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物联网时代的传感器和材料创新

发布时间:2018-12-16 01:06:08 文章来源:未来智讯    
    物联网时代的传感器和材料创新作者:未知   摘要:探讨了传感器在物联网时代的重要性,以及如何发展我国的传感器/MEMS传感器及材料。   关键词:物联网;传感器;MEMS;研发平台
  DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.006
  传感器是物联网的重要基石
  信息技能履历了三个发展阶段(图1)。如今中国的通信技能发展很快,希望下一步是智能社会的时代。智能社会便是要把物包括进来,即物联网(LoT)。所以在这个领域,传感器菲常重要。所以半导体下一个创新的领域之一,是摩尔定律如何创新,其中包含传感器。
  当然半导体在物联网中是一个对照小的领域,然而很重要,它位于最底部,支撑起整个物联网系统应用的大家当。据预测,与物联网相关的半导体硬件在2020年大约有300亿美元,其中传感器在150亿美元左右。
  传感器只管小,然而应用菲常广。最典型的便是在上世纪七八年代的汽车应用,那时因为汽车的门槛较高,另一方面我国汽车工业发展没那么迅速,所以汽车里面的分立元器件,尤其是传感器对照少。今天回过头来我们整理发现,汽车里有大量的传感器(图2),尤其如今ADAS(高级辅助驾驶系统)需要很多各种各样的传感器。如今各位对照熟悉的一个领域是智能终端/智能手机。由于智能终端的出现,传感器的需求呈爆发性增长。再有,我们迎来了巨大的物联网家当。物联网家当的先头兵――可穿戴设备,例如智能手环能够测量你的健康参数等。具体到巨大的物联网时代实现万物互联、市场机会更大。
  智能手机一代代发展,其MEMS传感器是不时增加的。MEMS传感器最初是由大的外国手机品牌推动起来,今天中国的手机厂商实力越来越雄厚,他们智能手机中的有些传感器甚至是领先于国外大厂商的。
  中国在MEMS市场里的一类份额如图3所示。深蓝色局部是中国手机厂商。过去一段时间里、主要是三星、苹果主导、然而从2011年起初,中国的手机厂商占MEMS传感器市场份额不时增加,从2011年的9%,到2012年17%,2013年21%,2014年的23%,2015年30%.相信随着时间的推移,下一步份额还会更高。
  反过来说,我们的传感器需要创新,来推动智能手机更加智能化,最后实现物联网时代的智能化。
  国内MEMS研发平台概况
  在中国的MEMS生态系统还不是菲常健全。中国有个特点,越往后端越发达。上海微技能工业研讨院(SITRl)处于中间的开发链条,能够作为研发到产品之间的工程化、家当化的桥梁。SITRI过去在MEMS方面做了30年,做得对照系统。国内MEMS实验室主要有三个:清华、北大和SITRI。MEMS设计公司(fabless)不少,目前集中在长三角,中国的其他区域也相当多,这些设计公司规模还对照小,往往没有选取相当大型的企业研发平台在开展事务,然而真正需要把它规模化、量产化需要一个对照好的平台。
  目前在中国有几个MEMS研发平台,一家在苏州,规模较大,刚起初未几,有一定的测试和封装的能力;无锡有一家测试平台。在上海,上海政府支持上海微技能工业研讨院(SITRI)建立一条8英寸的完整MEMS研发供给线,这条线一旦建成以后,可为设计公司和代工场(foundry)提供有力的研发支撑。
  实际上,美国也存在科研转化为产品的问题。从2014年至今,美国已建6个先进研讨院。所谓的“死亡之谷”、“缺失的贝尔实验室”、“家当工地”,从技能上看,图4左侧是研讨所、大学,右边是家当界,需要中间的开发(development)桥梁。因为美国企业的研发能力对照强,然而奥巴马认为,美国仍然存在这个问题,需要把中间的鸿沟填补起来,这是SITRI等中国很多研讨院的使命。
  因为技能有一个成熟度,在技能研讨阶段,需要表明这个技能可行性,属于前期,这是研讨所、大学的事。然而要把它形成一个最后的产品,包括技能的中试,包括一些子系统的实验,都是处于中间阶段。最后企业把它形成产品、推向市场。SITRI有8英寸的研发中试线,包括MEMS、硅光子等等,设备较为齐全。同时后端有合作朋友 华虹宏力的生产线对接。
  SITRI作为家当之间的桥梁,投入了很多工业联盟,同时也在上海嘉定建立了“物联网芯片家当园”,作为推动传感器、微能源、物联网的一个基础。
  在传感器领域,在上世纪70年代,汽车领域这波浪潮我们基本没遇上。到了2006、2007年的智能手机时代,手机里的分立元器件(传感器、核心器件)浪潮也没遇上。我们希望在物联网大潮里、中国的与传感器相关的芯片能够“More than Moore(超越摩尔定律)”。
  材料
  做MEMS要做材料,SOI(绝缘层上硅)是做MEMS传感器衬底一种选择,好处是结构对照大略。SOI材料不但仅是在MEMS市场用,另外在RF(射频)上用处很大,能够用于手机的射频前端。传统的GaAs(砷化镓)也做了一些射频元器件,比如开关,如今射频前端的SOI(新材料)占了很大的比率。我们正好也遇上了这一波,一方面本身是手机发展、量大、再一个手机里的SOI取代砷化镓,如果在物联网中,这个需求量更大。因此我们面临了相当好的机遇,我们的材料在这方面有相当好的前景。
  半导体的发展,到了20纳米以后,有两条发展路线:一个选取三维的FinFET,一个选取SOI-维结构。到今天,Intel等继续使用三维的晶体管结构,发展还不错。另一波人,包括IBM和ST等推动二维SOI结构。应该说这是个分水岭,中国,我认为如果走前一条,永远是跟随,不可能超越;然而如果走第二条路线,半导体体硅变化,中国有机会弯道超车。SOI芯片很重要的一点,过去这种夸大摩尔定律,以为平面CMOS到了尽头,其实不然,我们能够对照多地降低体硅CMOS制造的成本,我们能够用28纳米做22纳米的事,进一步降低成本,同时也会延长28纳米寿命。这对物联网的应用是相当有帮助的,再一个SOI的功耗降低,这也是物联网最需要的。
  近来,我们跟世界上最大的SOI公司Solitec结成了战略联盟,来共同推动SOI在中国的推广。
  传感器发展需要有更辽阔的思绪
  我国的研讨所、高校在过去二三十年做了很多积累,如今通过家当化的推进,已有两家公司上市。随着物联网时代的到来,还需要我们进一步思索。例如传统的老牌企业博世,他们汽车传感器做得好,当看好消费电子产品的势头后,不惜一切代价把消费电子这块做大,因为它有汽车传感器的经验积累,他很有竞争力。我认为下一步中国传感器的发展,第三个阶段(如图1)应该跟我们当前的半导体发展联合在一同,要有更辽阔的思绪,不是就事论事地开发一个传感器,包括与系统联合,包括对国际半导体公司的并购重组。即从传统的芯片思绪来整合各种资源,才能变成规模。
  小结
  2015年是摩尔定律诞生50周年,半导体发展是无穷无尽的。SITRI与合作朋友从事融合创新。我们认为这是半导体差异化的战略,因为一味地追求摩尔定律,还是能够走下去,然而确实加入很大。中国的半导体业实力还不足够,超过很困难。我们希望在物联网时代进行差异化的融合创新,希望传感器、能源、通讯、功率等联合在一同,这里的创新机会相当多。通过这些半导体器件的融合创新,来推动物联网真正智能化的时代到来。
  参考文献:
  [1]谢凯年.全可编程视角下的未来十年[J]电子产品世界,2014(11):23
  [2]王莹,叶木子物联网时代,MEMS传感器发展面临更多挑战[J]电子产品世界,2015(10):16-20
  [3]Dadafshar M加速度计和陀螺仪传感器:原理、检测及应用[J]电子产品世界,2014(6):54
  [4]王莹。MEMS传感器市场热点[J]电子产品世界,2014(10):9
  [5]王莹,孙俊杰,叶雷可穿裁传感器的特点与趋势[J]电子产品世界.2014(10):11-13
  [6]王莹。物联网时代,那些当红的传感器[J]电子产品世界,2014(10):14-17
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