未來10年傳感器怎么發(fā)展？美國半導體協(xié)會發(fā)布最新MEMS路線圖

近期，美國半導體工業(yè)協(xié)會（下文簡稱“SIA”）和美國半導體研究聯(lián)盟（下文簡稱“SRC”），聯(lián)合發(fā)布了未來10年（2023-2035）全球半導體產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展路線圖——微電子和先進封裝技術路線圖（下文簡稱“MAPT”）。

MAPT全文共11章，多達211頁，全面分析了未來10年全球半導體產(chǎn)業(yè)的主要應用需求，以及半導體各細分行業(yè)未來的技術進步和發(fā)展路線，這些細分領域包括了：數(shù)字處理、高級封裝和異構(gòu)繼承、模擬和混合信號半導體、硅光技術和MEMS、半導體工藝、設計建模和測試標準、半導體材料以及供應鏈。

就傳感器領域而言，MAPT獨立章節(jié)討論了MEMS技術對傳感器/執(zhí)行器發(fā)展的影響，以及未來10年傳感器的技術發(fā)展路線。

MAPT脫胎于知名的國際半導體技術路線圖（下文簡稱“ITRS”），ITRS由SIA聯(lián)合歐洲和亞洲半導體行業(yè)共同發(fā)布，為全球半導體產(chǎn)業(yè)提供技術指引，從20世紀末到2015年持續(xù)發(fā)布，隨著摩爾定律的發(fā)展到達尾聲，難以再為行業(yè)提供技術指引，ITRS在2015年發(fā)布最后一個版本后終結(jié)。而MAPT作為ITRS的后繼者，時隔8年后于近期發(fā)布。

美國作為全球半導體產(chǎn)業(yè)最先進和發(fā)達的國家，SIA是全球最大的半導體工業(yè)協(xié)會，SRC則是世界級的半導體技術研發(fā)聯(lián)盟，MAPT路線圖對全球半導體產(chǎn)業(yè)未來技術發(fā)展具有戰(zhàn)略參考價值。

下文，我們來看一下MAPT中描述的未來10年MEMS及傳感器技術的發(fā)展建議和技術路線。

如需《Microelectronics and Advanced Packaging Technologies Roadmap》（微電子和先進封裝技術路線圖MAPT）PDF原文檔（英文，211P），可在傳感器專家網(wǎng)公眾號對話框回復關鍵詞【資料下載】（不帶中括號），在資源下載頁面中查找到《SRC-MAPT-Roadmap-2023.pdf》文檔下載即可。

Part 6.光子學和MEMS（Photonics and MEMS）

以下為本部分內(nèi)容中文簡要翻譯，限于譯者水平所限，部分翻譯并不準確，請以英文原文為準。同時限于文章篇幅，原文中部分光子學內(nèi)容略有省略，本文主要集中于MEMS和傳感器技術，以及傳感器上下游通信、計算、存儲等相關探討。

與原文對應，文中用不同顏色標注（趨勢）、（有前景的技術）、（關鍵發(fā)現(xiàn)）、（挑戰(zhàn)）、（需要基礎能力）等關鍵段落。

下面為本部分目錄：

6.1.介紹（Introduction）6.2.面向未來10年的傳感器（Sensors for the Next Decade）6.3.通信（Communication）6.4.計算和存儲（Computing and Memory）6.5.光子學和MEMS的新材料新工藝（New Materials and Processes for Photonics and MEMS）6.6.最先進的技術/產(chǎn)品示例（State of the Art / Product Examples）6.7.當前的技術限制（Limitations with Current Technology）6.8.挑戰(zhàn)、未來需求和可能的解決方案（Challenges, Future Needs,and Possible solutions）

6.1 介紹（Introduction）

隨著晶體管 2D 尺寸縮小速度放緩和 2.5D/3D 封裝技術的成熟，采用集成光子學技術構(gòu)建、在 CMOS 晶圓廠制造并使用先進 IC 封裝技術的光收發(fā)器和互連的開發(fā)開始成為一項更關鍵的技術創(chuàng)新。（趨勢）

與數(shù)據(jù)處理（計算）和存儲芯片位于同一封裝中的光收發(fā)器稱為共封裝光學器件或 CPO。包含有源光子器件和相關光子電路的芯片稱為 PIC（光子集成電路）。

這些 PIC 將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并在封裝間以及封裝內(nèi)的計算核心和存儲器之間在光域中傳輸數(shù)據(jù)。CPO 最重要的技術方向是增加帶寬密度和提高能源效率，這是由計算能力和通信帶寬不斷增長的需求驅(qū)動的兩個關鍵指標。這一需求尤其受到先進的人工智能、機器學習，對加速器和計算集群快速增長和部署的影響，這些加速器和計算集群正在將互連帶寬、功效和更低延遲的界限從芯片級推向由數(shù)千個 GPU、CPU 和內(nèi)存 IC 組成的大型系統(tǒng)。

雖然共封裝光器件使數(shù)據(jù)傳輸更加高效，但光學傳感器和執(zhí)行器在數(shù)據(jù)收集和操作中發(fā)揮著越來越大的作用。這些傳感器和執(zhí)行器對于電視、頭燈、投影儀和 DNA 分析芯片等產(chǎn)品至關重要。

其中許多傳感器都是采用微機電系統(tǒng) (MEMS) 技術構(gòu)建的。MEMS 器件和制造技術還用于調(diào)諧、調(diào)制或調(diào)節(jié)可調(diào)諧濾波器、激光器和光纖等光學器件的對準，從而應用于近紅外 (NIR) 材料分析掃描儀等新產(chǎn)品。此外，MEMS和PIC的結(jié)合將實現(xiàn)突破性的創(chuàng)新產(chǎn)品。

傳感器的小型化推動了遠程醫(yī)療的革命，使人們可以在偏遠地區(qū)或家中進行診斷，提供侵入性較小的手術替代方案，并實現(xiàn)可植入或可穿戴的傳感器和神經(jīng)探針。微型傳感器也促進了數(shù)字孿生技術的普及，醫(yī)生可以通過遠程模擬手段進行手術，數(shù)字孿生技術提供更準確的身體可視化，從而進行更好的診斷。

傳感器也使智能家居、智慧城市和先進制造設備的創(chuàng)新成為可能。新型化學傳感器可以檢測氣體，用于監(jiān)測建筑物中的污染和空氣質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的實現(xiàn)基于小型、低功耗傳感器的可用性。傳感器還將在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、預測性維護、國防和航空等領域找到關鍵應用。

在未來十年，手持和可穿戴設備的市場預計將繼續(xù)快速增長。此外，人工智能驅(qū)動的機器人和自動駕駛汽車將得到廣泛應用。所有這些應用都需要具有高帶寬互連的更復雜、更可靠、成本更低的傳感器。

6.2 面向未來10年的傳感器（Sensors for the Next Decade）

智能手機的成功在很大程度上是由成本、尺寸、性能和網(wǎng)絡寬帶驅(qū)動的。穩(wěn)健的傳感器設計對手機的GPS、陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、磁力計、光學圖像傳感器、麥克風和指紋傳感器的成功至關重要。

在過去的五年里，傳感器的靈敏度和精度提高了十倍，而在這段時間里，功率、成本和尺寸減少到原來的五分之一。（趨勢）這些趨勢預計將持續(xù)下去。

物理模型和人工智能在設計工具中的融合使得基于 MEMS 的產(chǎn)品設計變得更好。這些傳感器的集成可以無縫執(zhí)行導航航位推算、穩(wěn)定性控制、碰撞檢測、自適應照明、圖像穩(wěn)定和牽引力控制等活動。更好的傳感器性能意味著更高的信噪比 (SNR)、更高的動態(tài)范圍和亞毫瓦級功耗。

具有附加功能的傳感器同樣被需要。例如，需要比硅更小帶隙的硅摻雜集成元件，在短波紅外（SWIR）下工作，才能實現(xiàn)人眼安全的高分辨率遠程激光雷達（光探測和測距）。此外，還希望將這些傳感器封裝在超小型封裝中。靈活封裝是對可穿戴設備和醫(yī)療應用非常重要的另一個新興領域。（有前景的技術）

接近傳感器的計算和智能處理對能效和延遲至關重要，而硬件和軟件協(xié)同優(yōu)化是協(xié)作的重要載體。TinyML（www.TinyML.org）是傳感器和致動器另一個快速增長的熱點領域。該領域包括硬件、算法和軟件，無論是近端設備還是邊緣設備。例如，它可能位于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理和計算機解決方案邊緣的傳感器上。通常，消耗約1mW的功率，對傳感器數(shù)據(jù)進行機器學習推斷是在本地進行的。

隨著TinyML在未來十年內(nèi)通過物聯(lián)網(wǎng)的擴散而增長（有前景的技術），熱點領域?qū)ǖ凸膯拘央娐?；非易失性存儲器，與使用先進硅節(jié)點構(gòu)建的硅集成；以及有效利用具有毫瓦級功率預算的有限存儲器/計算機資源的機器學習算法。

硅光子學有望為多種應用擴展頻率和帶寬，從傳感和互連到通信和計算。用于健康/醫(yī)療傳感的先進光學傳感器，包括血糖檢測、血壓和心臟病標志物，以及用于汽車應用的傳感器，如激光雷達，提供了重要的增長機會。這些傳感器的一個重要問題是實現(xiàn)傳感解決方案的準確性和可靠性。（關鍵發(fā)現(xiàn)）

需要進一步開發(fā)光學相控陣和光柵，為ADAS（高級駕駛員輔助系統(tǒng)）激光雷達系統(tǒng)提供真正的固態(tài)光束轉(zhuǎn)向。固態(tài)光束轉(zhuǎn)向?qū)⒔档统杀?，提高可靠性，并縮小激光雷達掃描系統(tǒng)（有前景的技術），所有這些都是實現(xiàn)SAE 3級及以上自動駕駛汽車大規(guī)模生產(chǎn)所必需的。

量產(chǎn)車輛中的ADAS激光雷達系統(tǒng)也需要將發(fā)射器與OPA（光學相控陣）/光柵元件和檢測器與點云處理進行芯片級集成。這些元件的集成可以通過元件的共同設計和晶圓級混合鍵合或類似方法來實現(xiàn)。

傳感器數(shù)據(jù)通常是可信的，因此使用它的系統(tǒng)通常不需要進一步的安全檢查。因此，利用傳感器設計來解釋的某些物理現(xiàn)象會導致不希望的行動。

例如，只需播放嵌入不易聽到的聲音的 YouTube 視頻，就可以欺騙智能手機上的 MEMS 加速度計來測量步數(shù)。使用這種方法甚至可以進行信息交流。例如，通過窗戶照射激光，犯罪者可以將命令注入語音控制系統(tǒng)。因此，集成MEMS器件的安全性是一個需要解決的挑戰(zhàn)，以防止惡意的數(shù)據(jù)篡改。MEMS可能是安全解決方案的一部分，因為MEMS設備可以作為物理安全機制的一部分來保護電路免受篡改。

傳感器制造和設計的趨勢包括（趨勢）：

?用基于CMOS-MEMS的諧振器取代晶體振蕩器，以實現(xiàn)新的架構(gòu)、改進的性能和去除芯片外無源器件

?在手持超聲波等應用中使用壓電MEMS傳感器和致動器，以及改進和小型化的揚聲器和麥克風。

?全套技術，可以使用新的低成本材料和制造技術，大批量提供更便宜的傳感器，同時為關鍵任務（如GPS導航）創(chuàng)建高精度的傳感器。

?服裝和織物中的傳感器創(chuàng)造了新的需求，與手機、戒指、身體貼片和手表傳感器競爭。這里的許多創(chuàng)新也有軍事用途?；诳椢锏膫鞲衅髡谕苿訉ミB、可靠性和耐用性的新要求。

?MEMS推動了量子計算的進步，因為MEMS結(jié)構(gòu)用于使量子比特能夠與外界通信。

與許多電子產(chǎn)品不同，傳感器采用多種制造工藝制造，這些制造工藝通常特定于應用或傳感器類型。根據(jù)傳感器的不同，它可能需要是開放的，以感知其環(huán)境，同時也受到保護，免受不必要的環(huán)境影響， 有些傳感器更適合密封包裝。滿足特定傳感器架構(gòu)獨特封裝需求的關鍵因素包括采用不同制造技術制造的傳感器的封裝，以及柔性基板上柔性和剛性傳感器的組合。一個發(fā)展趨勢是，對于某些應用，傳感器封裝解決方案的標準化正在開始出現(xiàn)，這使得供應鏈更加高效。

傳感器與相關電子設備的集成可以通過多種方式實現(xiàn)。傳感器可以通過特殊的兼容工藝構(gòu)建在與電子器件相同的芯片上，也可以作為后處理在 CMOS 頂部/底部創(chuàng)建，或者作為為單獨的芯片。

MEMS也可以由CMOS堆疊構(gòu)建，一些研究人員甚至使用finfet結(jié)構(gòu)作為傳感元件的基礎。分離芯片或后處理允許使用先進的CMOS節(jié)點和優(yōu)化的MEMS工藝。這些不同的集成策略對封裝、材料選擇、制造和組裝都有影響。在可預見的未來，這些策略中的每一項都將有一個利基市場。

集成和功率/面積效率方面，在光-電-光轉(zhuǎn)換和接口仍然面臨挑戰(zhàn)。（挑戰(zhàn)）必須解決這些挑戰(zhàn)以擴大該技術的應用。

6.3 通信（Communication）

在MEMS領域，光開關正在取代OEO開關（趨勢）?；贛EMS的可調(diào)諧濾波器和電容器、RF開關和上述MEMS諧振器允許新的架構(gòu)和更高級別的集成，從而減少占用面積并簡化封裝。這些高級組件正在開啟通信電路和系統(tǒng)設計創(chuàng)新的全新時代。使用MEMS也可以提高通信組件的可調(diào)諧性、對準和校準。

6.4 計算和存儲（Computing and Memory）

基于MEMS的產(chǎn)品需要更多的板載計算來生產(chǎn)更智能的傳感器。MEMS 制造商不滿足于僅提供原始傳感器數(shù)據(jù)輸出，還“向食物鏈上游移動”。如今，典型的 MEMS 傳感器可提供智能操作或其他處理數(shù)據(jù)。這是智能邊緣處理趨勢的一部分。計算與傳感相結(jié)合的架構(gòu)正在迅速變化，影響著 CMOS-MEMS 集成和先進封裝。

6.5 光子學和MEMS的新材料新工藝（New Materials and Processes for Photonics and MEMS）

為了實現(xiàn)更高的性能和更高的集成密度，創(chuàng)新的半導體工藝平臺包括 SOI/Ge 基光子學；通過外延生長、晶圓/芯片鍵合或光源、調(diào)制器和探測器的腔內(nèi)激光附著，將 III-V 族材料集成在硅晶圓上；以及基于除等離子體分散效應之外的物理效應的有源器件（等離子體、石墨烯）。

用于混合集成的鈮酸鋰和鈦酸鋇薄膜是高頻調(diào)制的推動者，而利用 3D 打印用于激光封裝互連的光子引線鍵合是其他需要進一步研究的領域。高帶寬、低傳輸損耗和低功率的光學芯片到芯片互連也需要在基板/PCB中的嵌入式波導方面取得進展。重要的是要確保低成本、高可靠性的材料光電記錄包在長時間和寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，同時保持低熱滯后和低損耗特性，因此需要較低的總能耗。

對于某些需要兼容CMOS 工藝同時提高慣性傳感器性能，以及 RF 濾波器功率處理能力的傳感器和執(zhí)行器，需要探索鎢或其他高原子質(zhì)量金屬等新材料以減少占用面積。（有前景的技術）

基于氮化鋁的 CMOS 兼容工藝平臺也正在探索中，具有更高力密度和線性度的新型壓電和相變存儲傳感器也正在研究中，這些用于傳感器和執(zhí)行器的新型材料將反過來引發(fā)需要溫度和濕度控制的包裝材料和技術的創(chuàng)新。

慣性傳感器的兩個重要材料驅(qū)動因素是防止機械設備粘附在基板上的能力（需要基礎能力），以及具有良好CTE匹配的材料組，以防止不必要的彎曲和應力，尤其是來自包裝的彎曲和應力。

這些傳感器還需要改進的低成本吸氣劑材料以及耐磨、防粘連、防腐蝕和電荷消除涂層。對于化學傳感器，材料要求是促進化學反應以可重復且穩(wěn)定的方式進行。對聲學傳感器/致動器材料（例如麥克風/揚聲器）的一些需求是促進受控運動以產(chǎn)生、移動和檢測聲音。

由于器件必須承受大量的循環(huán)運動，MEMS 材料的一個關鍵特征是它們可預測變形但不會疲勞。備受推崇的光學傳感器/執(zhí)行器材料包括那些能夠形成平坦、反射表面、不易變形并具有適當光學特性的材料。在 RF MEMS 開關中，可靠接觸材料的開發(fā)仍然很重要。

有幾種新興的下一代材料適用于光子學和 MEMS 應用，應該考慮批量生產(chǎn)。需要進行前體表征工作，將這些材料集成到半導體制造中，并開發(fā)自動化前端制造設備來應用或去除這些材料。下面的表 6.1 列出了一些示例。

表6.1：用于光子學和微機電系統(tǒng)/傳感的新材料（可上下滑動查看）

6.6 最先進的技術/產(chǎn)品示例（State of the Art / Product Examples）將光子學引入 IC 封裝的努力已經(jīng)開始。近年來，一些初步產(chǎn)品展示了從獨立收發(fā)器到 CPO 或?qū)?CPO 設計的光學引擎的轉(zhuǎn)變。這些早期CPO產(chǎn)品的示例如圖6.1和6.2所示。圖6.1顯示了Ranovus Odin光學收發(fā)器，工作速度為896Gbps，與AMD/Xilinx的Versal FPGA集成在同一封裝基板上。它在 2022 年光纖通信 (OFC) 會議上進行了演示。圖6.2描述了Ayar Labs的TeraPHY光學收發(fā)器與數(shù)據(jù)處理IC集成，TeraPHY 以 8-λ WDM（波分復用）方式運行，并由 8-λ 光源 SuperNova 支持。最先進的 MEMS 產(chǎn)品將多個傳感器與電子設備相結(jié)合，提供高水平輸出，并由板載低功耗電子設備進行處理，這些電子設備通常結(jié)合 AI 和高級校準。Bosch、ST、Invensense、Analog Devices、Texas Instruments 等公司的產(chǎn)品均附帶可插入系統(tǒng)的 API。新興的 MEMS 產(chǎn)品融合了傳感器/執(zhí)行器制造技術、材料和設計方面的進步。新興產(chǎn)品的一些例子是：?基于MEMS的揚聲器?可感知多種物種的化學傳感器?用于手持式成像儀器的超聲波陣列?可與CMOS集成的BAW器件

圖 6.3 給出了最先進的 MEMS 產(chǎn)品的示例。它展示了 eXo Imaging 低電壓 pMUT 陣列芯片：Exo Silicon。Exo Silicon將壓電晶體的卓越性能與硅的經(jīng)濟性相結(jié)合。每個芯片包含 4096 個獨立控制的 pMUT，具有大帶寬、無與倫比的靈敏度，并能夠提供高達150度的超寬視場。Exo 的芯片架構(gòu)可快速提升成像質(zhì)量，并提供實時 AI 功能，可以分析每一幀以指導用戶立即給出解決方案。展望未來，pMUT 技術有望實現(xiàn)強大的 3D成像，并有可能實現(xiàn)4D成像。護理人員將能夠更好地觀察患者，從而更快地做出診斷，▲圖6.3，Exo Imaging的pMUT芯片?6.7 當前的技術限制（Limitations with Current Technology）??由于 MEMS 器件通常需要定制工藝，因此很難創(chuàng)建高度標準化的類似 CMOS 的平臺。例如，磁傳感器可能需要慣性傳感器不需要的材料。一些制造商試圖提供在同一芯片上制造多種傳感器類型的制造工藝，但成本和性能驅(qū)動因素通常決定定制工藝。因此，MEMS 器件制造工藝及其相關封裝必須進行協(xié)同設計。另一個限制因素是沒有像 CMOS 那樣的基本元件，即晶體管。?測試方法通常是傳感器工作原理或應用程序獨有的，因此測試和組裝基礎設施、生態(tài)系統(tǒng)和供應鏈比以前的電子學更復雜。在這些領域已經(jīng)取得了很大進展，但這些問題仍然限制了MEMS技術的廣泛采用，使基于MEMS的產(chǎn)品的上市時間成為一個問題。隨著MEMS市場的持續(xù)快速增長，更多的供應商將提供MEMS產(chǎn)品，情況也將有所改善。?6.8 挑戰(zhàn)、未來需求和可能的解決方案（Challenges, Future Needs,and Possible solutions）?傳感器/執(zhí)行器應用需要解決幾個領域的技術和供應鏈挑戰(zhàn)：?CAD設計?傳感器/執(zhí)行器的非線性降階建模?MEMS 協(xié)同設計（傳感器/電子和封裝）?PDK（工藝設計套件），具有所有相關物理領域的材料特性?材料?新材料在所有相關物理領域的表征?材料合成工具，用于發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化具有所需性能的材料?彎曲和拉伸材料的特性，尤其是可穿戴設備

標準?材料彎曲和拉伸性能標準?傳感器性能FOM標準?新興技術的可靠性和測試標準勞動力發(fā)展?對MEMS所需的多個物理領域的學生進行培訓（如機械和電子）?培訓使本科生和碩士生能夠更充分地參與MEMS和光子學設計，就像VLSI一樣CMOS與多傳感器集成?必須繼續(xù)使用新的封裝方法實現(xiàn)從堆疊式、引線鍵合式傳感器的過渡，以實現(xiàn)更大的異構(gòu)集成傳感器設計和制造改進?通過使用現(xiàn)場校準、多個傳感器和/或與其他非 MEMS 傳感器組合，將慣性傳感器改進為導航級?改進的設計和制造方法，以及工藝窗口的增強，以補償制造的非理想性?基于 MEMS 的能量采集器必須提高換能器轉(zhuǎn)換功率輸出百分比，才能與太陽能和熱電設備競爭?繼續(xù)開發(fā)低功率和接近零功率的傳感器，以滿足能源需求?光學葡萄糖傳感器必須變得更加準確，才能與基于針頭的電化學傳感器競爭?紙和塑料傳感器的精度必須提高，才能與硅基傳感器競爭?繼續(xù)研究原子鐘技術，以取代大型器件

審核編輯 黃宇