方法助力 智造“中國芯”

文/本刊記者 段永利

廣東賽區(qū)

廣州奧松電子股份有限公司

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等新一代信息技術(shù)的感知基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)來源，但目前國內(nèi)90%的傳感器芯片依賴進口，高端傳感器芯片更是幾乎全部依賴進口，嚴(yán)重制約了中國傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也限制了尖端科技的發(fā)展。

廣州奧松電子股份有限公司（以下簡稱“奧松電子”）是MEMS領(lǐng)域集芯片設(shè)計、芯片制造、封裝測試、終端應(yīng)用為一體的智能傳感器全產(chǎn)業(yè)鏈（簡稱MEMS IDM）國家專精特新“小巨人”企業(yè)，擁有粵港澳大灣區(qū)先進制程傳感器芯片制造和封裝測試量產(chǎn)線，已研發(fā)的30多個系列產(chǎn)品在產(chǎn)品尺寸、性能、封裝工藝等各方面達到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，緩解了國內(nèi)傳感器嚴(yán)重缺“芯”的局面。

勇于擔(dān)當(dāng) “啃”最難啃的硬骨頭

奧松電子高度重視自主研發(fā)能力，成立伊始，公司便成立了研發(fā)中心，目前擁有一支近200名工程師的專職研發(fā)團隊，近五年來年均研發(fā)經(jīng)費投入占營業(yè)收入總額的20%以上，近三年累計研發(fā)出了30多項新產(chǎn)品。

然而，2020年突如其來的新冠肺炎疫情打亂了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。疫情當(dāng)下，美國、日本、德國等國家采取了嚴(yán)重的技術(shù)封鎖，限制多項傳感器相關(guān)技術(shù)的出口。而我國生產(chǎn)呼吸機、麻醉機的關(guān)鍵傳感器長期全部依賴進口，面對來勢洶洶的疫情，國內(nèi)核心關(guān)鍵傳感器一度短缺，嚴(yán)重限制了疫情期間必需品呼吸機、麻醉機的產(chǎn)能。

緊急關(guān)頭，奧松電子集全公司之力成立了醫(yī)用傳感器攻關(guān)團隊，在復(fù)工復(fù)產(chǎn)極為艱難的情況下，調(diào)配所有資源攻克新型醫(yī)療用微型差壓傳感器的研制。

創(chuàng)新不是一件容易的事，奧松電子遇到不止一道難關(guān)。

醫(yī)療用微型差壓傳感器作為方艙醫(yī)院的核心，要保證方艙7天每天24小時產(chǎn)生負壓效果，阻隔污染區(qū)與潔凈區(qū)，牢牢鎖住病毒不擴散，需要檢50帕下的差壓。而一只蝴蝶煽動翅膀就可以帶來150帕的壓力變動，這一研究在當(dāng)時是世界級技術(shù)難題；關(guān)鍵傳感部件需要MEMS特色半導(dǎo)體生產(chǎn)線作為支撐，而國內(nèi)半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，研發(fā)技術(shù)和制備工藝條件均受到國外的技術(shù)封鎖與行政限制，組建智能傳感器的核心芯片生產(chǎn)線在國內(nèi)還是一片空白；在微型差壓傳感器的實際研發(fā)過程中，奧松電子研制出的首批差壓傳感器芯片在0至50帕小量程卻無法滿足6毫伏以上的電壓變化量，靈敏度低，如何在不增加核心芯片尺寸的前提下能盡快投入到當(dāng)時的醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中，如何把項目研究及量產(chǎn)的成本控制在預(yù)期的范圍內(nèi)？

創(chuàng)新方法 攻克“卡脖子”難題

難題當(dāng)前，方法為先。

面對項目中的難題，公司創(chuàng)新團隊查詢了發(fā)達國家的先進專利182項，均在125帕以上量程。在沒有研究材料參考的情況下，如何快速突破技術(shù)研發(fā)出50帕以下的微差壓傳感器是首要攻克的難關(guān)？

公司董事長兼首席技術(shù)專家張賓親自主持該項目的研發(fā)，邀請半導(dǎo)體芯片專家進行技術(shù)指導(dǎo)。經(jīng)過多次開會討論，最終借助“IFR最終理想解”的方法，將要實現(xiàn)的最終目標(biāo)、理想結(jié)果、所需資源、存在的障礙一一列出，并分析避免障礙所需的條件，形成初步的概念方案。然后再利用功能分析法、因果鏈分析法，通過以往產(chǎn)品大量工藝驗證數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)過程中添加材料的分量和順序、刻蝕的方法等因素對產(chǎn)品結(jié)果的趨勢分析，找到影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵問題：懸膜膜厚過厚、工藝制程深寬比不足、電阻間距大、電阻溫度系數(shù)低、電阻鍍膜不均勻、垂直刻蝕精度差，并將電阻間距大、懸膜厚度過厚、工藝制程深寬比不足三個問題定位為最核心的問題，為未來項目研究的重要評判標(biāo)準(zhǔn)。

至于MEMS工藝難題，奧松電子之前多次與國內(nèi)外專家交流學(xué)習(xí)，建成了先進的MEMS半導(dǎo)體智能傳感器特色芯片生產(chǎn)線，已涵蓋晶圓清洗、宣圖光刻膠、顯影、干法刻蝕、晶圓拋光、晶圓切割、封裝等工藝流程。隨著研發(fā)產(chǎn)品類型的不斷擴充，還在陸續(xù)購買不同的工藝設(shè)備，努力打造出國內(nèi)領(lǐng)先的MEMS半導(dǎo)體傳感器集成電路全產(chǎn)業(yè)鏈。這也為微型差壓傳感器項目的研發(fā)提供了必要的工藝實踐條件。

為了解決工藝過程中懸膜厚度過厚、電阻間距大等工藝難點，創(chuàng)新團隊先后利用九屏幕、資源分析、STC算子、物理矛盾等創(chuàng)新方法進行分析，得出27種理論解決方案，然后邀請集成電路半導(dǎo)體行業(yè)專家，對這些概念方案從可行性、可靠性、成本三個維度進行綜合評價得到7個最終實施方案。

經(jīng)過實際工藝過程的試驗，形成了最終方案。團隊采用DRIE深硅刻蝕工藝，優(yōu)化光刻版圖，增加復(fù)合基底，調(diào)整參數(shù)進行流片，由此得到的微型差壓傳感器在0至50帕量程內(nèi)可精準(zhǔn)檢測出6毫伏以上電壓的變化量，尺寸縮小40%以上，成本相比進口產(chǎn)品減少20%，徹底打破了國外對我國醫(yī)用傳感器的技術(shù)壟斷。該產(chǎn)品經(jīng)過兩個月的不斷改進研究，終于打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了量產(chǎn)，目前在國內(nèi)多所醫(yī)院的醫(yī)用設(shè)備中已成功應(yīng)用，解決了呼吸機等醫(yī)療設(shè)備中缺少關(guān)鍵零部件的問題。

通過創(chuàng)新方法的運用，奧松電子啟動了8英寸MEMS特色芯片生產(chǎn)線的建設(shè)，多款MEMS智能傳感器芯片均屬于科技前沿的產(chǎn)品，可面向全國提供全方位服務(wù)的一站式MEMS特色芯片解決方案。其中，奧松電子研發(fā)的溫濕度傳感器、氣體流量傳感器、液體流量傳感器、差壓傳感器、氣體傳感器、氧氣傳感器、水蒸氣傳感器、二氧化碳傳感器、PM2.5傳感器、X射線傳感器均已成功進行成果轉(zhuǎn)化，為粵港澳大灣區(qū)發(fā)展智慧醫(yī)療、新能源汽車、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧安防、智能家電等新一代信息技術(shù)領(lǐng)域提供了硬件技術(shù)支撐，實現(xiàn)國產(chǎn)替代進口，緩解我國智能傳感器關(guān)鍵技術(shù)被“卡脖子”的現(xiàn)狀，保障國家關(guān)鍵零部件供應(yīng)鏈安全。

創(chuàng)新理念 構(gòu)建全新管理模式

在當(dāng)今復(fù)雜的國際環(huán)境下，集成電路技術(shù)進一步受到限制和封鎖，作為智能傳感器全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，奧松電子的創(chuàng)新步伐一刻沒有松懈。

研發(fā)團隊正在進行技術(shù)探討

公司每年邀請創(chuàng)新方法專家對團隊進行多次專題培訓(xùn)，通過創(chuàng)新方法培訓(xùn)，進一步增強了企業(yè)科研人員對TRIZ理論的深刻認識，助力公司不斷增強自主創(chuàng)新能力，加快產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)更大效率的創(chuàng)新和突破。為提高全體科研人員的創(chuàng)新意識和熱情，公司還制訂科研創(chuàng)新獎勵制度，鼓勵公司員工利用現(xiàn)有平臺和技術(shù)資料，開展創(chuàng)新性研究并申請專利。2022年以來，公司已開發(fā)20多個研發(fā)項目，申請50多項專利，其中發(fā)明專利25項。通過獎勵制度的實施，幾年間，奧松電子的傳感器研發(fā)速度得到快速增長，已有幾十款新產(chǎn)品進入市場。

此外，奧松電子還非常重視高端人才的引進，目前已獲批建立了“博士后科研工作站”，積極引進博士人才，為公司產(chǎn)品研究提供新的思路和方向。公司還組建了廣東省科技專家工作站，通過產(chǎn)學(xué)研合作方式，以項目為紐帶，聚集業(yè)界專家開展共同研發(fā)，開發(fā)出更多科技含量更高、市場前景更為廣闊的智能傳感器，促進更多理論研究成果的轉(zhuǎn)化。

奧松電子以提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品與服務(wù)為己任，憑借產(chǎn)品性能可靠、測量精度高、抗干擾能力強的優(yōu)勢，先后榮獲“國家專精特新小巨人”“高新技術(shù)企業(yè)”“廣東省科技專家工作站”“廣東省MEMS傳感器工程技術(shù)研究中心”“物聯(lián)之星”年度評選之最有影響力物聯(lián)網(wǎng)傳感企業(yè)獎等榮譽稱號。2022年中國創(chuàng)新方法大賽全國總決賽期間，奧松電子的“基于TRIZ為主的多方法融合的一種新型醫(yī)療用微型差壓傳感器的研制”參賽項目榮獲一等獎的殊榮。

奧松電子優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量，結(jié)束了我國溫濕度測量核心元件完全依賴進口的歷史。公司高性價比的產(chǎn)品贏得國內(nèi)外廣大客戶的認可與信賴，客戶群體涵蓋國內(nèi)外一線家電品牌，部分產(chǎn)品遠銷日韓、東南亞、南亞、歐美等國家和地區(qū)。