核心要點(diǎn)

• 柔性集成電路具備耐用、貼合外形的特性，但會(huì)為本就復(fù)雜的制造流程增添新挑戰(zhàn)，而印刷柔性傳感器的配套產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善。

• 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）在大規(guī)模并行系統(tǒng)中重獲青睞，既可集成于單一設(shè)備，也可分布式部署在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)設(shè)備上。

• 基于金屬氧化物的傳感器比光子晶體傳感器更具規(guī)模化應(yīng)用潛力，因金屬氧化物的傳感性能不會(huì)受濕度影響而衰減。

當(dāng)下融合了人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字技術(shù)，正被用于更精準(zhǔn)地采集環(huán)境和人體產(chǎn)生的模擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)。最新的傳感器技術(shù)可模擬生物感知機(jī)制，而人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)則為分布式智能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析提供了支撐。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，現(xiàn)有成熟技術(shù)需被應(yīng)用于復(fù)雜度持續(xù)提升的場景中，這也對(duì)制造工藝和化學(xué)材料技術(shù)提出了創(chuàng)新要求。

成熟技術(shù)在新型傳感器與醫(yī)療科技設(shè)備中的創(chuàng)新應(yīng)用

1. 柔性集成電路：這一概念誕生已近百年，如今其可被彎折集成至三維封裝結(jié)構(gòu)中。電路的導(dǎo)電線路構(gòu)筑于聚酰亞胺、聚醚醚酮或聚酯等柔性塑料基底之上，元器件則焊接在裸露的銅焊盤上。

2. 柔性混合電子技術(shù)（FHE）：一種新型解決方案，融合了印刷電子技術(shù)的優(yōu)勢（如導(dǎo)電油墨、可拉伸性）與基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的高性能硅基元器件特性。

3. 微機(jī)電系統(tǒng)：誕生于 20 世紀(jì) 60 年代，如今更高精度的微機(jī)電設(shè)備正被應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的陣列換能器等更多場景。

4. 半導(dǎo)體金屬氧化物：這類材料的優(yōu)異傳感性能早已為人熟知，目前正被用于嗅覺傳感器，模擬生物的嗅覺感知能力。

柔性傳感器與柔性器件

消費(fèi)級(jí)可穿戴設(shè)備、植入式醫(yī)療設(shè)備、軟機(jī)器人、折疊屏手機(jī)、可拉伸顯示屏、環(huán)境傳感器以及智能商品包裝等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)柔性技術(shù)的需求都在持續(xù)增長。

普羅梅克斯公司首席運(yùn)營官道格?弗洛姆表示：“傳統(tǒng)器件均搭載在剛性基底上，比如陶瓷基底、有機(jī)印制電路板，或是射頻器件所用的金屬基底。柔性電子技術(shù)則具備諸多優(yōu)勢，不僅耐用、能貼合各種外形，還可通過彎折實(shí)現(xiàn)三維封裝的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。”

弗洛姆解釋道，其弊端在于，為保證高良率和高品質(zhì)，柔性基底需要定制化工藝來解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的各類復(fù)雜問題。“這些問題會(huì)相互疊加，且復(fù)雜度通常并非簡單的線性疊加。企業(yè)都希望實(shí)現(xiàn)多功能集成，而要獲得相應(yīng)的性能優(yōu)勢，就必須攻克這些復(fù)雜難題。”

未來五年，剛性基底與柔性基底的市場應(yīng)用占比有望趨于持平。弗洛姆稱：“行業(yè)的核心發(fā)展方向是集成化，企業(yè)需要具備全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)能力，覆蓋從原材料到成品的所有環(huán)節(jié)。這些產(chǎn)品既可以是面向裸片加工企業(yè)的晶圓，也可以是卷帶式封裝的表面貼裝元器件，而最終成品則是可集成至各類設(shè)備外殼中的柔性器件。”

圖1：采用表面貼裝技術(shù)（SMT）工藝的子組件。來源：Promex

柔性微機(jī)電系統(tǒng)

消費(fèi)電子及各垂直領(lǐng)域的眾多集成電路，均集成了微機(jī)電傳感器或執(zhí)行器，這類器件既可搭載在柔性基底，也可用于剛性基底。微機(jī)電技術(shù)雖已發(fā)展數(shù)十年，但當(dāng)前的發(fā)展趨勢是研發(fā)更高精度的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更豐富的功能。

弗洛姆表示：“微機(jī)電系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更豐富的數(shù)據(jù)采集，不再局限于單點(diǎn)傳感，而是可通過陣列實(shí)現(xiàn)面狀的傳感成像。”

例如，普羅梅克斯公司正研發(fā)一款微機(jī)電陣列換能器。他介紹道：“該陣列中集成了大量換能器，要基于這些換能器單元快速、低噪聲、低功耗地生成圖像，需要強(qiáng)大的算力支撐，這也是微機(jī)電設(shè)備的典型應(yīng)用場景，可用于醫(yī)療、消費(fèi)電子等各類設(shè)備。而如何以高良率實(shí)現(xiàn)換能器單元的封裝，保證所有像素單元正常工作，是一大技術(shù)挑戰(zhàn)，此外，高算力需求也會(huì)引發(fā)諸多衍生問題。”

客戶正尋求將微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于大規(guī)模并行系統(tǒng)中。弗洛姆說：“這種并行既可以是單一設(shè)備內(nèi)的并行，也可以是將大量設(shè)備分布式部署在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，許多微機(jī)電系統(tǒng)需搭載在柔性基底上，而隨之而來的難題是，如何確保所有連接的可靠性，以及這些連接的耐用性能夠滿足聚酰亞胺柔性基底上器件的全生命周期使用要求，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)難度極大。”

普羅梅克斯公司曾為某客戶在高密度倒裝芯片上制作微機(jī)電陣列換能器，即便是在常規(guī)的有機(jī)基底上，這一工藝的難度也頗高。弗洛姆表示：“要在柔性基底上以高良率實(shí)現(xiàn)該工藝，難度更是不言而喻。此外，這類器件還會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。人們通常將電路板布局視為純電氣工程問題，只需完成信號(hào)和電源的布線，并做好隔離以避免噪聲干擾即可，柔性基底的布線也遵循這一原則。但如今，還必須考慮封裝帶來的機(jī)械問題：在倒裝芯片工藝中，回流焊過程會(huì)因熱膨脹系數(shù)不匹配等因素，給器件帶來應(yīng)力，甚至可能導(dǎo)致柔性基底內(nèi)部的線路斷裂。”

可靠性與仿真模擬的技術(shù)挑戰(zhàn)

在可靠性方面，柔性器件的故障大多出現(xiàn)在基底的表層或周邊區(qū)域，而非互連點(diǎn)或焊點(diǎn)處。

弗洛姆表示：“在設(shè)計(jì)線路時(shí)，需考量線路和焊盤的厚度、平面尺寸等參數(shù)，預(yù)判機(jī)械結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，但這些薄弱點(diǎn)往往只有在實(shí)際制作后才能發(fā)現(xiàn)。可能在試制階段發(fā)現(xiàn)斷裂問題并完成修復(fù)，也可能試制的樣品順利通過測試，但在實(shí)際應(yīng)用中又出現(xiàn)新的故障亟待解決。這一過程極為復(fù)雜，且往往難以通過仿真模擬實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)判。由于不同器件的幾何結(jié)構(gòu)存在差異，某類器件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)往往無法直接復(fù)用，幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因此成為這類高精度、高智能柔性器件研發(fā)的最大挑戰(zhàn)。如何保證器件的機(jī)械剛度和穩(wěn)定性，使其具備足夠的耐用性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地，是行業(yè)亟待解決的問題。”

設(shè)計(jì)師通常采用馮?米塞斯應(yīng)力值法（而非基礎(chǔ)物理組件應(yīng)力分析法），判斷特定材料在位移和應(yīng)力作用下是否會(huì)發(fā)生屈服或斷裂。新思科技產(chǎn)品營銷總監(jiān)馬克?斯溫寧表示：“關(guān)鍵不僅在于位移的大小，還在于位移的方向。材料會(huì)受到三維空間的應(yīng)力作用，同時(shí)還會(huì)承受三個(gè)軸向的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因此每個(gè)材料單元通常存在六種可能的應(yīng)力矢量。要對(duì)整個(gè)器件的所有應(yīng)力矢量進(jìn)行分析，在實(shí)際操作中不具備可行性，而馮?米塞斯應(yīng)力值法可通過數(shù)學(xué)方法將這種復(fù)雜性簡化為一個(gè)有實(shí)際意義、可指導(dǎo)設(shè)計(jì)的數(shù)值。”

應(yīng)力矢量對(duì)柔性集成電路的設(shè)計(jì)有著特殊的影響。斯溫寧說：“應(yīng)力和位移是相輔相成的關(guān)系，柔性材料可通過彎折釋放應(yīng)力，因此應(yīng)力值較低，但位移量會(huì)較大；而剛性材料的位移量可被最小化，但應(yīng)力會(huì)不斷累積。設(shè)計(jì)師需要在兩者之間找到平衡，這也是當(dāng)前行業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)。臺(tái)積電等企業(yè)高度關(guān)注熱機(jī)械變形問題，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)器件的下游可靠性產(chǎn)生顯著影響。我們了解到，多家大企業(yè)的量產(chǎn)產(chǎn)品曾因熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致接觸點(diǎn)損壞，最終不得不全部召回，因此行業(yè)已較早開展了熱機(jī)械可靠性的相關(guān)分析。”

但對(duì)于全新類型的器件，目前缺乏足夠的實(shí)測數(shù)據(jù)，無法通過仿真模擬實(shí)現(xiàn)左移設(shè)計(jì)法，讓設(shè)計(jì)師在研發(fā)早期就發(fā)現(xiàn)并解決問題。弗洛姆表示：“這一難題的解決難度極大，行業(yè)只能不斷摸索經(jīng)驗(yàn)法則，并將其逐步轉(zhuǎn)化為通用設(shè)計(jì)規(guī)范。設(shè)計(jì)師必須將整個(gè)器件視為一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)合制造環(huán)節(jié)的工藝能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終，器件的設(shè)計(jì)方需要建立一套完善的體系，深入分析故障原因、實(shí)現(xiàn)故障量化檢測，并通過針對(duì)性測試主動(dòng)發(fā)現(xiàn)并解決潛在故障。這一系列工作，是剛性器件的產(chǎn)品研發(fā)和制造工藝開發(fā)中極少涉及的。”

圖2：專用零件的放置與連接。來源：Promex

印刷柔性技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

布魯爾科學(xué)公司研發(fā)出了尺寸最小可達(dá) 1 毫米的印刷式柔性水傳感器，可原位檢測鉛等水中污染物。該項(xiàng)目始于 21 世紀(jì)初，團(tuán)隊(duì)最初開展碳納米管功能化的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，最終摸索出將其制成傳感器的方法。

布魯爾科學(xué)公司智能設(shè)備研發(fā)總監(jiān)亞當(dāng)?斯科奇表示：“這也成為公司傳感器業(yè)務(wù)的重要起點(diǎn)，我們開始研發(fā)環(huán)境監(jiān)測傳感器，如氣體傳感器、濕度傳感器等。當(dāng)時(shí)柔性印刷電子和柔性傳感器的研發(fā)成為行業(yè)熱點(diǎn)，我們同期開展了導(dǎo)電油墨的研發(fā)，但彼時(shí)行業(yè)內(nèi)尚無成熟的印刷工藝，因此我們不得不自主研發(fā)印刷技術(shù)，為行業(yè)提供參考。在這一過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳感器的生產(chǎn)和銷售遠(yuǎn)非易事，客戶很難將我們的傳感器直接集成至自身應(yīng)用中，因此我們開始自主研發(fā)相關(guān)器件和硬件。”

經(jīng)過多次技術(shù)迭代，該公司的水傳感器已不再基于碳納米管材料。為實(shí)現(xiàn)傳感器的低成本化，必須攻克規(guī)模化量產(chǎn)的技術(shù)難題。

斯科奇解釋道：“這意味著需要研發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的涂覆或印刷工藝。我們依托在材料科學(xué)、聚合物和化學(xué)領(lǐng)域的核心技術(shù)積累 —— 這也是公司的核心競爭力，摸索出了從半導(dǎo)體核心業(yè)務(wù)向當(dāng)前領(lǐng)域拓展的技術(shù)路徑，核心在于傳感器的化學(xué)配方設(shè)計(jì)和材料涂覆工藝。我們不得不研發(fā)專用的材料涂覆印刷技術(shù)，這類傳感器并非硅基芯片，而是由聚合物材料制成、帶有電極的膜狀器件，與傳統(tǒng)硅基技術(shù)相去甚遠(yuǎn)，但我們?cè)趥鞲衅髦惺褂昧瞬糠止舅氖嗄暄邪l(fā)積累的基礎(chǔ)材料。傳感器仍需要能耐受各類水質(zhì)的基底材料和封裝材料，需在六個(gè)月內(nèi)保護(hù)傳感器免受雨水匯入水源過程中泥沙、藻類等各類雜質(zhì)的影響。”

眾多企業(yè)均涉足過印刷電子技術(shù)的研發(fā)，如今該技術(shù)已逐漸成為規(guī)模化量產(chǎn)的可行選擇。斯科奇表示：“長期以來，印刷電子的研發(fā)投入規(guī)模較小，卻一直被視為行業(yè)未來的發(fā)展方向，在過去的二三十年間，這一技術(shù)也被賦予過諸多不同的名稱。”

印刷電子技術(shù)面臨的主要問題是配套產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的缺失。斯科奇說：“由于印刷電子的應(yīng)用場景數(shù)以千計(jì)，行業(yè)尚未建立起完善的配套基礎(chǔ)設(shè)施。此前所有企業(yè)都爭相布局卷對(duì)卷印刷技術(shù)，認(rèn)為這是實(shí)現(xiàn)成本降低的未來方向，射頻識(shí)別和太陽能電池等領(lǐng)域均發(fā)軔于此。企業(yè)普遍認(rèn)為，所有產(chǎn)品都可通過卷對(duì)卷印刷實(shí)現(xiàn)成本下降，行業(yè)也因此搭建了相關(guān)的卷對(duì)卷印刷基礎(chǔ)設(shè)施，但從經(jīng)濟(jì)效益來看，只有當(dāng)產(chǎn)品的量產(chǎn)規(guī)模達(dá)到數(shù)十億件時(shí)，卷對(duì)卷印刷才具備成本優(yōu)勢，而面向數(shù)萬件小批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施則極為匱乏。”

此外，金屬化工藝也一直是行業(yè)的技術(shù)瓶頸。斯科奇表示：“多年來，行業(yè)一直在研發(fā)導(dǎo)電油墨，這類油墨大多以銀為主要原料，但印刷后的油墨線路存在極高的電阻，這成為一大技術(shù)難題。如果研發(fā)傳感器時(shí)，線路的功耗占據(jù)了總功耗的一半，那么傳感器根本無法實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定工作。”

金屬氧化物傳感器

哈佛大學(xué)的研究人員正研發(fā)一款嗅覺傳感器，可通過集成電路上的微型風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)氣體嗅探，其原理類似相機(jī)的對(duì)焦功能，即便使用相同的硬件，也可實(shí)現(xiàn)檢測目標(biāo)的切換。

該款傳感器最初集成了光子晶體傳感單元，但研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，光子晶體傳感器難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的實(shí)際應(yīng)用。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究生哈里托什?帕特爾表示：“光子晶體的傳感性能會(huì)受濕度嚴(yán)重影響，這種干擾不僅會(huì)損壞傳感器本體、導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)失真，還會(huì)影響高精度光譜儀的讀數(shù)準(zhǔn)確性。”

為實(shí)現(xiàn)傳感器在實(shí)際場景中的應(yīng)用 —— 如通過檢測細(xì)菌代謝情況判斷食品腐敗程度，或檢測室內(nèi)空氣中的有害氣體，研究團(tuán)隊(duì)不得不重新設(shè)計(jì)傳感器的硬件方案。

帕特爾說：“我們發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體金屬氧化物早已作為化學(xué)電阻傳感器，廣泛應(yīng)用于揮發(fā)性有機(jī)化合物和光的檢測中。酒精測試儀等設(shè)備也使用這類金屬氧化物傳感器，其原理是，化學(xué)電阻表面發(fā)生的可逆氧化反應(yīng)，會(huì)根據(jù)不同化合物的相對(duì)濃度變化調(diào)節(jié)傳感器的電阻值。”

哈佛大學(xué)研發(fā)的這款嗅覺傳感器，借鑒了珀索德等人 1982 年發(fā)表的論文成果，該論文首次提出了電子鼻的概念，即由多個(gè)傳感單元構(gòu)成的嗅覺檢測系統(tǒng)。帕特爾解釋道：“單一金屬氧化物傳感單元的弊端在于選擇性較差，若僅使用一個(gè)金屬氧化物傳感單元，無法判斷可逆氧化反應(yīng)是由哪種物質(zhì)引發(fā)的，因?yàn)樵搯卧獌H能檢測氧化反應(yīng)的發(fā)生。一種濃度翻倍的強(qiáng)氧化性物質(zhì)，與一種濃度更高的弱氧化性物質(zhì)，可能會(huì)使傳感器產(chǎn)生相似的電阻響應(yīng)。”

帕特爾指出，珀索德的論文指出，工程師可將多個(gè)金屬氧化物傳感單元組合使用，為每個(gè)單元摻入不同的摻雜劑，使其具備不同的傳感靈敏度，這一設(shè)計(jì)與人體的嗅覺受體結(jié)構(gòu)大致相似。

人體的嗅覺受體并非簡單的鎖鑰結(jié)合機(jī)制。帕特爾說：“其本質(zhì)也是非選擇性的，即便是人體的生物嗅覺受體，也只是選擇性地發(fā)生非特異性結(jié)合，而結(jié)合的強(qiáng)度才是傳遞嗅覺信息的關(guān)鍵，并非單一受體與單一檢測物的結(jié)合。因此，若將多個(gè)金屬氧化物傳感器組成陣列 —— 比如 10 個(gè)、20 個(gè)，甚至數(shù)百個(gè)摻雜劑略有不同的傳感器，系統(tǒng)會(huì)生成對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線，通過對(duì)曲線的解析，即可判斷引發(fā)氧化反應(yīng)的物質(zhì)種類，或是檢測出空氣中的化學(xué)物質(zhì)成分，這也是我們的核心技術(shù)突破。”

在確定這一設(shè)計(jì)思路后，研究團(tuán)隊(duì)完成了硬件的研發(fā)。帕特爾說：“這款電子鼻由一組金屬氧化物傳感器構(gòu)成，同時(shí)集成了專用的印刷電路板線路，可適配不同的應(yīng)用場景。”

帕特爾表示，在針對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的應(yīng)用中，該傳感器還會(huì)搭配溫濕度傳感器、流量傳感器等環(huán)境傳感器，通過這類傳感器的校準(zhǔn)，消除環(huán)境因素對(duì)金屬氧化物傳感器響應(yīng)值的影響。

他說：“在完成硬件研發(fā)后，我們搭建了相應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)不同化合物、不同化學(xué)物質(zhì)在各類環(huán)境下的傳感器響應(yīng)曲線進(jìn)行采集和訓(xùn)練。目前，這款基于商用低成本金屬氧化物傳感器的系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境中對(duì)甲醛的檢測下限已可達(dá) 40 億分比濃度，甚至更低。這一成果的實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上是通過表面貼裝器件的合理組合，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，最終實(shí)現(xiàn)了化學(xué)物質(zhì)的高精度檢測。”

結(jié)論

傳感器和集成電路領(lǐng)域的最新發(fā)展成果表明，成熟技術(shù)可在前沿應(yīng)用場景中煥發(fā)新的生機(jī)。例如，柔性集成電路最初的應(yīng)用構(gòu)想主要集中在工業(yè)領(lǐng)域，如在閥門等設(shè)備上臨時(shí)部署，實(shí)現(xiàn)流量的檢測，而可印刷的柔性傳感器則實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，帶來了行業(yè)的顛覆性變革。

當(dāng)前的行業(yè)挑戰(zhàn)在于，如何推動(dòng)傳感器、材料等技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的融合應(yīng)用。布魯爾科學(xué)公司的斯科奇表示：“還有許多行業(yè)內(nèi)甚少提及的配套問題亟待解決，比如如何實(shí)現(xiàn)材料的涂覆、材料的使用壽命有多長、應(yīng)選擇何種基底、還需要搭配哪些輔助材料等。”

目前這類器件的市場化產(chǎn)品仍較少，但市場需求卻十分旺盛。斯科奇說：“眾多初創(chuàng)企業(yè)和高校都在研發(fā)相關(guān)技術(shù)，推動(dòng)這類器件的產(chǎn)業(yè)化落地。這一領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化只是時(shí)間問題，且由于應(yīng)用場景極為豐富，市場足以容納眾多參與者。”