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仅为普通芯片1/80!中国大学生团队研发新型微机电系统芯片

时间:2022-08-25 12:18:11 编辑:付龙 来源:中国青年报

偌大的车间正紧锣密鼓开展生产,却鲜有工人在机器之间穿梭——智能生产线里,机器人代替传统人力,在流水线上完成着工作任务。

机器人结构庞大,但并不“莽撞”,仿佛能快速洞察零部件外形一般,如猛虎嗅蔷薇,精准完成定位、抓取、装配、焊接等工步。为机器人赋予光明视野的,是藏身在机械臂上的一块小巧的MEMS(微机电系统芯片)微镜芯片。仅如米粒大小的身躯,便可驱动格栅结构光投射在零部件上,为机器人提供清晰图像。不仅制造业,这种芯片还在物流、刑侦、医疗等领域担当着机器感知世界的慧眼。

北理工学子研制的MEMS微镜芯片,面积减小到当前国际主流芯片的1/80,检测精度提升一倍。陈静怡/摄

“让机器感知世界,拥有高精度视觉传感能力,这对于工业自动化意义重大,也是我们瞄准的‘卡脖子’技术攻关方向。”北京理工大学集成电路与电子学院“光芯绘影”团队负责人、集成电路与电子学院2020级硕士研究生张瑞浩说。

依托自身科研和工作经历,团队研发了微型化、高精度的MEMS微镜芯片,面积相当于世界先进水平芯片的1/80,检测精度提升一倍,实现了美日等国核心垄断技术的国产替代。团队摩拳擦掌,携才智为致力国产结构光投影芯片界注入新颖的动力。

现代工业自动化技术包含感知、检测等核心环节,与工业3D相机密不可分。国务院“十四五智能制造规划”中明确指出,要大力发展自主可控的智能传感技术,尤其是要大力发展高分辨率视觉传感器等一系列基础零部件。

团队广泛调研国内外投影芯片技术,探索精细结构检测所需的小型化芯片,深入考察了DMD芯片和MEMS微镜芯片两大技术。其中,前者芯片体积太大,且始终受海外少数技术寡头垄断,存在技术壁垒;后者虽然体积小,但现有海内外产品存在温度漂移大、无角度检测的缺陷,使其工作稳定性和扫描精度都差强人意。

据了解,在教师指导和团队成员钻研下,团队创新实现了低温漂芯片和高精度检测两大核心技术。首先是低温漂:由于复杂环境下微镜工作稳定性差,团队成员曹英超提出了新型微镜梳齿结构,显著减小了谐振角度漂移,提升了温度稳定性;其次是角度检测:张瑞浩与团队成员屈家生开发了电容式角度检测技术,光学设计较传统方案极大简化,可以在小体积前提下实现高精度检测微镜的偏转角度。

“我们在精度等指标上已经做到了投影芯片的国产平替,而且在温漂和体积上较友商更占优势,更能应对复杂环境下的投影需求。”张瑞浩说。

实现技术突破后,团队着眼长远,共创了“光芯绘影”创业项目。据了解,项目以低温漂高精度的MEMS微镜芯片为核心产品,以芯片设计和封测为主要业务,面向虚拟现实、增强现实、3D相机、激光投影等应用场景为下游市场。从技术到产品的转化过程中,团队逐步优化结构设计以提高芯片稳定性,并设计推出了面向不同场景、系列化的多款产品。

“目前,芯片产品目前已具备量产能力,工艺良率高于90%。我们已拥有2家长期合作的芯片代工厂和多家企业客户,MEMS微镜芯片出货近万颗;核心技术发表SCI论文一篇,申请多项发明专利。”张瑞浩说。

北京理工大学集成电路与电子学院“光芯绘影”团队学生在做实验。北京理工大学供图

即使核心产品——MEMS微镜芯片已然完善,张瑞浩和团队也并未满足于一时成功,而是向更高的山巅进发。经过大量企业走访调研和展会交流,“光芯绘影”锚定产业链上游,开发了结构光投影方案,模组应用于智慧物流、生物识别、公安刑侦等场景。

“2023年,全球MEMS微镜芯片市场规模预计将达14.5亿美元,结构光3D相机市场规模更是将高达28.2亿美元,市场需求巨大。依靠先进的技术方案支持,项目未来3年预计将占有0.5%的市场份额。”国家海外高层次人才、“光芯绘影”团队指导教师、北京理工大学集成电路与电子学院谢会开教授对团队发展给出了乐观的预测。

张瑞浩表示,接下来,团队将在2022年底成立公司并展开融资,逐渐在2025年之前拓展市场、迭代技术,进军3D相机、激光雷达等成熟领域,并谋求探索元宇宙、数字孪生等前沿概念中的全新机遇。

责任编辑:梁国胜

来源:中国青年报客户端