אי אפשר להתעלם מריבוי החיישנים ומכלולי ההנעה (אקטואטורים) הנמצאים כיום בציוד תעשייתי ואפילו באלקטרוניקה צרכנית. מערכים של חיישנים נותנים למשתמש תמונת מצב מלאה על המתרחש ומצב הציוד דרך צג מגע עם ממשק אינטואיטיבי. בדומה למדפסות ביתיות שמתריעות כשנתקע דף נייר ומתריאות כשצריך להחליף את הדיו. אפילו למברשת שיניים חשמלית יש כיום מסך OLED וחיבור Bluetooth. תחום טכנולוגיות החיישנים ומכלולי ההנעה (אקטואטורים) ב־imec עבר ארגון מחדש ושודרג כדי שיתאים טוב יותר לצורכי התעשייה הצומחת. מעבר לרמות מוכנות טכנולוגית גבוהות יותר וריכוז מאמצי הפיתוח בענפים מסוימים הם שתיים מהאסטרטגיות החדשות של imec, מסביר פול הרמנס, סגן נשיא תחום החיישנים וטכנולוגיות האנרגיה ב־imec.
המגמות בשוק
כמות החיישנים ומכלולי ההנעה (אקטואטורים) בציוד תעשייתי ובאלקטרוניקה צרכנית נמצא היום בשיא של כל הזמנים. על פי דוח של מכון המחקר Global Market Insights, חצה שוק החיישנים התעשייתיים את רף ה־20 מיליארד דולר בשנת 2019. הביקוש מצד ענפים כגון ייצור, אנרגיה ותשתיות ושירותי בריאות צפוי להגדיל את מכירות החיישנים התעשייתיים ליותר מ־3 מיליארד יחידות בשנה עד לשנת 2026. ואם המספר הזה נשמע דמיוני, הרי שהוא רק מחצית מהביקוש הצפוי בענף הצילום והדימות. מכון המחקר IC Insights צופה כי כבר בשנת 2020 יחצו מכירות חיישני הצילום את סף ה־6 מיליארד יחידות. לא כל כך מפתיע אולי בהתחשב בכך שלכל מכשיר טלפון יש שלוש מצלמות בממוצע.
על מנת לאפשר את הצמיחה הזאת נדרשת יכולת ייצור סדרתי של החיישנים, מערכי ההנעה (אקוטאטורים) והמרכיבים שלהם. ייצור סדרתי פירושו כושר ייצור גבוה במחיר סביר ליחידה והקטנת גודלם של החיישנים כדי שיתאימו למכשירים ניידים. דוגמה טובה היא מצלמת תת־אדום (תרמית). בהתאם למפרט, מחירה של מצלמה כזאת יכול להגיע לעשרת אלפים אירו. מחיר כזה פירושו שרק גופים בודדים כמו צבא ותעשיית חלל יכולים להרשות לעצמם לקנות מצלמות כאלו. ברגע שתהיה מצלמה שתציג יכולות דומות ותהיה קטנה וזולה יותר, היא תמצא את דרכה לענפים כמו מדעי החיים, אבטחה, מכשור וחקלאות וייפתח עולם חדש של שימושים. אולם, בגישה הקיימת של בניית חיישנים מחומרי III-V בטכנולוגיית שבב מוטל (Flip-chip) לא נצליח להשיג את המזעור וההוזלה הנחוצים כדי להגיע לייצור סדרתי. על מנת להשיג את היעדים האלה, אנחנו צריכים לפנות לחיישנים בטכנולוגיית CMOS על פרוסות סיליקון בגודל 200 או 300 ננומטר.
אבל לא די בכך. מעבר למספרים מחפשת התעשייה טכנולוגיות חיישנים ומכלולי הנעה (אקטואטורים) חדשות ושיטות להטמעתן. בין היתר, כדי להביא לשוק פתרון זול ונגיש לקהל גדול יותר. דוגמה טובה לכך היא השימוש של Apple בסורק LiDAR (ראשי תיבות של: גילוי אור ומדידתו) במכשיר ה־iPad Pro 11. שוק המכשירים הניידים הוא דוגמה טובה כדי להבין את גודל הפוטנציאל הגלום בטכנולוגיה וכיצד היא יכולה לחולל מהפכה בענפים רבים בשוק. צגי OLED הופכים בהדרגה לטכנולוגיה השלטת בטלפונים ושעונים חכמים. הדרישה כיום היא לא להגדלת הרזולוציה (שכיום עומדת על ~500 ppi במסכים המתקדמים ביותר), אלא לצג שמכסה את כל שטח המכשיר, ליצירת מסך ללא שוליים. בשל כך, החיישנים שעד היום נמצאו מעל המסך, ובהם: חיישן אור, חיישן קירבה, מצלמת הסלפי הקדמית, קורא טביעות האצבע, זיהוי פנים, מדידת דופק, צריכים לעבור לתוך המסך. זאת ועוד, בעתיד כנראה שנצטרך לשלב במסך חיישנים נוספים כמו אנטנת 5G או מנוע הרטט. מכשירי הטלפון מלווים אותנו לכל מקום, ויש דרישה להוסיף להם חיישנים לניטור המצב הבריאותי של המשתמשים, ובהם: חיישן רמת חמצן בדם, חיישן רמת סוכר בדם וחיישן לנוכחות אלרגנים. וזה רק מה שקורה בשוק הטלפונים החכמים. מגמות דומות קיימות בכל הענפים.
מניחים את היסודות לטכנולוגיה של העתיד
פעילותה של imec מחולקת לשתיים: מזעור; ופיתוח חיישנים ומכלולי הנעה (אקטואטורים) חדשים, תוך ניצול מומחיותה בתחום המוליכים למחצה. וכשמדובר בטכנולוגיות חדשות, imec פיתחה לאחרונה חיישן CMOS לקרינת תת־אדום קצר. בשנת 2019 הציגה imec מצלמה עם חיישני סיליקון בטכנולוגיית CMOS המאפשרים לה לקלוט קרינת תת־אדום קצר שבדרך כלל אי אפשר לראות באמצעות מצלמה, בשל חוקי הפיזיקה והאופטיקה. המזעור הוצג בכינוס IEDM 2020. בזכות מומחיותה ומאמצי הפיתוח של imec, בקרוב יתחיל ייצור סדרתי של מצלמות תת־אדום קצר זולות יותר משמעותית.
תמונה 1: על ידי עיבוד של ערימת שכבות דקות של סיליקון עם
«
שכבה המגיבה לאור בטווח אורכי הגל של קרינה תת־אדומה )ימין(
על גבי מעגל ROIC , יצרה imec חיישן CMOS הרגיש לקרינה
תת־אדומה )שמאל( המתאים לייצור סדרתי.
דוגמה נוספת היא עבודתה של imec בתחום דימות פוטואקוסטי. חיישנים פוטואקוסטיים קולטים קרינה באורך גל מסוים ממקור אור ונוצרת תגובה תרמית שגורמת לחומר להתפשט. התפשטות החומר יוצרת גלי קול שאותם קולט מיקרופון רגיש. מערכות פוטואקוסטיות הוכחו כבעלות יכולת חישה רגישה מאוד, אבל כיום הן גדולות ומסורבלות. לדוגמה: הן מאפשרות למדוד בצורה לא פולשנית את רמת הסוכר בדם או את הרכב החומרים הכימיים במוצר מסוים ברמת דיוק גבוהה. באמצעות שימוש במוליכים למחצה, מנסה imec לבנות את הבסיס לדור הבא של מערכות חישה פוטואקוסטיות: שבב אחד שעליו מיקרופונים רגישים מאוד ומקורות אור בדרגת ניקיון ספקטרלי גבוהה.
כמו כן, משתמשת imec בגלי קול, ובמקרה זה בגלי אולטרה סאונד (על־שמע), ליצירת מערכות משוב משיש (הפטי). משוב משיש הוא ממשק אדם־מכונה חדש שבו המכונה יכולה ליצור תחושת מגע אצל המשתמש על ידי הפעלת הקולטנים המכניים בעור ללא מגע פיזי. הטכנולוגיה הזאת מוסיפה ממד חדש, חוש המישוש, לממשקי משתמש קיימים ויהיה לה תפקיד מרכזי בעידן מיעוט המגע בעולם שאחרי מגיפת הקורונה (COVID-19). הדור הראשון של הממשקים המשישים מבוסס על מתמרי אולטרה סאונד פיאזואלקטריים מסורבלים שאינם נוחים לשימוש, בעלי רגישות מוגבלת ואינם מאפשרים בניית מכשירים קטנים וניידים. imec עובדת על פיתוח מערך צפוף של מתמר אולטרה סאונד יחיד או מספר סוגים, שיאפשר לווסת את העוצמה ולשפר את מיקוד אלומת גלי הקול בטווח מרחקים של סנטימטרים בודדים עד לעשרות סנטימטרים.
תמונה imec :2 מפתחת ממשקים ללא מגע המבוססים
על טכנולוגיית משוב משיש המשתמשת בגלי אולטרה סאונד.
הטכנולוגיה של imec מטפסת במעלה סולם רמת המוכנות הטכנולוגית
כפי שאפשר לראות מהדוגמאות שהובאו עד כה, תאימות של הטכנולוגיות החדשות לתהליכי ייצור קיימים של מוליכים למחצה תמיד תאפשר ייצור סדרתי ובדרך כלל גם תוביל למזעור ולשיפור ביצועים. ל־imec מומחיות בכל ההיבטים של מערכת אלקטרונית (עיבוד, זיכרון, קישוריות, קלט/פלט), וכיום ממקדת מאמצים בטכנולוגיות חיישנים ומכלולי הפעלה (אקטואטורים) שאחראים על הקלט והפלט של המערכת.
האסטרטגיה החדשה של imec בנויה על שני יסודות. מיקוד המאמץ בענפים בעלי פוטנציאל גבוה, ופיתוח טכנולוגיות ברמת מוכנות טכנולוגיות גבוהה יותר. עד עכשיו מאמצי הפיתוח של imec בתחום החיישנים ומכלולי ההפעלה (אקטואטורים) התבססו בעיקר על יכולותיה הקיימות (חסכון באנרגיה, טכנולוגיות שכבה דקה, חיישני דימות, מִיקְרוֹפלואידיקָה) ויכולות הטמעה כלליות. תחת האסטרטגיה החדשה, תמשיך imec לשפר את יכולותיה ובמקביל גם תיזום פיתוח של אבות טיפוס ומדגימי טכנולוגיה על בסיס הידע והיכרותה עם צורכי השוק.
שניים מהענפים החדשים והמבטיחים האלה הם מדעי החיים וציוד תעשייתי. אלה ענפים בעלי פוטנציאל גבוה ליישומי חיישנים ומכלולי הנעה (אקטואטורים), והם קרובים לתחומים שעליהם עובדות חטיבות המו”פ של imec. שיתוף פעולה עם חטיבת מדעי החיים של imec יכול להוביל לפיתוחן של מערכות אופטיות ואקוסטיות לשיפור אבחון ובניתוחים בענף מדעי החיים. כמו כן, חזון Industry 4.0 מתבסס על מערכות חכמות שאותן יכולה לפתח imec על גבי האקוסיסטם הייחודי שלה. תיבחן גם כניסה לענפים נוספים. למשל ענף המזון והחקלאות שעומד במוקד יוזמת OnePlanet של imec, עם שימושים כמו מצלמות תת־אדום קצר על רחפנים למעקב אחרי הגידולים או טכנולוגיית גלי אולטרה סאונד לניטור מצב ההבשלה של הפרי. בענף הפסולת, קרינת תת־אדום קצר או גלים אלקטרומגנטיים אחרים יכולים לשמש למיון פלסטיק שכיום קשה עד בלתי־אפשרי לראות בתחום האור הנראה. וברגע שתבשיל פעילותה של imec בתחום החיישנים ומכלולי ההנעה (אקטואטורים) בענפים המסחריים האלה, היא תעבור גם לענף האלקטרוניקה הצרכנית.
למידע נוסף:
- ההודעה לעיתונות מהתקופה האחרונה על מזעור חיישן התת־אדום קצר שהשיגה imec והוצג בכינוס IEDM2020.
- כך מביאה imec את טכנולוגיית הפוטוליתווגרפיה לענף ייצור מסכי OLED. הודעה לעיתונות של IDW2020: Imec Applies Photolithography To Push Functionality and Reliability Barriers In OLED Display Manufacturing | imec (imec-int.com) (imec משתמשת בטכנולוגיית פוטוליתורגרפיה כדי להסיר חסמי ביצועים ואמינות בענף ייצור מסכי ה־OLED).
- מאמר בכתב העת של imec בנושא חיישן ה־CMOS למצלמת תת־אדום קצר: Make smartphones and autonomous vehicles see the impossible (כיצד טלפונים חכמים ורכבים אוטונומיים יוכלו לראות את הבלתי־אפשרי).
מאמר בכתב העת של imec וסרטון בנושא Haptic feedback: the next step in smart interfacing (משוב משיש: הדור הבא של ממשקים חכמים).
