[ 導讀 ] 旨在實現萬億傳感器社會的發展規劃“TSensors Roadmap”以傳感器中未來10年里每年的需求有望達到10億個的產品為對象。

        萬億傳感器會采用何種制造技術量產？部件企業的經營者和技術人員認為，需要采用不同于現有方法的制造技術。其中，很多觀點認為印刷技術比較有希望。印刷技術不使用多余的材料，能以連續工藝制造，因此容易降低成本。

        旨在實現萬億傳感器社會的發展規劃“TSensors Roadmap”以傳感器中未來10年里每年的需求有望達到10億個的產品為對象。萬億傳感器社會的提倡者、TSensors Summit公司的創始人Janusz Bryzek認為這些傳感器的總數在2023年之前每年會超過1萬億個。智能手機配備的消費類加速度傳感器及麥克風等不依賴發展規劃也能達成目標的傳感器則不包含在藍圖中。

        在發展規劃中，首先Bryzek等人將把多種類型的傳感器集中到按傳感對象劃分的平臺“TApp”上，規定每種傳感器所要求的條件。截至2014年2月，已確定了約10種TApp，并從Bryzek招募的有志之士中選出了每種TApp的負責人。TApp包括非侵襲健康監測、人工五感、環境傳感、基礎設施傳感以及針對食品行業的傳感等。

        2014年內將由各負責人將發展規劃書面化，在2015年6月之前發行對整體進行了調整的技術標準書。下一步TSensors Summit公司將支援傳感器相關風險企業進行創業等，提供推動萬億傳感器相關產業加速發展的服務。另外，還計劃以制造業新創造的就業崗位為依據，開展讓美國政府等提供財政支援的游說活動。

        傳感器價格需降到13美分以下

        各TApp規定的主要條件是目標價格和最佳制造方法。目標是通過實現標準化來大幅削減制造成本。

        目標價格方面，Bryzek根據傳感器市場規模的走勢預測，傳感器的總銷售額“不會超過日本國內生產總值（GDP）的0.1％”。Bryzek根據大量統計等推測，2023年全球的GDP為130萬億美元，他認為，傳感器單價的上限是13美分。另外，Bryzek根據同樣的經濟規模推測，包括網絡和控制電路在內的傳感器節點系統的最高單價需要控制在1美元以下。上述價格上限包括任何用途。

        回顧此前智能手機配備傳感器的歷程會發現，單價的降低與出貨量的增加息息相關。Bryzek認為，“器件的大量出貨意味著單價的大幅削減”。這也反映在了發展規劃中。

       需要新技術

        要想實現制造成本可大幅削減、而且支持多種用途的萬億傳感器，“需要開發取代現有硅工藝的新器件制造技術”。提出這個觀點的，是美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校工學部長、以MEMS（微電子機械系統）傳感器研究而聞名的Albert A. Pisano（Professor and Dean, Jacobs School of Engineering）。

        聽到萬億傳感器社會這一愿景的日本技術人員和經營者也認為，“通過強化現有半導體制造技術來實現每年1萬億個傳感器的量產（實際上）應該做不到”（日本傳感器企業的業務負責人等）。

        在不同于以往的制造技術中，Bryzek看好的是采用印刷工藝的傳感器制造技術（圖1）。另外，采用現有半導體制造技術制造傳感器時似乎也需要在封裝等方面下工夫。

圖1：用新方法解決傳感器現有制造技術的課題

 傳感器的現有制造方式主要利用硅半導體制造技術。用于萬億傳感器的話，不但成本高，產能也不足。需要縮小芯片或采用新方法。新方法包括卷對卷印刷和3D打印等。

        下面就從TSensors Summit公司為收集制定發展規劃所需的基礎技術而召開的會議“TSensors Summit”（2013年10月，美國斯坦福大學），以及該公司與日經BP社于2014年2月聯合舉辦的“Trillion Sensors Summit Japan 2014”上的演講中，介紹一些提案技術的案例。

        在柔性基板上安裝超小型IC

        基于現有MEMS技術的傳感器制造方法一般通過縮小芯片尺寸來降低成本。現行智能手機等配備的3軸加速度傳感器等的芯片尺寸約為2mm見方。這個尺寸還可以進一步縮小，因為有試制案例，不過會變得難處理，不容易安裝。還可能導致生產效率降低，從而使得成本上升。

        在2013年10月舉行的TSensors Summit上，加拿大Terepac公司提出了低成本安裝極小的薄型芯片的技術（圖2）。

圖2：提高0.5mm見方以下的極小芯片安裝的效率

 單側不到0.5mm的極小芯片的低成本安裝方法示例。從硅晶圓上切割幾百～幾千個芯片群到膠帶上，用卷對卷工藝安裝到薄膜基板上。

        作為萬億傳感器的形態之一，Terepac公司認為，把利用硅芯片制造的傳感器和外圍電路安裝到柔性基板上的傳感器節點將會亮相。設想的用途是，貼在很多物品上的柔性傳感器。

        該公司認為，這種用途需要能在柔性基板上低成本安裝芯片尺寸為0.5mm見方、厚度不到50μm的硅芯片的技術。這種安裝“利用現有的電子部件用安裝裝置無法實現”（該公司）。

        因此，該公司提出的安裝方法是，把可用安裝機處理的膠帶貼到已形成芯片的晶圓上，在切割工序不切斷膠帶，只切割各芯片。由此，能以膠帶為單位統一處理幾百～幾千個芯片。

        膠帶與晶圓的粘接利用可通過加熱或照射紫外線剝離的粘合劑。通過精確地對任意芯片加熱或照射紫外線，可轉印到印刷基板上。還能同時轉印多枚芯片。

        通過印刷法實現“10美分傳感器”

        加利福尼亞大學圣地亞哥分校的Pisano看好的新技術與Bryzek一樣，也是印刷工藝。Pisano對Bryzek提出的萬億傳感器社會愿景產生了共鳴，是從最初就積極致力于啟蒙活動的研究人員。Pisano認為，萬億傳感器的制造單價需要降到10美分以下。

        Pisano在2013年10月舉行的TSensors Summit和2014年2月于東京舉行的Trillion Sensors Summit Japan 2014上，公開了名為“Advective Nanoprint”的干納米印刷技術（圖3）。解決了現有的凹版印刷和絲網印刷等印刷技術的課題，適合用于量產。

圖3：較現有印刷方法提高分辨率

 （a）分辨率和對位精度都比采用現有印刷方法的半導體制造技術高的方式（“提案方式”）。（b）利用與納米壓印同樣微小的模具形成構造。使模具內的聚合物油墨的溶劑氣化，形成構造體。

        模具采用透氣材料

        Advective Nanoprint技術將形成了微細溝槽（流路）的模具放到基板上之后，在模具的流路中澆注油墨，然后蒸發油墨的溶劑制作構造體。模具材料采用透氣性高的PMP（聚甲基戊烯），因此即使將模具放到基板上，溶劑也能蒸發掉。PMP是半透明的薄塑料膜狀，比較柔軟，因此還可用于復雜形狀的基板。

        此次的方法使油墨只存在于流路中，不會流到不形成構造體的位置。因此不會產生殘留油墨形成垃圾的課題。還能省去清洗工序。

        該技術的分辨率（線寬/線距）為250nm，還能實現180nm，目標是實現130nm。目標定位精度為25nm。通過與企業進行共同開發，“可在2年半以內通過卷對卷工藝提高吞吐量”（Pisano）。

        油墨與基板可選擇多種組合。比如在聚酰亞胺基板上進行纖維素印刷和金納米顆粒物油墨印刷、在玻璃基板上進行殼聚糖印刷和金納米顆粒物油墨印刷、在硅基板上進行PMMA印刷和ZnO納米顆粒物油墨印刷等。另外，還能同時印刷2種油墨材料，將來可同時形成3～4種材料。

        3D打印也納入視野

        發展規劃項目中加入的唯一一種制造方式是“數字制造與3D打印”。Bryzek認為該領域今后有望實現巨大的進步，其中除了TApp之外，還包含“IoE”、“超低功耗無線通信”、“能量采集與超低功耗電子”。

        Bryzek認為，數字制造與3D打印可將大面積化的傳感系統單位面積的成本降到現有技術的1/1000。將來還計劃實現IC。他認為把用戶的周邊空間作為用戶界面的使用方法今后將成為主流，因此似乎打算用于這種用途的傳感。

        德國卡爾斯魯厄理工學院在2013年10月舉行的TSensors Summit上發布了3D打印相關的技術（圖4）。

圖4：不利用現有硅半導體工藝形成了三維構造

 （a）用3D打印技術實現傳感部所需的三維構造的方法。（b）僅光的焦點位置的樹脂硬化。（c）實際形成后的示例。還可形成光導。

        該技術是向構造材料的原料——光刻膠照射激光使之硬化，形成三維構造。原理本身并不新穎，不過分辨率高達幾十nm。這個分辨率是通過僅在光刻膠的一點連續發生名為“雙光子吸收”的局部現象使之硬化而獲得的。光源是固定的，移動固定在三維移動臺上的光刻膠，以飛秒（fs）級短脈沖激光進行照射。

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