未來十年的傳感器發(fā)展路線圖

在過去五年中，傳感器的靈敏度和精確度提升了十倍，功耗、成本和尺寸下降了五分之一，未來十年，傳感器需要更復雜、更可靠、成本更低且具有高帶寬互聯(lián)功能，以應對在可穿戴設備、人工智能、自動駕駛等領域更加廣泛的應用。

隨著晶體管 2D 擴展速度的放緩和 2.5D/3D 封裝技術的成熟，利用集成光子學技術、在 CMOS 工廠制造并采用先進集成電路封裝技術的光收發(fā)器和互連器件的開發(fā)開始成為一項更為重要的技術創(chuàng)新。與數據處理（計算）和存儲芯片共置于同一封裝內的光收發(fā)器被稱為共封裝光學器件（CPO）。包含有源光子器件和相關光子電路的芯片稱為光子集成電路（PIC）。這些 PIC 將電信號轉換為光信號，并在封裝之間或封裝內的計算核心與存儲器之間傳輸光域數據。

CPO 最重要的價值主張是提高帶寬密度和能效，而這兩項關鍵指標是由不斷增長的計算能力和通信帶寬需求所驅動的。這一需求尤其受到復雜的人工智能和 ML 加速器以及計算集群的快速增長和實施的影響，這些加速器和集群正在推動互連帶寬、能效和更低延遲的發(fā)展，從芯片級系統(tǒng)到由數千個 GPU、CPU 和存儲器 IC 組成的大規(guī)模系統(tǒng)。

在共同封裝光收發(fā)器提高數據傳輸效率的同時，光傳感器和執(zhí)行器在數據收集和處理方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。這些傳感器和執(zhí)行器在電視、車頭燈、投影儀和 DNA 分析芯片等產品中，以及在數據傳感器和可穿戴式心率及氧氣傳感器的光學開關中都至關重要。其中許多傳感器都是采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術制造的。MEMS 設備和制造技術還可用于調整、調制或調節(jié)可調濾波器、激光器和光纖等光學設備的排列，從而實現(xiàn)近紅外（NIR）材料分析掃描儀等新產品。

此外，微機電系統(tǒng)與專用集成電路的結合也在同時走向成熟，這將帶來前所未有的產品。傳感器的微型化推動了遠程醫(yī)療、智能家居、智能城市、先進制造設施、手持可穿戴設備等領域的快速發(fā)展，所有這些應用都需要更復雜、更可靠、成本更低且具有高帶寬互連功能的傳感器。

未來十年的傳感器

手機經濟主要受成本、尺寸、性能和帶寬的驅動。強大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、光學圖像穩(wěn)定器、麥克風和指紋傳感的成功至關重要。在過去五年中，傳感器的靈敏度和精確度增長了十倍，而功耗、成本和尺寸卻下降了五分之一。預計這些趨勢還將繼續(xù)。

物理和人工智能在設備計算中的融合使基于微機電系統(tǒng)的產品設計更加出色。這些傳感器的集成使導航定位、穩(wěn)定性控制、撞擊檢測、自適應照明、圖像穩(wěn)定和牽引力控制等活動得以無縫執(zhí)行。更好的傳感器性能意味著更高的信噪比（SNR）、更高的動態(tài)范圍和亞毫瓦級的功耗。

還需要具有附加功能的傳感器。例如，需要帶隙小于硅（Si）、可工作于短波紅外（SWIR）的硅集成元件，以實現(xiàn)高分辨率、對眼睛安全的長距離激光雷達（LiDAR）。將這些傳感器封裝在超小型封裝中也是可取的。柔性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。

靠近傳感器的計算和智能處理對能效和延遲至關重要，而硬件和軟件的共同優(yōu)化則是合作的重要載體。TinyML（Tiny machine learning，微型機器學習）是傳感器和執(zhí)行器領域另一個快速發(fā)展的領域。該領域包括靠近邊緣設備或邊緣設備上的硬件、算法和軟件。例如，它可能位于物聯(lián)網數據管理和計算解決方案邊緣的傳感器上。通常情況下，傳感器數據的 ML 推斷在本地完成，耗電量約為 1mW。

未來十年，隨著 TinyML 在物聯(lián)網中的普及和發(fā)展，人們關注的關鍵領域將包括低功耗喚醒電路、與使用先進硅節(jié)點制造的硅集成的非易失性存儲器，以及以毫瓦級功率預算有效利用有限內存/計算資源的 ML 算法。

硅光子技術有望為傳感、互連、通信和計算等多種應用擴展頻率和帶寬。用于健康/醫(yī)療傳感（包括血糖檢測、血壓和心臟病標記）的先進光學傳感器以及用于汽車應用（如激光雷達）的傳感器帶來了重要的發(fā)展機遇。這些傳感器面臨的一個重要問題是如何達到同類解決方案的精度和可靠性。

要為 ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）激光雷達系統(tǒng)提供真正的固態(tài)光束轉向，需要進一步開發(fā)光學相控陣和光柵。固態(tài)光束轉向將降低成本、提高可靠性并縮小激光雷達掃描系統(tǒng)，所有這些都是實現(xiàn) SAE 3 級及以上自動駕駛汽車量產所必需的。

使用傳感器數據的系統(tǒng)通常不會對其進行進一步的安全檢查，而會信任傳感器數據。因此，對傳感器設計用于解釋的物理現(xiàn)象進行操作可能會導致不希望發(fā)生的操作過程。例如，智能手機上的 MEMS 加速計可以通過簡單地播放含有不易聽到的聲音的 YouTube 視頻來測量步數。甚至還可以用這種方法傳遞信息。

因此，集成微機電系統(tǒng)（MEMS）設備的安全問題是一個需要解決的挑戰(zhàn)，以防止惡意篡改數據。MEMS 也可以成為安全解決方案的一部分，因為 MEMS 設備可用作保護電路免遭篡改的物理安全機制的一部分。

傳感器制造和設計的趨勢包括：

用與 CMOS 兼容的基于 MEMS 的諧振器取代晶體振蕩器，以實現(xiàn)新的架構、更高的性能和去除片外無源元件。

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

采用一整套技術，利用新的低成本材料和制造技術，大批量生產成本更低的傳感器，同時為關鍵任務（如全球定位系統(tǒng)導航）制造高精度的傳感器。

在服裝和織物中安裝傳感器，創(chuàng)造新的時尚類別，與基于手機、戒指、體貼和手表的傳感器競爭。許多創(chuàng)新技術還具有軍事用途?？椢飩鞲衅鲗ヂ?lián)性、可靠性和耐用性提出了新的要求。

微機電系統(tǒng)推動了量子計算的進步，因為微機電系統(tǒng)結構用于實現(xiàn)量子比特與外界的通信。

與許多電子產品不同，傳感器的制造工藝多種多樣，通常針對特定的應用或傳感器類型。根據傳感器的不同，它可能需要開放以感知周圍環(huán)境，同時還要防止不必要的環(huán)境影響。有些傳感器則更適合密封封裝。滿足特定傳感器結構的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，以及在柔性基板上結合柔性和剛性傳感器。一個與之競爭的趨勢是，在某些應用中，傳感器封裝解決方案已開始實現(xiàn)標準化，從而提高了供應鏈的效率。

傳感器與相關電子設備的集成有多種方式。傳感器可以通過特殊的兼容工藝與電子元件構建在同一芯片上，也可以作為后置工藝創(chuàng)建在 CMOS 上/下，或者作為獨立芯片組合在一起。微機電系統(tǒng)（MEMS）也可以從 CMOS 堆棧中分離出來，一些研究人員甚至將鰭片結構作為傳感元件的基礎。分離芯片或后處理可以使用先進的 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，上述每種策略都會有自己的優(yōu)勢。

在集成和具有功率/面積效率的光-電-光轉換和接口方面仍然存在挑戰(zhàn)。要擴大這項技術的應用范圍，就必須應對這些挑戰(zhàn)。

通信未來的發(fā)展趨勢

集成光子技術將極大地改善通信基礎設施。預計在未來五年內，信道符號率將輕松超過 100 千兆波特，用于光纖通信的集成光子學收發(fā)器模塊的聚合帶寬將達到 3.2 至 6.4 Tbits/s。對提高帶寬和能效的迫切要求將推動數據中心的架構從可插拔光學器件過渡到協(xié)同封裝光學器件（CPO），從而推動從銅纜過渡到更短距離（1 米以下）的光纖。

必須強調的是，如果不使用密集波分復用技術（DWDM，或類似的復用方法）在單根光纖上放置多個光通道，就無法充分利用光纖的巨大帶寬（通過光子技術實現(xiàn)帶寬密度的數量級增長）。在專用集成電路上成功實施 DWDM 或相干技術，還可以在給定光纖帶寬的情況下，在信道數據速率與信道數量之間進行權衡。這種權衡可以提高能效，降低系統(tǒng)成本。未來幾年，隨著光子互聯(lián)帶寬密度的提高及其應用的普及，降低整個光學系統(tǒng)的能耗、每比特成本和延遲（尤其是人工智能/移動計算應用）將變得更加重要。使用短、低損耗通道將光學器件封裝在靠近 ASIC 和其他計算集成電路的位置，將有助于提高部分能效和帶寬，從而實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的低功耗電光轉換和高帶寬數據傳輸。

目前，模擬光子鏈路用于簡化毫米波節(jié)點集成電路架構，可使每個芯片的天線數量達到 1000 根以上。模擬光子鏈路還大大提高了工藝中的節(jié)能效果，其能效遠遠高于信號鏈中的數字鏈路。

在通信應用方面，還有大量電磁頻譜尚未開發(fā)。要充分利用這一巨大的未開發(fā)頻譜，就需要技術創(chuàng)新。創(chuàng)新的半導體技術，如基于 SOI/SiGe 的光子技術、VCSEL、微型 LED、雪崩光電二極管和基于 InP 的 PIC，將提供先進的工藝平臺，實現(xiàn)未來帶寬和功率的諸多改進。

在微機電系統(tǒng)領域，光開關正在取代 OEO 開關?；谖C電系統(tǒng)的可調濾波器和電容器、射頻開關以及上述微機電系統(tǒng)諧振器正在實現(xiàn)新的架構和更高的集成度，從而減少了占地面積并簡化了封裝。這些新型元件為通信電路和系統(tǒng)設計開創(chuàng)了一個全新的時代。利用 MEMS 實現(xiàn)通信元件的可調諧性、對準和校準，還能提高規(guī)格。

計算與內存

光子學為解決高性能和數據中心計算系統(tǒng)在持續(xù)擴展數據移動過程中的功率和帶寬瓶頸問題提供了重要機遇。新型高速、低功耗收發(fā)器、光源、波導/調制器和光電探測器是集成光子學的一些基本構件，在這一領域，可持續(xù)的尺寸可擴展性仍然是一個關鍵挑戰(zhàn)。光子技術為低功耗、高速 I/O 和光子互連結構提供了機遇。此外，光子設備已被證明可以進行某些數學運算，如矩陣矢量乘法。

通過在處理器（CPU/GPU/FPGA/ASIC）附近以及從處理器到存儲器的鏈路中實現(xiàn)光子集成，可以利用光傳輸與銅傳輸相比所具有的巨大帶寬和低損耗優(yōu)勢，將帶寬密度提高 》100倍，能效提高 》10倍，并在全系統(tǒng)范圍內擴展封裝級性能。

光鏈路可提供高能效、低延遲的互連，實現(xiàn)網絡、計算和內存的分解。這將利用與 ASIC/CPU/GPU 共同封裝的光學器件，并使用光通信標準來連接超大規(guī)模數據中心中跨機架的計算和內存。

人工智能加速器和神經形態(tài)計算是推動更高壓縮比的其他令人興奮的領域，與先進的 2.5D/3D 封裝集成相結合，在提高能效方面具有巨大潛力。

基于 MEMS 的產品需要更多的板載計算，以生產出更智能的傳感器。如今，典型的 MEMS 傳感器可提供智能動作或其他經過處理的數據。這是智能邊緣處理趨勢的一部分。計算與傳感相結合的架構正在發(fā)生迅速變化，影響著 CMOS-MEMS 集成和先進封裝。

新材料和新工藝

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基于 SOI/ Ge 的光子學；通過外延生長、晶圓/晶粒鍵合或激光腔內連接將 III-V 材料集成到硅晶圓上，用于光源、調制器和探測器；以及基于等離子體色散效應以外的物理效應（等離子體、石墨烯）的有源器件。

用于混合集成的鈮酸鋰和鈦酸鋇薄膜是高頻調制的促進因素，而利用三維打印技術實現(xiàn)激光封裝互連的光子線鍵是需要進一步研究的其他領域。高帶寬、低傳輸損耗和低功耗的芯片到芯片光互連預計也需要在基板/PCB 的嵌入式波導方面取得進展。重要的是要確保低成本、高可靠性的光子材料，在長時間和寬溫度范圍內保持穩(wěn)定的性能，同時還要保持低熱滯后和低損耗特性，從而要求低總體能耗。

對于某些傳感器和致動器，在提高慣性傳感器性能和射頻濾波器功率處理能力的同時，還需要進行 CMOS 兼容擴展，因此需要探索鎢或其他高原子質量金屬等新材料，以減少總體占用空間。此外，還在探索基于氮化鋁的 CMOS 兼容平臺。此外，還在研究具有更高力密度和線性度的新型壓電和相變記憶傳感器。這些用于傳感器和執(zhí)行器的新型材料反過來又會引發(fā)需要溫度和濕度控制的封裝材料和技術的創(chuàng)新。

慣性傳感器的兩個重要材料驅動因素是防止機械裝置粘在基板上的能力，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，特別是封裝產生的彎曲和應力。這些傳感器還需要改進的低成本獲取材料以及抗磨損、抗粘連、抗腐蝕和消除電荷的涂層。對于化學傳感器，材料的要求是以可重復和穩(wěn)定的方式促進化學反應。聲學傳感器/執(zhí)行器材料（如麥克風/揚聲器）的一些要求是促進受控運動，以產生、移動和檢測聲音。

由于這些設備必須承受大量的循環(huán)，因此 MEMS 材料的一個關鍵特點是其變形可預測且不會疲勞。光學傳感器/執(zhí)行器材料包括那些能產生平整、反射表面、不易變形并具有適當光學特性的材料。在射頻微機電系統(tǒng)開關中，開發(fā)可靠的接觸材料仍然非常重要。

在光子學和微電子機械系統(tǒng)應用中，有幾種新興的下一代材料值得關注，下表列出了一些例子。

圖1

圖2

技術現(xiàn)狀和產品實例

將光子技術引入集成電路封裝的努力已經開始。近年來，一些顯示從獨立收發(fā)器過渡到 CPO 或為 CPO 設計的光學引擎的初始產品已得到展示。

最先進的 MEMS 產品將多個傳感器與電子元件結合在一起，提供由板載低功耗電子元件處理的高級輸出，這些電子元件通常集成了人工智能和高級校準功能。新興 MEMS 產品融合了傳感器/執(zhí)行器制造技術、材料和設計方面的進步。以下是一些新興產品的例子：

基于微機電系統(tǒng)的揚聲器

可感應多種物質的化學傳感器

用于手持成像儀器的超聲陣列

可與 CMOS 集成的 BAW 器件

圖5 舉例說明了最先進的 MEMS 產品——融合了壓電晶體久經考驗的卓越成像性能和硅的經濟性的低壓 pMUT 陣列芯片。每個芯片包含 4096 個獨立控制的 pMUT，具有大帶寬、無與倫比的靈敏度和高達 150 度的超寬視場，可實現(xiàn)成像質量的快速提升，并提供實時人工智能功能，可對每一幀圖像進行分析，引導用戶立即找到答案。展望未來，pMUT 技術將實現(xiàn)強大的 3D 成像，并有可能實現(xiàn) 4D 成像。護理人員將能更好地觀察病人，更快地做出診斷。

現(xiàn)有技術的局限性

光通信并非新鮮事物。半個多世紀前，隨著光纖制造技術的成熟和基于 III-V 技術的光發(fā)射器和探測器的出現(xiàn)，光收發(fā)器在長距離數據傳輸中的作用迅速擴大，這要歸功于玻璃纖維的低損耗、低色散和寬帶寬特性。技術的進步和多樣化使成本大幅下降，從而使光收發(fā)器在接入和客戶端應用中得到廣泛應用。

與此同時，20 世紀 90 年代 DWDM 技術和摻鉺光纖放大器（EDFA）的出現(xiàn)徹底改變了長途網絡，為信息高速公路奠定了基礎。多年來，光收發(fā)器從定制設計設備發(fā)展到板載模塊，再到大量多源協(xié)議指定的小尺寸（SFF）插拔式光收發(fā)器。這些獨立的可插拔收發(fā)器在當今的數據中心中發(fā)揮著不可或缺的作用。

然而，隨著數據量和數據處理集成電路計算能力的持續(xù)增長，獨立收發(fā)器很快就會成為高帶寬數據傳輸的瓶頸。安裝在面板上的收發(fā)器總數可能無法為線路卡上的數據處理單元或數據交換機提供足夠的帶寬。當數據傳輸速率提高到 100 Gigabaud 或更高時，從信號完整性的角度來看，集成電路的串行數據交換器與光收發(fā)器數據輸入引腳之間的銅線損耗將成為一個挑戰(zhàn)。因此，CPO 在這種情況下提供了一個很好的替代方案，也是打破這一物理障礙，同時繼續(xù)降低整體系統(tǒng)功耗和成本的一個令人信服的選擇。

將光學收發(fā)器置于同一封裝內，可以解決信號完整性問題，因為這樣就可以用更短、損耗更低的互連器件和潛在的直接驅動光學器件消除線路卡上的長銅線。然而，要真正克服帶寬密度瓶頸，我們可能需要為長距離/長距離收發(fā)器引入 DWDM 技術，同時保持短距離同封裝光 Ioss 機制。

由于 MEMS 設備通常需要定制工藝，因此很難創(chuàng)建類似 CMOS 的高度標準化平臺。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類型傳感器的制造工藝，但成本和性能驅動因素往往決定了定制工藝。因此，必須對 MEMS 器件制造工藝及其相關封裝進行編碼設計。

另一個限制因素是沒有像 CMOS 那樣的原始元件，即晶體管。測試方法往往是傳感器工作原理或應用所獨有的，因此測試和裝配基礎設施、生態(tài)系統(tǒng)和供應鏈比電子產品更為復雜。雖然在這些領域已經取得了很大進展，但這些問題仍然限制了 MEMS 技術的廣泛應用，使基于 MEMS 的產品的上市時間成為一個問題。隨著微機電系統(tǒng)市場的持續(xù)快速增長，將會有更多的供應商推出微機電系統(tǒng)產品，情況將會有所改善。

挑戰(zhàn)和可能的解決方案

通信、計算和內存應用需要解決多個領域的技術和供應鏈挑戰(zhàn)：

光子 IC （PIC） 性能 （200G/Lambda +）、產量、可制造性和成本

大規(guī)模生產用于硅光子學的低成本 DWDM III-V 激光光源（尤其是 O 和 C 波段）

DFB（Distributed FeedBack）QDOT 和其他激光采購選項、性能、電插效率和成本

非密封激光器在升高的環(huán)境溫度下具有高性能，適合 IC 內封裝環(huán)境

集成高功率激光器，產量高、可靠性高

激光材料的混合集成

邊緣耦合和垂直耦合光纖連接無源/有源方案、光纖間距縮放和成本

光纖組裝工藝——低耦合損耗、高吞吐量、高產量

具有高光纖數/密度和減小包層直徑的光纖陣列的光纖帶狀化

光纖陣列互連/端接硬件開發(fā)和標準化

共封裝光纖 （CPO） 的光纖管理 – 每個封裝的高密度光纖（高光纖數）和帶狀光纖

先進的異構封裝，包括可實現(xiàn)高帶寬密度、高 SI（信號完整性）和低互連功耗的 3D TSV

用于處理器-處理器和處理器-內存訪問的光纖總線架構

用于光互連的低成本光源 ? 熱可調性和結溫管理 ? 可測試設計 （DFT） 和可制造性設計 （DFM）

穩(wěn)定可行的 PIC、激光器和光纖集成供應鏈和生態(tài)系統(tǒng)支持

用于生態(tài)系統(tǒng)支持的光子電路建模標準

傳感器/執(zhí)行器應用需要解決多個領域的技術和供應鏈挑戰(zhàn)：

1. CAD

傳感器/執(zhí)行器的非線性降階建模

MEMS 協(xié)同設計（傳感器/電子器件和封裝）

PDK（工藝設計套件），具有所有相關物理領域的材料屬性

2. 材料

所有相關物理領域新材料的表征

材料合成工具，用于發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化具有所需特性的材料

彎曲和拉伸下材料的表征，尤其是可穿戴設備

3. 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

4. CMOS和多傳感器集成

必須繼續(xù)使用新的封裝方法從堆疊式引線接合傳感器進行過渡，以實現(xiàn)更大程度的異構集成

5. 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傳感器轉換功率輸出百分比，才能與太陽能和熱電設備競爭

持續(xù)開發(fā)低功耗和近零功耗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的電化學傳感器競爭

紙張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組件

審核編輯：黃飛