中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-042）——动态电荷域高能效电容感知芯片

近期，北京大学黄如院士-叶乐副教授研究团队提出了动态电荷域功耗自感知技术和动态范围自适应滑动技术，并成功研制了一款国际领先的动态电荷域电容感知芯片，具有国际领先的感知精度和能效，可显著降低物联网节点的功耗水平。该芯片不仅打破了国外在相关芯片领域保持的综合性能世界纪录，还填补了国内在高能效电容感知芯片领域的空白。电容型模拟传感芯片作为应用范围最广的一类感知芯片，被广泛应用于湿度、加速度计、陀螺仪、压力、触控、压感触控、硅麦克风、接近感应等场景，具有重大的产业应用价值。研究团队针对其能效瓶颈问题，提出动态电荷域功耗自感知技术，解决了能量-信息转换率过低的难题，大幅延长了感知芯片的电池使用寿命。不仅如此，针对传统感知芯片可靠性差的问题，研究组提出了动态范围自适应滑动技术，解决了芯片抗干扰能力差和设计冗余过大的问题，显著提高了芯片的可靠性，使得该芯片即使工作在苛刻环境下（例如苛刻高低温环境、苛刻高湿环境、复杂电磁干扰场景等），性能也基本不退化。基于上述创新技术，研究团队基于国产CMOS量产工艺平台，通过后道兼容工艺在8英寸晶圆上实现了集成湿度传感器的电容感知芯片，并对晶圆各区域的芯片进行了大量测试，均取得了很好的性能一致性。该芯片的平均功耗仅1.5 μW，可供8 mm纽扣电池（42 mAh）使用4年，感知精度高达17.9 aF，综合性能指标FoM高达0.135 pJ·%RH²；与当前国际同类工作相比，功耗降低了2倍，综合性能指标FoM提升了6倍。

图1. (a) 动态电荷域电容感知芯片系统架构；(b) 晶圆不同位置处芯片的测试曲线；(c) 芯片显微照片；(d) 功耗自感知技术和动态范围自适应滑动技术的测试结果。

变革性的研究思路是突破瓶颈问题的关键。研究团队从第一性原理出发，提炼物联网感知端数据采样、放大和量化的底层共性特征，提出“最大化信息链路能量流，最小化电源馈通能量流”的指导思想，依照“能量按需动态分配”的基本原则，提出了动态电荷域感知技术，大幅提升了能量-信息转换效率。作为智能物联网AIoT系统的数据来源，先进高效的数据感知前端将为未来的无人智慧系统的发展打下基石。研究团队将围绕智能物联网AIoT芯片关键问题，继续探索并突破先进感知芯片技术壁垒、性能极限和能效极限，并结合研究团队独有的异步事件驱动型芯片架构和新型存算融合电路，进一步推动感-存-算融合方向的探索，为高能效智能物联网AIoT芯片在未来的无人智慧系统中的应用与发展奠定基础。

图2. (a) 演示系统的电路板；(b) 湿度检测演示。

通讯作者

黄如，北京大学集成电路学院教授，博士生导师，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国电气电子工程师学会院士（IEEE Fellow）。

叶乐，北京大学集成电路学院副教授，博士生导师，2017年国家优青获得者，2018年北京市科技新星计划获得者。

李和倚，北京大学集成电路学院博士生。

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