十年的發(fā)展歷史，經(jīng)過了多次的并購和重組，格局是比較穩(wěn)定的，目前FLIR在民品市場(chǎng)全球一家獨(dú)立、軍品以配套為主。中國是目前較活躍的市場(chǎng)，做探測(cè)器的企業(yè)國內(nèi)現(xiàn)在有四五家，市場(chǎng)企業(yè)也有三四家，做整機(jī)的更多，可能有七、八家，還有眾多的小企業(yè)做模組、方案、熱像儀、集成商、代理商，可能有幾十家，甚至幾百家。

我們公司從1993年開始研制紅外探測(cè)領(lǐng)域，目前有25年的經(jīng)驗(yàn)積累，早期主要購買法國的一些探測(cè)器，組裝成整機(jī)系統(tǒng)，從2006年開始核心器件探測(cè)器研制，2009年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全系列產(chǎn)品量產(chǎn)，并用在公司的整機(jī)和模組上。

大立科技公司的產(chǎn)品分以下三塊，一個(gè)是小列陣產(chǎn)品，中間是中等陣列，也是目前產(chǎn)量和產(chǎn)值較大的一塊，還有一塊是大列陣，主要是1024×768，是百萬像素及百萬像素以上的產(chǎn)品。我們公司是國內(nèi)一家以非晶硅為探測(cè)器的企業(yè)，我們發(fā)揮a-Si技術(shù)路線優(yōu)勢(shì)，在大、中、小面陣三個(gè)方向提供特色產(chǎn)品，中面陣產(chǎn)品上，無需片上非均勻性校正步驟，模組生產(chǎn)過程簡單，熱敏特性穩(wěn)定，可大批量實(shí)現(xiàn)無擋片車像工作模式，測(cè)溫模型簡單，非常適合工藝產(chǎn)品生產(chǎn)，還有大面陣、小面陣。大立公司的中等陣列探測(cè)器在2009年實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，目前已有十年的經(jīng)驗(yàn)積累，探測(cè)器的長期可靠性得到了充分的驗(yàn)證，在測(cè)溫?zé)嵯駜x里面也是額國內(nèi)較大的。中等陣列探測(cè)器的應(yīng)用方向第一類是工業(yè)檢測(cè)，比如手持的熱像儀、在線監(jiān)控；第二類是夜視增強(qiáng)；第三類是紅外系統(tǒng)，包括電力巡檢機(jī)器人；第四類是軍事國防，包括夜視增強(qiáng)、望遠(yuǎn)鏡這塊。

大面陣非制冷紅外焦平面探測(cè)器陣指規(guī)模達(dá)到1024×768以上，也就是百萬像素或百萬像素以上，目前我們公司100萬像素和200萬像素產(chǎn)品已經(jīng)成熟，這兩個(gè)產(chǎn)品也是公司承擔(dān)的“十二五”、“十三五”立項(xiàng)項(xiàng)目，在研是3072×2048，也就是600萬像素的紅外探測(cè)器。

紅外探測(cè)器成像是8到14微米，尺寸相對(duì)比較大，在讀出電路上我們降低了噪聲，同時(shí)增加了均勻性。在微校上采用了單層微校和雙層微校工藝。同時(shí)我們對(duì)探測(cè)器的熱敏材料進(jìn)行了優(yōu)化，主要是提高熱敏薄弱TCR和降低熱敏薄膜噪聲。我們公司200萬探測(cè)器無擋片成像效果，圖像經(jīng)過一定的軟件算法就可以知道每一個(gè)點(diǎn)的溫度，無論是白天，還是黑夜，拍攝到的這個(gè)圖片其實(shí)都是差不多的。這也是200萬像素的成像效果。

較后介紹一下紅外陣列傳感器，也就是小面制的紅外探測(cè)器，小面制紅外探測(cè)器應(yīng)用場(chǎng)合比較特殊，對(duì)熱靈敏度要求不是特別高，反而對(duì)芯片的尺寸和它的價(jià)格比較敏感，所以我們公司的小陣列探測(cè)器主要是80×80和320×240、陶瓷或晶圓級(jí)封裝，降低探測(cè)器的價(jià)格。主要的技術(shù)路徑，在尺寸和重量上進(jìn)行了優(yōu)化，也采用了低功耗電路設(shè)計(jì)，在NETD和均勻上進(jìn)行了可靠化的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品良率，采用了全新的犧牲層工藝和CMOS產(chǎn)線代工，降低探測(cè)器產(chǎn)品的價(jià)格。小陣列探測(cè)器的主要產(chǎn)品有不同像元尺寸，有20um、17um，不同的規(guī)格，還有不同的輸出方式。小陣列探測(cè)器因?yàn)閮r(jià)格有一定的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在的應(yīng)用范圍越來越廣，主要像手持式的測(cè)溫、周界安防，周界安放前幾年應(yīng)用有限，這幾年加上非熱敏的探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)控。還有人流量監(jiān)控和設(shè)備在線監(jiān)控，比如變電站里面可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，看是不是有些局部的溫度過高，還有戶外的愛好者，有望遠(yuǎn)鏡，晚上可以看到動(dòng)物在哪里。還有智能交通，現(xiàn)在的無人駕駛，較主要的可能是激光雷達(dá)，但激光雷達(dá)本身有缺點(diǎn)，比如在霧天、雨天或者下雪的天氣會(huì)受到影響，但是紅外探測(cè)器沒有影響，它可以作為無人駕駛必要的補(bǔ)充，在測(cè)具和成像不如激光雷達(dá)，但是有些情況下少不了紅外探測(cè)器。還有智能交通，早期探測(cè)器在汽車方面的應(yīng)用作為輔助的安全駕駛，早期像寶馬的7X還有奔馳的S級(jí)，因?yàn)閮r(jià)格比較高，你加個(gè)一兩萬塊錢，他對(duì)價(jià)位不是很敏感；國內(nèi)的國產(chǎn)車也想使用，國產(chǎn)車目前較貴的就是發(fā)動(dòng)機(jī)，我們加一套這種紅外系統(tǒng)，他根本就接受不了，所以就說隨著紅外探測(cè)器價(jià)格的下降，汽車領(lǐng)域可能是一個(gè)很好的方向。

較后總結(jié)一下，首先我們通過ROIC與微橋設(shè)計(jì)、拼接工藝、熱敏薄膜優(yōu)化，研制大面陣非制冷紅外焦平面，目前的熱靈敏度達(dá)到了45mK，實(shí)現(xiàn)了無擋片模組成像，并且在各種溫度環(huán)境下可以穩(wěn)定工作。第二是我們開發(fā)了新的犧牲層工藝，實(shí)現(xiàn)CMOS生產(chǎn)線代工，大幅提高芯片及封裝合格率，實(shí)現(xiàn)低成本紅外陣列傳感器大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)我們也會(huì)堅(jiān)持大立非晶硅技術(shù)發(fā)展方向，我們開發(fā)大陣列、中陣列、小陣列的應(yīng)用，同時(shí)在耐高溫等新技術(shù)也會(huì)有新的應(yīng)用。

基于MEMS及納米陣列氣體傳感器的人工嗅覺系統(tǒng)

蘇州慧聞納米科技有限公司董事長兼首席科學(xué)家孫旭輝

我們叫慧聞，也就是有智慧的去聞，智慧傳感器較高級(jí)別就是做人工嗅覺或者叫電子鼻，我們希望在人工嗅覺方面能夠做一些工作，真正實(shí)現(xiàn)人工嗅覺應(yīng)用。

我們知道人的四大感官是視聽觸嗅，四個(gè)方面，其實(shí)視聽觸三個(gè)已經(jīng)有非常好的發(fā)展，而且有非常多的應(yīng)有了，但是在嗅覺這塊實(shí)際上一直沒有很好的應(yīng)用，這邊有一個(gè)1919年貝爾電話公司發(fā)明人貝爾說的一段話，就說你測(cè)量過氣味嗎，你能分辨出一個(gè)氣味剛好是另外一種氣味的兩倍強(qiáng)嗎？你能測(cè)量兩種氣味的不同之處嗎？這是非常明顯的，我們具有非常不同的氣味。

科技發(fā)展到現(xiàn)在了，我們還是沒有辦法定量氣味標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際缺乏一把去測(cè)量氣味的標(biāo)準(zhǔn)。較重要的就是硬件，你拿什么去測(cè)量？我們每一個(gè)人的鼻子是不一樣的，每一個(gè)人聞出來的味道可能會(huì)不太一樣，所以出來一個(gè)公共的標(biāo)準(zhǔn)，如何讓我們的機(jī)器具備嗅覺，我們現(xiàn)在提出一個(gè)解決方案，基于MEMS/納米傳感器陣列芯片+人工智能算法平臺(tái)讓機(jī)器具備嗅覺，它是什么原理呢？下面我跟大家簡單介紹一下。

做一個(gè)氣體傳感器，找不到一個(gè)有絕對(duì)選擇性的傳感器，我們經(jīng)常看到我們市面上做甲醛傳感器，可能它對(duì)甲醛的選擇性比較好，還有一個(gè)指標(biāo)是干擾器，很多其它的氣體也會(huì)讓它有響應(yīng)，只不過響應(yīng)低一點(diǎn)，在測(cè)量范圍內(nèi)響應(yīng)小一點(diǎn)。另外一個(gè)傳感器是氨氣，它的選擇性對(duì)氨氣好一點(diǎn)，但是還是找不到絕對(duì)性的傳感器。這是一個(gè)缺點(diǎn)，把這些傳感器放在一起的時(shí)候，這個(gè)缺點(diǎn)往往就變成了優(yōu)點(diǎn)，也就是我們把這些傳感器全部擺在一個(gè)陣列里，如果一個(gè)氣體進(jìn)入以后，每個(gè)傳感器都有一個(gè)響應(yīng)，那就不是一個(gè)傳感器在工作，這些響應(yīng)在一起就組成針對(duì)氣體或者氣味的特征響應(yīng)圖譜，這個(gè)圖譜通過后面的算法，提取特征，我們就可以得到氣體的氣味或者氣體的種類、濃度、強(qiáng)度。這是我們的基于陣列的簡單的原理或者模型。

我們?nèi)��?duì)比一下所謂的鼻子，就是我們的仿生學(xué)原理，為什么鼻子有嗅覺功能，主要是我們首先有一個(gè)嗅覺細(xì)胞，我們有不同的嗅覺細(xì)胞，細(xì)胞多少取決于嗅覺的靈敏度，狗的鼻子比人的要多大概1萬倍，就是這個(gè)嗅覺細(xì)胞，它比我們?nèi)说谋亲泳透�靈敏一些，對(duì)這些嗅覺細(xì)胞我們要做一個(gè)傳感器的陣列，陣列越多，越靈敏。嗅覺細(xì)胞上為什么有對(duì)氣體或者氣味敏感，主要是上面有嗅覺受體，就是我們的氣敏材料，我們放在不同的傳感器上進(jìn)行響應(yīng)。我們的嗅覺，所有的感官都是后天響應(yīng)或者是后天意識(shí)，就是你要先聞過這個(gè)氣味你才能夠識(shí)別，比如我們小時(shí)候，你的老師或者你的父母，在你第一次聞到蘋果的時(shí)候告訴你這是蘋果味道，如果第一次告訴你這是香蕉的話，那你后面可能還有糾錯(cuò)的過程。

傳感器要在不同濃度的氣體以及各種氣味進(jìn)行嗅覺形成。舉一個(gè)例子，比如玫瑰花香是五種不同的芳香氣體組成的，它會(huì)在四個(gè)傳感器上形成這么一個(gè)圖案，如果我把它記下來，碰到不一樣的，比如桂花香，我就不會(huì)識(shí)別，就不認(rèn)識(shí)，遇到類似的圖案，響應(yīng)圖案的時(shí)候就定義成玫瑰花香，這是簡單的仿生學(xué)，通過陣列形成嗅覺的方法或者原理。

什么樣的方法或者硬件可以做嗅覺或者陣列，這里面列舉了常見的嗅覺傳感器，人工嗅覺一定要傳感器是小體積的，陣列越多，體積越大，如果功耗高的話，排列的越多，總功耗會(huì)成倍的增加，而且它是廣譜，有特異性，如果傳感器對(duì)所有氣體都響應(yīng)，它的貢獻(xiàn)也是為零的，一定是廣譜而又有特意性的。

我們看一下常見的傳感器，常見的紅外光學(xué)傳感器，優(yōu)點(diǎn)是高靈敏度、高精度，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，成本高。催化燃燒可以檢測(cè)可然氣體，但是工作溫度高、功耗大。電化是高靈敏度、選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，但是環(huán)境干擾大，壽命較短。較常見的一種半導(dǎo)體傳感器，靈敏度高、廣譜、壽命長、成本低、結(jié)構(gòu)簡單，它的缺點(diǎn)就是選擇性差、工作溫度高、功耗大、精確度較差。

現(xiàn)在我們的解決方案是把傳統(tǒng)傳感器通過MEMS，通過納米技術(shù)，通過MEMS技術(shù)把它做小，做到低功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗的工作，從體積和功耗上都是大大縮小，可以形成陣列。在硬件方面，我們通過MEMS/納米氣體傳感器，可以實(shí)現(xiàn)硬件方面對(duì)人工嗅覺的要求。軟件方面相對(duì)成熟，其實(shí)軟件這塊不是人工嗅覺發(fā)展的主要因素，我們常見的模式識(shí)別和分類技術(shù)，統(tǒng)計(jì)技術(shù)有主成分分析法，層次聚類分析，主成分回歸。判別因子分析、組間方差分析，偏較小二乘法，軟獨(dú)立建模類比較和聚類算法等。人工智能技術(shù)，有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多層感知器等。軟件、軟件還有集成，系統(tǒng)集成我們可以看到。

氣體傳感器用于人工嗅覺來說，相對(duì)于物理類的溫度或者壓力的難度會(huì)更高一點(diǎn)，它主要涉及到化學(xué)和材料，涉及到氣體和材料跟傳統(tǒng)物理的加工，你可以在代工廠全部實(shí)現(xiàn)加工，在封測(cè)廠可以實(shí)現(xiàn)封裝和測(cè)量，但是氣體傳感器很難做到這兩步，所以做氣體傳感器一定要自己的生產(chǎn)加工線，后面還有測(cè)量、序列對(duì)傳感器的標(biāo)定，后面還有傳感模塊、通訊、軟件、算法，所以做人工嗅覺來說，如果要實(shí)現(xiàn)公司學(xué)科種類、人才的聚集，還是具有一定的挑戰(zhàn)性。所以人工嗅覺是目前很難找到真正可以應(yīng)用的產(chǎn)品，在這方面也是一種挑戰(zhàn)。

我們目前通過MEMS，可以在傳感器上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制備工藝，可以做到小于10mW，通過脈沖可以降低到1個(gè)mW功耗，實(shí)現(xiàn)針對(duì)單一氣體傳感器的開發(fā)，比如甲醛、一氧化碳、甲烷這些氣體，而且我們把這些氣體做成陣列之后，通過數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別氣體和氣味，再加上藍(lán)牙、NB這種低功耗的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，我們可以建立低功耗的氣體檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這是我們現(xiàn)在已經(jīng)做的工作。

對(duì)于人工嗅覺的市場(chǎng)來說，我們看到的是傳統(tǒng)的氣體傳感器應(yīng)用市場(chǎng)，主要在工業(yè)、安全、環(huán)境檢測(cè)、公共安全。氣體傳感器跟其它傳感器一樣，在低功耗、小型化和智能化發(fā)展結(jié)果下，它可以用到增量市場(chǎng)，比如智能家居、家電、品質(zhì)檢測(cè)和醫(yī)療方面，通過氣體跟蹤健康或者做早期的疾病診斷，這方面的研究在國外已經(jīng)有非常多了。

對(duì)于我們公司來說，我們是針對(duì)常見的工業(yè)安全，針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的，做成可穿戴的，在工業(yè)安全，比如說智能化工業(yè)園區(qū)，還有倉儲(chǔ)，化工品的倉儲(chǔ)運(yùn)輸過程，包括食品加工的過程，做一些物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。對(duì)于消費(fèi)類的主要是和一些家電廠商合作，比如說在安全領(lǐng)域，在廚房做燃?xì)庠睢⒖扇細(xì)怏w、一氧化碳?xì)怏w監(jiān)控，還有冰箱里面對(duì)食物保鮮的應(yīng)用，還有健康領(lǐng)域的一些應(yīng)用、慢性病的管理、疾病診斷，這些是未來發(fā)展的趨勢(shì)。后面舉幾個(gè)簡單的例子，一個(gè)是從易到難，先用幾個(gè)傳感器來做一些常見的應(yīng)用場(chǎng)景，比如說廚房里面的燃?xì)庑孤叮�目前產(chǎn)品針對(duì)燃?xì)庑孤叮�有一氧化碳，很多家庭為什么不愿意裝，就是它會(huì)誤報(bào)。比如中國人炒菜加調(diào)料會(huì)讓它誤報(bào)。我們加上陣列，提高它的水平和抗干擾能力，我們的傳感器不止一顆，我們的封裝里面是1×1毫米的封裝，不止一個(gè)傳感器，可以做各種抗干擾。所以在這個(gè)模塊，不僅僅可以報(bào)警，還可以跟常見的熱水器、燃?xì)庠盥?lián)動(dòng)，有泄露的話，立刻可以把燃?xì)庠铌P(guān)掉。常見的誤報(bào)現(xiàn)象，在這種情景下就很難了，只有非常好的選擇性的時(shí)候，它才有后續(xù)的動(dòng)作，這是我們目前在做的模塊。

另外一個(gè)例子是在食品加工過程，這是一個(gè)炒茶的，10月初我們跟福建做鐵觀音茶廠合作，我們知道以前的炒茶全是靠老師傅去聞的，茶葉的好壞和質(zhì)量，在搖清的過程中香味被搖走了。現(xiàn)在隨著年輕人對(duì)炒茶工藝越來越感興趣，而且茶的制作周期非常短，也就一個(gè)月時(shí)間，如果這個(gè)月老師傅生病了或者感冒了，他的鼻子不靈了，整個(gè)茶廠這一年的收成就會(huì)受到很大的影響，急迫需要標(biāo)準(zhǔn)或者一個(gè)傳感器來幫他，需要一個(gè)人工嗅覺幫他解決這個(gè)問題。我們就把這個(gè)放到邊上，找到一個(gè)特征，我們把特征記下來，后面讓機(jī)器代替師傅炒茶，也非常成功地炒出質(zhì)量非常好的茶葉。另外一個(gè)應(yīng)用就是冰箱里面的果蔬，腐敗的預(yù)警系統(tǒng)，常見的疏果放在冰箱里面，什么時(shí)候可以吃，它的儲(chǔ)存時(shí)間我們是不太清楚的，等我們打開冰箱，發(fā)現(xiàn)有很多忘了或者已經(jīng)蔫了、腐敗了。這個(gè)時(shí)候，冰箱里需要這么一個(gè)果蔬新鮮度的判斷系統(tǒng)。我們通過電子鼻可以分出不同的果蔬種類，它的腐敗和新鮮的圖譜是不一樣的，特征不一樣，我們通過訓(xùn)練以后，就可以做冰箱的應(yīng)用。目前果蔬種類非常多，在這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下還很難去區(qū)別所有的果蔬腐敗新鮮，那目前至少可以做到異味，就是你有一點(diǎn)點(diǎn)異味的時(shí)候，人的鼻子還沒有聞到的時(shí)候，它就提醒冰箱可以開你的紫外線或者負(fù)離子殺菌也好，把這些異味消除。

另外是小體積，低功耗，用于手機(jī)里面的應(yīng)用，把我們的傳感器系統(tǒng)通過手機(jī)方案商做到手機(jī)里面，這里真正可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)的應(yīng)用。這里有一個(gè)視頻，里面有一個(gè)APP，打開APP，就可以監(jiān)測(cè)溫濕度、氣體情況，這些氣體是可以選擇的，感興趣的可以裝，整個(gè)傳感器裝在后面。現(xiàn)在有一個(gè)是研究酒，先讓它在數(shù)據(jù)庫里面把二鍋頭聞一下，你從后面拿一個(gè)二鍋頭出來，它可以聞到酒精度是多少，這是自動(dòng)告訴你，而不是說你要點(diǎn)擊我要測(cè)什么。這是我們做的智能氣體傳感器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過NB-IoT、LoRa的物聯(lián)網(wǎng)氣體檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)管道里的氣體環(huán)境泄露，通過監(jiān)控平臺(tái)可以看到整個(gè)地下管廊的氣體環(huán)境情況。

較后介紹一下，我們公司主要做三個(gè)方面，一個(gè)是智能家居、移動(dòng)穿戴，還有醫(yī)療檢測(cè)。我們希望在醫(yī)療健康中，通過我們的人工訓(xùn)練系統(tǒng)能夠監(jiān)控我們的健康和實(shí)現(xiàn)一些疾病的早期診斷。我們公司口號(hào)是智慧感知，健康生活。我經(jīng)常說一句話，我們就做一件事，就是做呼吸，我們保證呼吸的氣體是健康的，根據(jù)我們呼出的氣體跟蹤我們的健康狀況，如果有疾病的話，進(jìn)行早期的預(yù)防和診斷。

壓力傳感器與久好電子的調(diào)理芯片

北京久好電子董事長劉衛(wèi)東

傳感器無非就是用在汽車、可穿戴、千億物聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)，給我們提供了廣闊的應(yīng)用平臺(tái)，我接觸的是壓力傳感器，包括汽車所使用的一部分的壓力傳感器，像進(jìn)氣歧管、機(jī)油壓力、變速箱壓力等等。我們國內(nèi)壓力傳感器企業(yè)在做的產(chǎn)品雖然規(guī)模比較小，但是他們?cè)诟�全世界較大的壟斷公司做競爭。2013年2014年調(diào)查壓力傳感器市場(chǎng)時(shí)，蚌埠做汽車壓力傳感器的公司不多，但是做工業(yè)應(yīng)用的壓力傳感器廠家，從百度上一搜，可能全國所有城市里，蚌埠是壓力傳感器數(shù)量較多的一個(gè)城市，但是我們這五年下來，哪一個(gè)城市芯片的發(fā)貨量大，是無錫，無錫跑前面去了，可能是溫總理建設(shè)無錫物聯(lián)網(wǎng)城市推動(dòng)了他的發(fā)展。

我們60后出生的，大家都記得家家戶戶有一個(gè)打氣筒，現(xiàn)在完全用壓力傳感器做成智能控制的打氣泵，插到汽車上，加點(diǎn)煙器就可以為汽車打氣，將來的鞋墊甚至床都可能加上壓力傳感器，來感知這么一個(gè)情況。充油壓力芯體是國內(nèi)做壓力傳感器比較多的一個(gè)結(jié)構(gòu)。還有一類叫陶瓷電容壓力傳感器，陶瓷電容壓力傳感器它有抗腐蝕、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在空調(diào)、機(jī)油、抗腐蝕這些環(huán)節(jié)有獨(dú)到的應(yīng)用。說起陶瓷壓力傳感器，世界老大是森薩塔，占據(jù)全球70%的份額，一年有3億支的生產(chǎn)。

壓力傳感器的種類分三類，不含諧振式，大部分是電容式和電阻式的，國內(nèi)做電阻式的廠家和品種非常多，做電容式的相對(duì)數(shù)量小一點(diǎn)。但是陶瓷壓力傳感器每年的出貨量，電容陶瓷壓力壓力傳感器廠商少，但是出貨量非常大。電阻式陶瓷壓力傳感器廠商非常多，我們接觸的有幾十家，但是出貨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如陶瓷電容。

國際高度壟斷、規(guī)模巨大，有很多中外合資廠，都是一些老品牌大品牌，產(chǎn)業(yè)鏈完整。國內(nèi)廠家數(shù)量多（螞蟻雄兵），規(guī)模小，民營廠多，品牌效應(yīng)在逐步形成，希望我們國內(nèi)的傳感器廠家在以后能夠取得更大的成就。

國內(nèi)比較典型的壓力傳感器知名品牌一個(gè)是博世，分工業(yè)汽車用和消費(fèi)類用的兩大類，每年幾十億只傳感器，在上海生產(chǎn)進(jìn)氣歧管就有4000萬只。國內(nèi)國際壓力傳感器的廠商，里面有兩個(gè)非常非常關(guān)鍵的芯片，一個(gè)是Sensor，一個(gè)是ASIC，德國的博世全都是自己的品牌，自己去做。TE也有一部分自己做，一部分外購。森薩塔，Sensor大部分自己做，SASC有外購。國內(nèi)的情況，Sensor外購，ASIC也外購。傳感器的全球市場(chǎng)巨大，調(diào)理芯片每年新增量巨大，幾十年前就非常大，現(xiàn)在每年新增量也還是非常大。

久好電子這五六年來在做芯片：公司成立以來做的第一款芯片面向工業(yè)和汽車，是把Sensor模擬出來的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，做處理，做補(bǔ)償算法、DSP輸出，這個(gè)芯片是一個(gè)低成本的創(chuàng)新。當(dāng)我們這個(gè)芯片出來以后，國外的大廠在研究我們的芯片。總的來說，我們的成本都是他們成本的一半以下。我們這個(gè)芯片累計(jì)幾年下來全國出貨量1千萬只；韓國也有兩個(gè)客戶，我們的產(chǎn)品還買向美國，德國博世也有一部分。我們做的第二款芯片是面向手機(jī)、無人機(jī)的GHM1203芯片。2015年的時(shí)候，手機(jī)iPone 6出來以后，把氣壓傳感器加進(jìn)去，我們也具備這個(gè)技術(shù)，然后就和國內(nèi)一些廠家合作，他們重點(diǎn)去做MEMS，我們做調(diào)理芯片，當(dāng)時(shí)做出來了，指標(biāo)不低于博世的。它除了在手機(jī)上應(yīng)用，另外還有儀器、儀表各方面的應(yīng)用。

做了兩款電阻式的壓力傳感器，一個(gè)做工業(yè)，一個(gè)做汽車，第三款選了電容式的。我們認(rèn)為電容式的壓力傳感器也需要一款電容式的調(diào)理芯片，所以我們就把電容式的調(diào)理芯片做出來，沒想到的是跟我們合作過的好幾家到現(xiàn)在還沒想出來。后來我們這一款芯片給國內(nèi)做高精度的加速顆粒的電容測(cè)試，反饋效果還不錯(cuò)。從去年開始，突然我們發(fā)現(xiàn)國內(nèi)有做電容格的濕度傳感器，我們經(jīng)過標(biāo)定和補(bǔ)償以后，做出溫濕度傳感器，現(xiàn)在我們的客戶總出貨量超過1千萬個(gè)。還有第四款，我們天天盯著陶瓷電容傳感器市場(chǎng)，國內(nèi)一直沒有陶瓷生產(chǎn)電容壓力廠家的話，我們也一直不敢做，畢竟投資一個(gè)芯片下來估計(jì)得花一千萬左右。后來安徽一個(gè)企業(yè)家給給你介紹一個(gè)合作伙伴，他們專門做陶瓷電容壓力傳感器，我們把這個(gè)芯片就做成了，配合去干。這是我們久好電子的第四款調(diào)理芯片，用于汽車產(chǎn)品的JHM2102，功能特性可適應(yīng)不同容值的陶瓷電容傳感器，較大特點(diǎn)是使得生產(chǎn)簡化而達(dá)到低成本制造。

久好電子到現(xiàn)在五年多，有些新的體會(huì)給大家分享，做芯片不是一個(gè)非常容易的事，我們希望跟上下游的客戶抱團(tuán)取暖，國家領(lǐng)導(dǎo)人現(xiàn)在也重視了，提出傳感器一條龍。看了半天，我說沒有一條調(diào)理芯片，我們送了一本資料過去，領(lǐng)導(dǎo)一看，這個(gè)調(diào)理芯片SC應(yīng)該也是很關(guān)鍵的一款，我這幾年來看到國內(nèi)產(chǎn)業(yè)形勢(shì)的變化也感到非常高興。現(xiàn)在傳感器一條龍能把調(diào)理芯片也納入進(jìn)來。另外我們?cè)谫|(zhì)量、可靠性、穩(wěn)定性方面要做世界第一，武漢有一個(gè)客戶，他一年有四十幾萬支，以前是使用德國芯片，他做了對(duì)比，我們的穩(wěn)定性、可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過他們，他也很開心，我們也很開心。另外我們要在滿足國內(nèi)生產(chǎn)情況下生產(chǎn)的便利性，然后要降低成本，但是絕不降低性能。2013-2014年，我去跑溫州市場(chǎng)的時(shí)候，溫州市場(chǎng)做汽車的說低端市場(chǎng)，搞個(gè)放大器，搞個(gè)電阻電容，我們不要芯片，但是現(xiàn)在溫州的那些傳感器廠商都生產(chǎn)出來傳感器供應(yīng)全世界的汽車廠家，他們追求的性能、穩(wěn)定性、可靠性一點(diǎn)也不比其他地方的差。還有我們要不斷的與整機(jī)企業(yè)或傳感器企業(yè)溝通，共同的找出創(chuàng)新點(diǎn)，共同找出進(jìn)步點(diǎn)，因?yàn)槊磕昊蛎考径冗M(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)，我們才可能慢慢地去追上別人。較后一點(diǎn)，我們做芯片的，慢慢地要練成武林高手，選對(duì)方向，我們就做芯片設(shè)計(jì)，培養(yǎng)一個(gè)正向的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。我們要不斷前進(jìn)，較后才有可能變成武林大師。

我們做開發(fā)壓力傳感器調(diào)理芯片所需要的關(guān)鍵技術(shù)：一是高性能、低功耗數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，包括極低噪聲的放大器、各種不同的高精度、高速、低功耗ADC、DAC電路IP、低功耗的信號(hào)處理技術(shù)；二是對(duì)傳感器非線性、滿量程誤差及溫漂、靈敏度誤差及溫漂進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)校準(zhǔn)算法；三是低功耗的MCU技術(shù)及嵌入式軟件技術(shù)；四是針對(duì)傳感器、芯片、算法于一體的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

我們久好的目標(biāo)是，我們一幫清華的同事們要在一起干一點(diǎn)不是很容易的事，我們琢磨來琢磨去，說干傳感器，傳感器太復(fù)雜了，我們進(jìn)了一個(gè)高門檻。這條路高投入，回報(bào)周期長。好在我們這幾年抓住了物聯(lián)網(wǎng)傳感器的高增長期，所以我們踏踏實(shí)實(shí)的把我們的每一款芯片做好，我們慢一點(diǎn)沒關(guān)系，因?yàn)槲覀儺?dāng)時(shí)成立公司的時(shí)候說，我們做不了又快又好，但是我們爭取讓我們的芯片，讓我們的客戶用我們的芯片越久越好，所以我們起名子久好電子。現(xiàn)在比較欣慰的是早年用我們芯片的客戶，現(xiàn)在一年有100萬支壓力傳感器的出貨量，還有50萬支的，深圳、江蘇加起來有好幾家。同時(shí)現(xiàn)在也在積極尋求與國內(nèi)的整機(jī)企業(yè)進(jìn)行芯片聯(lián)合開發(fā)，隨著近幾年傳感器蓬勃發(fā)展，我們也說這是一個(gè)大好的時(shí)機(jī)。

磁傳感器芯片的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

東方微電科技武漢有限公司總經(jīng)理吳建得

我們公司是做磁傳感器，公司位于武漢，在光谷，今天跟大家簡單分享一下磁傳感器有關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還有我們的一些應(yīng)用。

我們公司是一家新公司，去年成立，但是我們做磁傳感器差不多有十來年的經(jīng)歷，這是我們團(tuán)隊(duì)做傳感器的歷程。我們?cè)?span lang="EN-US">2009年，在710所做傳感器，當(dāng)時(shí)有一條MEMS生產(chǎn)線，是重資產(chǎn)模式，現(xiàn)在采用的模式是輕資產(chǎn)模式，另外兩位合伙人主要是西安電子科技大學(xué)的，他們也是有十幾年的做傳感器芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。此外，還有做軟件開發(fā)和算法的核心骨干，我們的項(xiàng)目得到了都院士、王院士的大體支持，過去十年間也是長期跟蹤我們項(xiàng)目的發(fā)展。

簡單介紹一下磁傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)，磁場(chǎng)無處不在，地球是有磁場(chǎng)的，所以我們簡稱地球的磁場(chǎng)可以做成磁羅盤，較典型的應(yīng)用，每個(gè)人的手機(jī)上有一個(gè)指南指北的小器件，這個(gè)器件就是感應(yīng)磁場(chǎng)的一種傳感器。另外在汽車上，方向盤轉(zhuǎn)角，方向盤轉(zhuǎn)角下面鑲嵌著一塊磁鐵，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候磁場(chǎng)是在發(fā)生變化的，檢測(cè)磁場(chǎng)的變化就可以推斷出來方向盤轉(zhuǎn)角的角度。另外在無人機(jī)和機(jī)器人上，磁傳感器也是應(yīng)用的比較多。工業(yè)上主要用在工業(yè)氣缸，用來測(cè)量活塞形成。此外在家用的水汽表里面，其中有超聲波水表，還有磁感應(yīng)水表，水表里面也是鑲嵌著有一塊磁鐵，磁鐵在轉(zhuǎn)，當(dāng)水流動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)磁場(chǎng)是在發(fā)生變化的，目前國內(nèi)的水汽表里面大部分用的感應(yīng)器件是日本的。此外還有電流，因?yàn)橛袑?dǎo)線，有產(chǎn)生電流的地方就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)。較后一項(xiàng)是一個(gè)榴彈炮，這是在軍工上的應(yīng)用，用做引線和姿態(tài)修整場(chǎng)景。

磁傳感器主要是被美國、日本、歐洲、德國這些國家壟斷，中國現(xiàn)在有四到五家公司在做，也都是創(chuàng)業(yè)公司，包括杭州容磁等，都是做磁場(chǎng)感應(yīng)器件，目前整個(gè)中國企業(yè)在全球份額里現(xiàn)在連1%還不到。

我們公司做的一款感應(yīng)弱磁場(chǎng)器件，除了搭載磁場(chǎng)傳感器，還有信號(hào)調(diào)理芯片。這個(gè)信號(hào)調(diào)理信號(hào)是團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的，我們團(tuán)隊(duì)有兩個(gè)股東本身是做信號(hào)調(diào)理芯片，和磁傳感器配套的。

除了做芯片這些基礎(chǔ)性的東西，我們也開發(fā)模塊級(jí)的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品雖然做的公司稍微多一點(diǎn)，但站在我們做公司的角度，能夠快速地生產(chǎn)產(chǎn)品，快速地導(dǎo)入客戶，所以我們做了一些模組產(chǎn)品。這個(gè)姿態(tài)傳感器模塊可測(cè)一個(gè)物體的傾斜、俯仰，用在水下裝備、橋梁檢測(cè)還有一些路燈燈桿檢測(cè)場(chǎng)景。

這是數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，跟傳感沒有太多關(guān)系，不過也是我們公司的收入來源之一。

我們做的應(yīng)用產(chǎn)品有醫(yī)院用的核磁，一個(gè)鐵磁物質(zhì)的報(bào)警系統(tǒng)，跟我們?cè)跈C(jī)場(chǎng)的安檢系統(tǒng)不太一樣，那個(gè)系統(tǒng)可以檢測(cè)銅鋁，我們是只檢測(cè)鐵磁物質(zhì)，因?yàn)樽龊舜殴舱竦臅r(shí)候，只有鐵的物質(zhì)才會(huì)對(duì)核磁的設(shè)備造成一定的干擾。這個(gè)系統(tǒng)里面我們用的傳感器探頭是自主研發(fā)的，里面核心的算法也是我們自主研發(fā)的。它的關(guān)鍵兩個(gè)技術(shù)，一個(gè)就是磁傳感器探頭，另外一個(gè)技術(shù)就是整個(gè)報(bào)警有一些邏輯，就是一些算法邏輯。我們的核心團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)包括，包括器件制備、調(diào)理芯片技術(shù)、模塊算法。

我們公司過去這些年積累的一些客戶現(xiàn)在還和我們有合作，包括兵器所，有西安的兄弟單位，他們跟我們都是合作的關(guān)系。我們后面的發(fā)展展望，現(xiàn)在前期獲得了光谷的一些投資，后面我們期望通過銷售產(chǎn)品，然后把公司進(jìn)一步做強(qiáng)做大。

MEMS針尖技術(shù)在納米指導(dǎo)和測(cè)量中的應(yīng)用

百及納米科技（上海）有限公司周向前博士

我希望也給大家增添一些新的應(yīng)用場(chǎng)景，MEMS技術(shù)本身非常廣泛，但是大家都看到，現(xiàn)在所有的技術(shù)背景實(shí)際上是基于微米技術(shù)，基本上沒有進(jìn)入到納米技術(shù)，現(xiàn)在我們的芯片工業(yè)談的是7納米技術(shù)，7納米以下技術(shù)，5納米技術(shù)。反過來說，到了幾個(gè)納米技術(shù)，它會(huì)給我們帶來什么樣的場(chǎng)景，或者說現(xiàn)在尖端的制造工業(yè)需要什么樣的一些技術(shù)裝備，我們這里通過針尖技術(shù)來實(shí)現(xiàn)幾個(gè)納米精度的一些測(cè)量和制造應(yīng)用。

我們團(tuán)隊(duì)其實(shí)是一個(gè)綜合性的團(tuán)隊(duì)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)有德國的朗格諾教授，有我，還有杜川博士和豪爾茲博士，由于大家對(duì)中國的情懷，還有德國伙伴對(duì)中國的情懷，所以大家都覺得要落戶在中國，我們現(xiàn)在第一步選擇在上海。

為什么這么一個(gè)中德合作的團(tuán)隊(duì)落戶在中國是有意義呢，我還是要引用朗格諾教授的一段話，他說世界的和諧是要有一個(gè)平衡的，過去是美國和蘇聯(lián)的平衡，所以大家得以安寧，目前情況下，美國的單體力量非常強(qiáng)大，世界就失去了平衡，所以他非常愿意幫助中國來建立一個(gè)中美平衡的新的世界。我覺得在這個(gè)政治理念下，我們有非常大的共性，也就是說我們?cè)谧黾夹g(shù)研發(fā)角度和銷售的角度來說，我們面對(duì)的也是中德合作基礎(chǔ)上的這么一種合作，也是面對(duì)的是國際市場(chǎng)，因?yàn)槲覀兡壳八�有的技術(shù)，大部分情況可能還是國際市場(chǎng)。

中德合作有一個(gè)特點(diǎn)，大家一談到工業(yè)4.0，這是德國人先提出的概念，我要講一講，現(xiàn)在德國有兩個(gè)幽靈在徘徊，工業(yè)4.0大家都知道，另外一個(gè)就是量子科技革命，量子科技革命一上來，就談到的是量子宣言，如果大家說起宣言，就想起共產(chǎn)黨宣言，如果你要看比例，在工業(yè)4.0，當(dāng)時(shí)德國聯(lián)邦政府投入1億歐元的進(jìn)行研發(fā)性的導(dǎo)入，而量子科技革命一投入就10個(gè)億歐元，也就說這兩個(gè)比較重要的戰(zhàn)略格局，中國是有所對(duì)應(yīng)的，一個(gè)是中國制造2025，導(dǎo)致中美貿(mào)易戰(zhàn)中提到了這個(gè)問題。還有量子科技革命的問題。但是所有這些東西都是需要硬件來實(shí)現(xiàn)的，硬件是什么，實(shí)際上這個(gè)硬件都是納米技術(shù)，甚至是幾個(gè)納米的技術(shù)。

集成電路大家都知道，目前基本上是別人卡我們脖子，我們沒法去卡別人脖子，為什么呢，大量的關(guān)鍵技術(shù)、核心技術(shù)都在國外，中國要去起步追趕，我覺得很重要的一個(gè)是要有原創(chuàng)性，要有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這一點(diǎn)來講，像今天早上院士們提的，要強(qiáng)調(diào)技術(shù)研究。

我覺得從尖端技術(shù)這一塊來說，我們要涉及到的芯片制造、量子計(jì)算、傳感技術(shù)，這些都是在微納技術(shù)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術(shù)，他的技術(shù)的下一步要用到我們的技術(shù)。

我們現(xiàn)在的切入點(diǎn)在哪里？我是用一個(gè)主動(dòng)針尖的做法，這個(gè)做法就是用MEMS的做法，用MEMS做出針尖，當(dāng)然這個(gè)針尖有很多種，具體的制造過程我這里不詳細(xì)介紹了，它的性能我覺得是可以介紹的，這個(gè)性能在于我們的針尖由原來的比較寬的幾個(gè)微米、幾十個(gè)微米，一針一針縮，縮到了幾個(gè)微米的數(shù)量級(jí)，中間的頭已經(jīng)到了幾個(gè)納米，它的特點(diǎn)是振頻高，這就帶來了很多的應(yīng)用，比如測(cè)量和制造。

我這里舉幾個(gè)例子，核心的應(yīng)用簡單的說第一個(gè)是做測(cè)量，就是做表征。第二個(gè)是怎么樣進(jìn)行材料、器件的表面分析，這個(gè)分析不僅僅是一個(gè)形貌，三維的形貌，更重要的是其它的物理信息和化學(xué)信息可以提取。緊接著可以提取的是可以用針尖做制造。

我主要把重點(diǎn)放在應(yīng)用場(chǎng)景的介紹，所有這些應(yīng)用場(chǎng)景的介紹，我們都有相應(yīng)的產(chǎn)品，其實(shí)就像我跟214所領(lǐng)導(dǎo)說的，包括做建模和MEMS的時(shí)候都需要很高精度的測(cè)量。

應(yīng)用場(chǎng)景一：微納米高速測(cè)量解決方案。我們的特點(diǎn)在什么地方呢，我覺得現(xiàn)在已經(jīng)不是做基礎(chǔ)研究的時(shí)候了，現(xiàn)在是做實(shí)驗(yàn)室流程性的測(cè)量和工業(yè)化測(cè)量，工業(yè)化的測(cè)量遇到什么問題，實(shí)驗(yàn)室里面非常簡便的測(cè)量遇到什么問題。遇到的問題是，我們?nèi)绻�還是用激光反射式的針尖做原子力顯微鏡的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)東西不太好用，我們用主動(dòng)針尖來做的話，我是根本不要調(diào)試的，直接就可以測(cè)。在展覽會(huì)上，大家看這個(gè)系統(tǒng)怎么回事，拿來以后，這么小就可以用，我說我用了8英寸的晶圓在上面，按照指定的程序直接可以測(cè)，測(cè)完了以后，進(jìn)針和換針非常快，一般300秒，我們30秒就能全部測(cè)完。

首先講到這個(gè)里面的精度，精度可測(cè)到原子極，可以看到原子極的石墨表面原子分布圖形。二是可以看到原子臺(tái)階，意味著當(dāng)精度非常高的時(shí)候，我們可以測(cè)同類的產(chǎn)品。我們不僅可以涉及到同類產(chǎn)品的測(cè)法，我們的針尖特別長，普通原子力針尖由于其長度不夠，無法對(duì)微米級(jí)深度和寬度的孔洞實(shí)行三維形貌測(cè)量，百及納米科技的特種長針尖是為測(cè)量微米級(jí)深的溝槽提供解決方案，并提供底部導(dǎo)電性能，滿足行業(yè)需求空白。

多針尖并行陣列技術(shù)，多針尖并行陣列技術(shù)是利用多個(gè)并行排列的、可單獨(dú)操控的針尖同時(shí)進(jìn)行工作，顯著提高對(duì)微納結(jié)構(gòu)表征的范圍和速度。跨尺度微納米結(jié)構(gòu)的高效可靠表征測(cè)量提供全新解決方案和核心裝備。我們落地在上海，很重要的就是把多針尖并行陣列技術(shù)在中國做出來。

這里有一個(gè)四針尖技術(shù)，做四幅圖，把這四幅圖一拼，就是四倍速，這個(gè)做法不僅僅是針對(duì)現(xiàn)在的并行做法，用在芯片工業(yè)、顯示屏工業(yè)，材料顯示也可以做。

我給大家舉一個(gè)例子，這是一個(gè)EUV的模板，高度60nm，成像面積為50um×130um，現(xiàn)在SMN在測(cè)量的時(shí)候所謂模板的測(cè)量，就是用我們?cè)�子力針尖測(cè)量，必須具備納米級(jí)的工藝。這不是我們一家說的，包括我們的競爭對(duì)手，戰(zhàn)略伙伴也在說，現(xiàn)在國際較大的儀器公司也受芯片公司委托，較后和我們合作，因?yàn)槲覀冇卸噌樇饧夹g(shù)。

應(yīng)用場(chǎng)景二：單納米針尖光刻技術(shù)。我們的系統(tǒng)可以做到1到2個(gè)納米，具體的做法很簡單，這就是一臺(tái)較小的電束光刻機(jī)，我用這個(gè)針尖進(jìn)行電子發(fā)射，在針尖的頂端，曲力是非常高的，很容易進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射，這就是較小的場(chǎng)發(fā)射電磁光刻機(jī)。我現(xiàn)在用的膠可以是球形的小分子膠，可以刻到幾納米的線和結(jié)構(gòu)，但是如果做一個(gè)比較大的分子，也可以用電束光或PMA來做，拓寬了大家目前的工作范圍。非常重要的是這里面有很多優(yōu)點(diǎn)，包括無鄰近效應(yīng)，很小的，可以忽略不計(jì)的。

舉個(gè)例子，我要做結(jié)構(gòu)，做等離子晶圓結(jié)構(gòu)，還是Fin FET，包括量子氣墊的時(shí)候，也可以用針尖光刻來做，尺寸很大，不過我的速度比較慢，所以要把前面的并行做法結(jié)合到光刻技術(shù)里面來。

我們現(xiàn)在做出來的1.8nm的室溫單電子晶體管，這也是較近的新聞，這個(gè)單電子晶體管特性也測(cè)出來了，從加工制造角度，我們和科學(xué)家們、企業(yè)家們進(jìn)行合作，這些都是現(xiàn)成的產(chǎn)品。

應(yīng)用場(chǎng)景三：離子注入的解決方案。離子注入在MEMS工藝上也是常規(guī)的工藝，問題是我們要做一個(gè)非常小的、具有量子效應(yīng)的器件的時(shí)候，摻雜濃度的均勻性隨著器件特征尺寸的見效而逐漸需要，目前已經(jīng)接近到了必須定已幾個(gè)離子注入的程度。要做成這樣的樣子，那就意味這我們離子注入的空間定位精度要到幾個(gè)納米，這個(gè)怎么定位。還有離子注入的束流原則上是不可控的，發(fā)射的時(shí)候是有偏移的，注入100萬個(gè)離子的時(shí)候有千份之一的偏移，注入10個(gè)粒子就有3.3%的偏移，那就沒法做了，這就需要我們單離子注入。

單離子就需要非常稀薄的離子，需要你的針尖，大家可以看到下面是針尖穿孔的，這么小的穿好孔以后，用針尖找到位置，我可以做到找到非常精確的定位，沒有什么制作的方法比用我的針尖，用原子力找針尖的位置較好了，因?yàn)槲乙�是做到原子�?jí)的。這個(gè)情況下，用單離子的時(shí)候可以非常準(zhǔn)確地打到我想要的地方，而且可以加上離子閘門，一旦離子進(jìn)去以后必然會(huì)發(fā)生二次電子，我們可以捕捉，加一個(gè)電子閘門，加一個(gè)橫向電閘，可以把后面的離子全部捕捉。

這里就講到了杜江峰正在做的工作，接下來要做什么，他們現(xiàn)在做的是離子太多，不可能做到精確的單分子操縱，怎么辦，要用我們的系統(tǒng)去打。我們現(xiàn)在已經(jīng)跟中國科技大學(xué)聯(lián)系合作，包括物理所在做，現(xiàn)在好多所在做，包括杜江峰院士的所。我們要用單個(gè)原子，原子電子學(xué)的原理。做電子器件耦合，在量子范圍內(nèi)怎么樣把自旋利用好，以致于做到非常大量的儲(chǔ)存和運(yùn)算的量，這里面很重要的是做兩個(gè)離子，這兩個(gè)離子的間距是50納米，0.05微米，而且需要非常精確的控制在這個(gè)范圍之內(nèi)，使它們進(jìn)行耦合。

怎么做到？這就是我們較近發(fā)明的專利，這個(gè)專利是什么呢，大家都知道，在固體表面，如果離子打下去以后會(huì)產(chǎn)生較大的散射，這個(gè)散射會(huì)導(dǎo)致一個(gè)離子不知道跑哪去了，所以我們必須要用我的針尖來尋找一個(gè)位置，這個(gè)位置是有通道效應(yīng)的，以致于我打下去沒有散射。這是多離子工作，這是我們計(jì)算機(jī)模擬出來的，模擬出來的你可以看到，一旦用了我們的技術(shù)，離子定位是非常精準(zhǔn)的，這個(gè)專利本身是四個(gè)人發(fā)明的，一個(gè)是德國發(fā)明的，我算中國，還有一個(gè)美國教授，一個(gè)加拿大教授，較終經(jīng)過大家說服工作，同意把這個(gè)專利放在中國，專利的擁有人是中國的公司，大家一起來合作。這個(gè)我覺得不僅有了政治上的意義，更重要的是打開了進(jìn)入單離子合作的量子器件的很重要的手段，所以我覺得這個(gè)是離子作為應(yīng)用場(chǎng)景。這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景跟MEMS尺寸不太相配，但是總有一天，我覺得會(huì)把這種納米級(jí)的器件特點(diǎn)、物理特點(diǎn)，和現(xiàn)有的MEMS一些特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，我覺得我們可以探討這一類的事。

應(yīng)用場(chǎng)景四：新型氣體流量傳感器。大家講了溫度、紅外，還沒有講流量，流量也很簡單，當(dāng)一個(gè)針，放在流量通道的時(shí)候，這個(gè)流量器受到一定的壓力，這個(gè)壓力會(huì)感知到，某種意義上也是一個(gè)壓力器。但是當(dāng)我們用針尖來做的時(shí)候，跟一般壓力區(qū)別在什么地方，它特別敏感，敏感到什么程度，能感受7個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)量范圍，而不要換任何東西，而且微型化了以后，非常小。測(cè)壓力、質(zhì)量、濃度，都是可以通過針尖得到的。

還有量程非常大，量程非常大有什么好處？量程大了以后，我在選擇流量級(jí)的時(shí)候不要考慮，反正什么場(chǎng)景，傻瓜式的我都可以用，傻瓜式用這個(gè)流量級(jí)的時(shí)候，各種場(chǎng)景都可以用，那我就有非常大的量，有非常大的量，自然性價(jià)比是較好的。當(dāng)然還有一些精度，包括線性度、響應(yīng)時(shí)間也不差。

非常快的量程范圍是應(yīng)用場(chǎng)景中間特別重要的因素，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，這么大的量程范圍和這么高的性價(jià)比，就使得這種針尖的使用在這種場(chǎng)景上是有特點(diǎn)的。

我覺得用MEMS技術(shù)制作針尖，這里面有一些訣竅，較后的應(yīng)用場(chǎng)景這么廣泛，我認(rèn)為也是可想而知的，因?yàn)閷?shí)際上這種精度、靈敏度，就像用原子鏡顯微鏡可以測(cè)到原子力，不是殺雞用牛刀，而是正好可以把這個(gè)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來。單納米技術(shù)的內(nèi)容如果跟現(xiàn)有其他技術(shù)結(jié)合，我相信還會(huì)有更多的應(yīng)用場(chǎng)景。