6月10日,在南京舉辦的世界半導體大會《汽車半導體創新協作論壇》上,華東光電集成器件研究所副所長展明浩帶來主題為《MEMS傳感器發展現狀及在自動駕駛汽車中的應用》的報道。
華東光電集成器件研究所副所長展明浩
我的介紹分為四個方面:傳感器簡介;MEMS傳感器發展以及現狀;MEMS傳感器在自動駕駛汽車中的應用;本單位MEMS傳感器的產業情況。
一、傳感器簡介:分為傳感器概念、傳感器發展歷程和MEMS傳感器概念。
傳感器概念。通俗講就是檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息轉換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,包括轉換元件、條理電路、敏感元件。
從17世紀發展溫度計開始發展經歷了三個階段:結構型傳感器、固體型傳感器、MEMS傳感器,它是兼容的MEMS技術。隨著集成電路工藝的不斷完善,傳感器工藝技術實現微型化和集成化、智能化。
MEMS傳感器:采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。特點是體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化,易于集成和實現智能化的特點。IC和MEMS結合新型的傳感器。右圖可以看到以前的傳感器是機械加工的方法,現在用集成電路技術,光刻、刻蝕等技術發展MEMS傳感器。
二、MEMS傳感器發展歷程及現狀
發展里程碑。第一個是MEMS壓力傳感器誕生—體硅各向異性化學腐蝕工藝。1970年Waggener提出電化學自停止腐蝕技術,獲得精確控制KOH腐蝕體硅的工藝,所以體硅工藝在這一年誕生了。IBM實驗室的Kurt Peterson利用電化學自停止腐蝕技術制作了硅基壓力傳感器,1974年,壓力傳感器最早成功的MEMS商業化產品。
第二個是MEMS慣性傳感器誕生—平面犧牲層工藝。1988年Berkley利用犧牲層工藝制作了首個靜電驅動馬達;1989年制作了平面橫向靜電驅動器;1992年Draper實驗室報道了首款微機陀螺;1993年ADI加速度計量產CMOS-MEMS工藝。
第三個是光MEMS器件—平面犧牲層工藝。1987年德州儀器發布DLP芯片問世;1997年實現民用化。
第四個是深硅刻蝕工藝—1994年。德國BOSCH公司發明DRIE技術,便于形成高深寬比、高垂直度結構,顛覆未來MEMS工藝技術的發展方向。
進入21世紀以來MEMS技術以超高速創新發展誕生了很多新型傳感器。這是慣性、光MEMS、生物治療MEMS、射頻MEMS等等。
三、MEMS五傳感器在自動駕駛汽車中的應用
國家發展改革委、中央網信辦等11部委聯合印發的智能汽車行業發展頂層設計和國家級戰略。
MEMS傳感器在自動駕駛領域中的應用—這是中國智能車聯網技術路線圖,從L1級到L4級,L5級,到2025年實現L4,L5級的無人駕駛。
無人駕駛發展路線。未來的自動駕駛聯合自主化和網聯化形式,兩種技術互為補充形成自動駕駛的能力。這是無人駕駛交叉多技術、產業融合技術。
感知是智能駕駛的前提。外界環境的高靈敏度感知技術是汽車自動駕駛基礎關鍵技術之一,它是通過安裝在智能網聯汽車和周邊的傳感器及網絡,實時識別。所以自動駕駛汽車都布滿了傳感器。
IMU在無人駕駛中扮演重要角色。
慣性測量單元。是所有定位系統中最關鍵的傳感器之一,測量運動、加速度和旋轉速度的基本物理量,而且不受天氣和其他環境的影響,不受任何干擾。IMU和相關數據融合也是自動駕駛很關鍵的部分。
四、本單位MEMS傳感器的產業情況
華東光電集成器件研究所是中國高端芯片聯盟成員單位,是中國物聯網產業聯盟副理事長單位,是國家集成電路封測產業鏈技術創新聯盟成員單位,也是國家發改委批復的微電子機械系統(MEMS)聯合實驗室。
我們具有一條6英寸MEMS體谷SOI工藝平臺,包含硅硅鍵合、高深寬筆SOI結構刻蝕釋放、高深寬比TSV刻蝕與填充,也列了一些產品。
平臺情況。我們有完整的設計平臺,里面有系統設計、結構設計、ASIC設計和版圖設計。
MEMS制造平臺:有SOI體硅工藝體系、TSV工藝體系、壓軸體硅工藝體系。一站式給用戶提供定制服務。
這里是我們單位傳感器實現產業化的情況,一是MEMS氣體傳感器用在家用呼吸機、慣性傳感器用在康復醫療,同時也用在自動駕駛汽車上,還有MEMS紅外傳感器用在額溫槍,壓力傳感器、超聲換能器、實現量產的光微鏡是用在激光雷達上的。
總結
微機電系統涉及物理、半導體、化學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫學、信息工程及生物工程等多學科;
隨著新技術、新工藝的出現,以MEMS技術為代表的半導體行業,將加速進入發展的快車道;
MEMS技術將使傳感器應用領域發生顛覆性變化和更多場景的應用;
MEMS技術在自動駕駛等未來領域發揮著越來越重要的作用,促進自動駕駛早日走向我們的生活;
5G、自動駕駛、新型智慧城市等國家發展戰略促進下,將進一步促進MEMS產業上下游產業鏈繁榮與發展;
國內MEMS廠家正逐步走向世界舞臺,在性能、市場空間等方面優勢愈發明顯。