據麥姆斯咨詢(xún)報道，MEMS設計與開(kāi)發(fā)公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC的創(chuàng )始人Alissa Fitzgerald表示，雖然無(wú)人能準確預測MEMS和傳感器技術(shù)的未來(lái)，但是正在進(jìn)行的學(xué)術(shù)研究為未來(lái)二十年提供了重要的線(xiàn)索。全新的傳感器結構正在興起，基于廉價(jià)的柔性襯底（甚至是紙）的傳感器也在不斷發(fā)展。
十月下旬，由SEMI組織的MEMS與傳感器執行大會(huì )（MEMS & Sensors Executive Congress）上，Fitzgerald發(fā)表演講時(shí)談到：學(xué)術(shù)研究是我們行業(yè)創(chuàng )新的源泉。如今，在產(chǎn)業(yè)界引發(fā)轟動(dòng)的大部分MEMS產(chǎn)品均來(lái)自學(xué)術(shù)研究，我們希望這種模式將延續下去。
Fitzgerald列舉的案例包括：SiTime的振蕩器源自斯坦福大學(xué)（相關(guān)報告：《SiTime MEMS振蕩器：SiT1552》），Cardio的MEMS植入式壓力傳感器源自喬治亞理工大學(xué)，Vesper的壓電式MEMS麥克風(fēng)起源于密歇根大學(xué)（相關(guān)報告：《Vesper壓電式MEMS麥克風(fēng)：VM1000》），被TDK收購的Chirp最近推出的壓電式MEMS超聲波換能器也來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校和加州大學(xué)戴維斯分校。
Fitzgerald解釋說(shuō):我的神奇方法是查閱世界各地的頂級學(xué)術(shù)研究成果，并從650多篇論文中進(jìn)行了篩選。至于需要注意哪些標準，她說(shuō)她正在尋找商業(yè)上可行，能夠解決問(wèn)題，能引起技術(shù)變革。
大多數技術(shù)要實(shí)現完全商業(yè)化，需要多年的專(zhuān)心致志的開(kāi)發(fā)，花費資金可能超過(guò)1億美元。但Fitzgerald確信，這些技術(shù)都具有創(chuàng )造MEMS和傳感器行業(yè)新機遇的潛力。
壓電MEMS！壓電MEMS！壓電MEMS！
從靜電梳齒狀驅動(dòng)結構到薄膜型壓電結構，一場(chǎng)變革正在進(jìn)行中。因為您將能夠獲得更好的工藝一致性，更高的可靠性，更高的良率，更小的面積Fitzgerald引用了最新的兩種薄膜材料創(chuàng )新。當德國弗勞恩霍夫研究所專(zhuān)注于超高壓電系數多層氮化鋁（AlN）制造工藝開(kāi)發(fā)時(shí)，法國CEA-Leti已經(jīng)找到了一種將薄膜PZT轉移到透明玻璃襯底上并獲得透明壓電結構的方法。
弗勞恩霍夫研究所提出的超高壓電系數多層AlN制造工藝（左），CEA-Leti提出的透明壓電結構制造工藝（右）
使用薄膜PZT完成的壓電式驅動(dòng)微鏡也很有趣。東京大學(xué)的研究人員設計了一款三軸MEMS微鏡，其中兩軸為機械結構，并通過(guò)使用薄膜PZT改變微鏡本身的曲率來(lái)控制第三軸。Fitzgerald說(shuō)：它們能對焦距進(jìn)行較大的改變，從本質(zhì)上講屬于3D光束操縱。這項技術(shù)將很快實(shí)現商業(yè)化。
東京大學(xué)研究人員利用薄膜PZT設計的三軸MEMS微鏡
薄膜型壓電材料將可用于執行器、揚聲器、觸覺(jué)和觸摸界面。21世紀20年代，被稱(chēng)為薄膜型壓電MEMS時(shí)代（參考報告：《壓電器件：從塊體型到薄膜型-2019版》、《壓電器件對比分析：從塊體型到薄膜型》）。我們已經(jīng)看到大量器件開(kāi)始采用AlN和PZT材料制造而成。在我看來(lái)，未來(lái)的MEMS器件的驅動(dòng)模式將從90年代開(kāi)始風(fēng)頭正勁的靜電梳齒驅動(dòng)轉向壓電驅動(dòng)。
如今，該行業(yè)對壓電薄膜制造工藝的需求非常急切，并希望能盡快投入使用。Fitzgerald指出，需要做一些工作來(lái)確?？煽啃院涂蓴U展性。
事件驅動(dòng)
嘿，我剛剛聽(tīng)到了您想要的聲音！這就是事件驅動(dòng)型傳感器的魔力。當它們等待觸發(fā)事件時(shí)，功耗幾乎為零，如此低的功耗，無(wú)需頻繁更換電池，為構建大型傳感器網(wǎng)絡(luò )清除了主要障礙。
Fitzgerald說(shuō)：我之所以對這些傳感器如此著(zhù)迷，是因為它們對物理學(xué)的巧妙運用。如果您只是尋找一個(gè)事件，不希望流式傳輸大量數據，以避免產(chǎn)生過(guò)多功耗。事件驅動(dòng)型傳感器應用范圍非常廣泛，并且可以非?？焖俚貙?shí)現量產(chǎn)。
自供電
經(jīng)過(guò)更深入的研究，Fitzgerald提到了韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院將太陽(yáng)能電池與納米壓印聚合物結合的方法。（參考報告：《半導體應用的納米壓印技術(shù)趨勢-2019版》）
氫氣的存在導致聚合物的格柵膨脹。她解釋說(shuō)，太陽(yáng)能電池上的格柵發(fā)生變化，研究人員可以測量電池的輸出電流，并測算出氫濃度。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種完全自供電的電池，在氫氣檢測前無(wú)需工作。他們希望將其用于監控氫動(dòng)力汽車(chē)和工業(yè)安全應用相關(guān)的氫罐。
韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院提出的太陽(yáng)能電池與納米壓印聚合物結合方法
另一個(gè)自供電傳感器例子來(lái)自中國北京大學(xué)。研究人員開(kāi)發(fā)了一種利用摩擦起電效應的自供電觸摸傳感器，這對于穿襪子走過(guò)地毯并從摩擦中積累靜電荷的人們來(lái)講是很熟悉的現象。簡(jiǎn)單來(lái)講，在觸摸事件中，將嵌入電極的兩張聚合物薄片壓在一起，傳感器可以探測出觸摸運動(dòng)的壓力和軌跡。Fitzgerald預計，這項技術(shù)將應用于安全識別、智能墻、機器人觸摸傳感器等。不過(guò)尚未實(shí)現批量生產(chǎn)。
北京大學(xué)利用摩擦起電效應開(kāi)發(fā)的自供電觸摸傳感器
柔性
Fitzgerald認為，紙是柔性傳感器的終極襯底。在日本九州大學(xué)，研究人員正在使用噴墨打印機完成氣體傳感器陣列，有36個(gè)氣體傳感器，整體尺寸與郵票大小相當。這種靈活的傳感器可以測量有機分解過(guò)程釋放的氣體，這為各種食品安全應用打開(kāi)了大門(mén)。例如，將這種傳感器用于食品包裝材料中，消費者可以獲取食品新鮮度信息。更多氣體傳感器技術(shù)與市場(chǎng)信息，請查看：《氣體和顆粒物傳感器-2018版》。
日本九州大學(xué)用噴墨打印機完成的氣體傳感器陣列
紙基傳感器也可以用于檢測特定類(lèi)型的細菌。中佛羅里達大學(xué)正在研究下一代3D打印技術(shù)，用于實(shí)現基于電信號的細菌檢測傳感器。
有趣的是，這些傳感器不僅可以檢測細菌的存在，Fitzgerald說(shuō)，還可以分辨出是大腸桿菌、金黃色葡萄球菌還是其它細菌。
這些傳感器在柔性、廉價(jià)的襯底上完成，在發(fā)展中國家甚至醫生辦公室里，就能實(shí)現快速即時(shí)診斷。它們還能夠利用生物降解襯底，制造成一次性傳感器。
中佛羅里達大學(xué)利用3D打印和微制造技術(shù)實(shí)現的新型傳感器
Fitzgerald認為，紙、塑料和紡織MEMS和傳感器將在21世紀30年代出現。但是，其中一個(gè)前提條件是人類(lèi)得找到批量生產(chǎn)這類(lèi)傳感器的方法！
微型代工廠(chǎng)
為什么會(huì )開(kāi)始出現大量基于紙、塑料和紡織的傳感器研究？Fitzgerald提出疑問(wèn)，很多人因無(wú)法獲得晶圓代工廠(chǎng)支持和預算短缺而感到沮喪，因此可以在非潔凈實(shí)驗室中使用廉價(jià)材料就顯得非常有創(chuàng )意。這些材料的優(yōu)勢是易于獲得，既便宜又靈活。
微型代工廠(chǎng)概念的提出，指其中每臺設備都是完全獨立的，不需要潔凈室環(huán)境。對于許多專(zhuān)注于低精密傳感器、每年需求量?jì)H1000顆的客戶(hù)來(lái)說(shuō)，這是一條可行的制造路徑。她繼續說(shuō)：許多高性能應用或許希望在大型代工廠(chǎng)里完成。但因為您每年所需的傳感器數量?jì)H僅等效于一片晶圓，沒(méi)有哪家大型代工廠(chǎng)會(huì )接受這樣的業(yè)務(wù)。
同樣，3D打印機開(kāi)始變得高效?，F在，3D打印機能以數十微米的分辨率打印圖形，并可以打印塑料、金屬和陶瓷材料。如今，3D打印與硅納米壓印光刻技術(shù)結合的案例越來(lái)越多，或許會(huì )誕生一些新興傳感器。
根據Fitzgerald的演講，我們將繼續見(jiàn)證低成本半導體制造方法的出現。并且，一旦我們開(kāi)始利用3D打印機進(jìn)行制造，可能在車(chē)庫里就能完成了！
如今，制造業(yè)基礎設施的進(jìn)展放緩。研究人員使用噴墨打印機、3D打印機制造傳感器原型，但他們經(jīng)常需要采用卷對卷（roll-to-roll）打印來(lái)擴大規模。如果沒(méi)有合適的解決方案，那么紙、塑料和紡織傳感器可能需要十年時(shí)間才能實(shí)現批量生產(chǎn)。Fitzgerald呼喚大家：我們應該共同思考如何發(fā)展傳感器制造基礎設施。
對于我們這些硅晶圓制造從業(yè)人員來(lái)說(shuō)，應該考慮如何引入新的柔性襯底技術(shù)，這里強調是增加，而不是替代。而且，一旦我們確定了如何擴展這些技術(shù)，將會(huì )有一些激動(dòng)人心的事件發(fā)生。Fitzgerald總結說(shuō)。
