物联网时代的传感器和材料创新

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。

传感器是物联网的重要基石

　　信息技术经历了三个发展阶段(图1)。现在中国的通讯技术发展很快，希望下一步是智能社会的时代。智能社会就是要把物包括进来，即物联网(IoT)。所以在这个领域，传感器非常重要。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比较小的领域，但是很重要，它位于最底部，支撑起整个物联网系统应用的大产业。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。

　　传感器尽管小，但是应用非常广。最典型的就是在上世纪七八年代的汽车应用，当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，尤其是传感器比较少。今天回过头来我们整理发现，汽车里有大量的传感器(图2)，尤其现在ADAS(高级辅助驾驶系统)需要很多各种各样的传感器。现在大家比较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产业。物联网产业的先头兵——可穿戴设备，例如智能手环可以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传感器是不断增加的。MEMS传感器首先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。深蓝色部分是中国手机厂商。过去一段时间里，主要是三星、苹果主导，但是从2011年开始，中国的手机厂商占MEMS传感器市场份额不断增加，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，最终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生态系统还不是非常健全。中国有个特点，越往后端越发达。上海微技术工业研究院(SITRI)处于中间的开发链条，可以作为研发到产品之间的工程化、产业化的桥梁。SITRI过去在MEMS方面做了30年，做得比较系统。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，中国的其他区域也非常多，这些设计公司规模还比较小，往往没有采用非常大型的企业研发平台在开展工作，但是真正需要把它规模化、量产化需要一个比较好的平台。

　　目前在中国有几个MEMS研发平台，一家在苏州，规模较大，刚开始不久，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术工业研究院(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厂(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个先进研究院。所谓的“死亡之谷”、“缺失的贝尔实验室”、“产业工地”，从技术上看，图4左边是研究所、大学，右边是产业界，需要中间的开发(development)桥梁。因为美国企业的研发能力比较强，但是奥巴马认为，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等中国很多研究院的使命。

　　因为技术有一个成熟度，在技术研究阶段，需要证明这个技术可行性，属于前期，这是研究所、大学的事。但是要把它变成一个最终的产品，包括技术的中试，包括一些子系统的实验，都是处于中间阶段。最终企业把它变成产品、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。同时后端有合作伙伴——华虹宏力的生产线对接。

　　SITRI作为产业之间的桥梁，加入了很多工业联盟，同时也在上海嘉定建立了“物联网芯片产业园”，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赶上。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)浪潮也没赶上。我们希望在物联网大潮里，中国的与传感器相关的芯片可以“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，好处是结构比较简单。SOI材料不仅仅是在MEMS市场用，另外在RF(射频)上用处很大，可以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，现在射频前端的SOI(新材料)占了很大的比例。我们正好也赶上了这一波，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。因此我们面临了非常好的机遇，我们的材料在这方面有非常好的前景。

　　半导体的发展，到了20纳米以后，有两条发展路线：一个采用三维的FinFET，一个采用SOI二维结构。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;但是如果走第二条路线，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，我们可以比较多地降低体硅CMOS制造的成本，我们可以用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非常有帮助的，再一个SOI的功耗降低，这也是物联网最需要的。

　　最近，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广阔的思路

　　我国的研究所、高校在过去二三十年做了很多积累，现在通过产业化的推进，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考。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结合在一起，要有更广阔的思路，不是就事论事地开发一个传感器，包括与系统结合，包括对国际半导体公司的并购重组。即从传统的芯片思路来整合各种资源，才能形成规模。

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与合作伙伴从事融合创新。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，还是可以走下去，但是确实投入很大。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、通信、功率等结合在一起，这里的创新机会非常多。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。注：(本文根据王曦院士在“2015中国通信集成电路技术与应用研讨会暨互联网+集成电路产业发展研讨会”上的发言改编，未经讲演者确认。)

参考文献：

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　　[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.可穿戴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

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第1期第27页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。