採訪：劉源、李子月
作者：劉源、李子月
編輯：石亞瓊
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傳感器種類太多，我們以慣導IMU為例來說明，慣導IMU分為三類：
1. 機械類IMU：最古老的IMU類型，精度高，但昂貴、體積大，現在市場上比較少見2. 光學類IMU，核心部件是「雷射光路」或「光學諧振腔」：又分為雷射RLG、光纖FOG、矽光IMU（本文所述新產品ACA）。光學類精度高，但RLG和FOG都只能作為陀螺儀，價格昂貴且體積偏大。3. MEMS壓電/電容IMU：其中，MEMS工藝的電容IMU雖然成本低、體積小，但精度差，測量帶寬有限。這幾類IMU應用場景各有不同，性能指標例如零偏穩定性、比例因子、隨機遊走、功耗、體積、帶寬、衝擊振動、MTBF等指標各有千秋。可分為消費級、工業級和防務/航空級。基於MEMS的低端消費級應用包括AR、可穿戴電子設備、室內導航，單位價格在1-5美元之間。高端工業級應用包括自動駕駛車輛、機器人、物聯網、無人機和電影工業，價格在1000美元以內，這兩個級別方向的公司包括Honeywell、Xsens、Analog Devices、Bosch、TDK InvenSense和life.augumented等。大尺寸防務級應用價格則將高於10萬美元，此領域公司包括Honeywell、KVH、Northrop Grumman和emcore。
常見慣導IMU產品圖片
如果用矽基MEMS工藝結合納米光學諧振腔，並且在晶圓上就將光路和其他矽基器件直接集成在一起，這就是集成矽光MEMS傳感器。它有四個跨時代的意義和好處：
1. 精度高，光學精度2. 尺寸微小，功耗也低，因為光學諧振腔通過集成矽光工藝已經縮小到數微米級別了3. 低成本，量大，因為所需矽基半導體工藝成熟，成本優勢明顯，不涉及到先進位程，很多Foundry廠都能夠生產4. On-chip，該技術路徑最終實現不需要分別封裝成多個晶片或分立器件再獨立安裝這將對傳統大部分傳感器，例如IMU、陀螺儀、磁力計等，和光學相控陣，都產生顛覆性影響。但為什麼這麼有用但一直沒出現這樣的新產品？因為「技術難點，也就是最關鍵的，就是如何優化設計使數微米級別的集成光腔可以和滿足相應性能需求的MEMS結構高效耦合，並且可以通過成熟矽光光刻線量產，且與MEMS工藝相結合，做到低成本量產性的同時保持高性能測量能力。」-加州理工學院應用物理與量子工程博士羅傑如此說到。羅傑曾在Science和Nature Physics上發表光量子晶片論文，參與美國能源部先進量子測試平臺並領導超導量子計算晶片研發，並在量子通訊和量子計算領域掌握三項美國專利。
加州理工一直在進行這方面的研究和實用，例如獲得2017年諾獎的雷射幹涉引力波天文臺就是運用了相似的光-機械效應，加州理工在將光-機械耦合技術小型化到晶片上也走在世界前沿。羅傑的兩位小夥伴，任恆江和楊帆也一直進行著這方面的研究，任恆江為加州理工學院電子工程與量子工程博士，其研發的機械諧振腔打破了量子相干性世界紀錄，曾任職於新加坡高性能計算研究所，並在量子通訊和量子計算領域掌握2項美國專利。楊帆為伊利諾伊大學香檳分校航空航天工程博士，熟悉設計製造MEMS元件。Stillwell獎金獲得者，從事納米材料和器件性質研究並發表多篇高質量論文，曾任伊利諾伊商業諮詢公司高級經理。
現在這三位加州理工和伊利諾伊的博士們準備將集成矽光傳感器商業化，批量生產廣泛應用，應用場景包括：地震和油氣資源探索、機械震動監測、智能預測性維護（CBM）、駕駛狀態監測與評估、先進無人機/機器人、高級別自動駕駛、複雜環境高精度導航、先進AR/VR應用、電影及運動員姿態捕捉和監測、光學相控陣、雷射雷達等。在2019年，三位創始人在美國德拉瓦成立了公司「Anyon Computing」，中文名「意子信息」，專注於集成矽光MEMS傳感器硬體以及相關技術應用量子晶片的研發和銷售。
光量子慣性傳感器IMU ACA-101
意子信息的第一款產品取名為「光量子慣性傳感器IMU ACA-101」，精度可達1μg Hz-1/2。是常見工業級IMU精度百倍左右。帶寬>20k Hz，將有效帶寬擴大百倍以上。ACA-101測量角度精度類比雷射RLG的精度略差一點，但雷射RLG售價高達數萬人民幣，而ACA-101成本只有一百元人民幣，內部關鍵部分2毫米長，2毫米寬，幾十微米深，光電封裝後體積16立方釐米左右。
ACA-101未封裝照片
羅傑介紹它的核心是20微米長、2微米寬、幾十微米深的光學諧振腔。簡單講，它的測量原理通過測位移->反算慣性力->再反算加速度，類似彈簧秤：核心器件包含一個微質量塊（Proof-Mass），通過機械（MEMS）結構懸浮，光腔的一端固定、另一端和Proof-Mass相連，在外界加速度的作用下Proof-Mass產生微小的位移。微小位移改變了光強的光學共振的頻率，從而可以準確測量該微小位移，進而獲得準確的加速度（或者通過科裡奧利力原理測量角速度）。該光學諧振腔目前能做到飛米級解析度，10^-15米，的位移測量，也就是一個質子或中子的直徑，已經達到位移測量量子極限。所以能夠做到高解析度、高精度、低底噪聲的加速度測量。
ACA-101核心光學部分電鏡掃描
彈簧秤原理圖
ACA-101原理圖
羅傑告訴36氪記者，矽光在通信方面的應用在30年前就已經開始了，主要應用於通信設備基站、中繼器。近幾年，集成矽光的其他應用開始興起，包括集成矽光傳感與集成矽光計算等。ACA-101第一批demo是用電子束曝光機做出來的，大規模批量生產需要把產線移植到DUV光刻機，意子將與先進矽光代工廠共同推進相關製程在193納米光刻線上的實現，pdk定義，design rule定義等等。屆時，各大晶圓廠商都能進行光量子傳感器的生產了。
集成矽光傳感器適用行業
矽光晶片產業在過去5年內翻了數倍，在未來5-10年內將達到頂峰，市場體量將達200-300億美元量級。隨著越來越多集成矽光產品的出現，整個產業共同推動相關代工廠在流片工藝和緊湊封裝上的進步，高性能矽光晶片和相關元件的低成本生產和小型化方面將獲得極大的推動。期待越來越多的消費級產品能用到矽光慣性傳感器。
集成矽光傳感器市場體量