MEMS傳感器技術革命才剛剛開始

最近10年，隨著消費電子，尤其是智能手機和穿戴電子的發(fā)展，使MEMS傳感器真正的在全球火熱起來，大量的應用涌現(xiàn)，MEMS傳感器真正“飛入尋常百姓家”。

MEMS全稱MicroElectromechanical System，譯為微機電系統(tǒng)。MEMS最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應用在汽車的各個領域。

隨著MEMS技術的進一步發(fā)展，以及應用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費電子、醫(yī)療等領域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。例如，最近火爆的做胃鏡的無痛小膠囊，5G路燈，骨傳感耳機，智能家居中洗衣機與晾衣架之間的智能系統(tǒng)，電梯維護等等。

不過，現(xiàn)在，我們已經(jīng)接受了低成本，高性能微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的可用性，但并非總是如此。另外，從應用范圍來看，MEMS足夠廣，足夠被全球認可，但并不會止步于此。

例如，目前就有國外大學研究團隊使用MEMS技術作為構建無法制造的設備的獨特基礎。該芯片上的國際方案加速器（AChIP），是一個世界性的項目，試圖開發(fā)出能夠產(chǎn)生飛秒到阿秒的電子加速器?；诠璧碾娮蛹铀倨鞯碾娮用}沖，具有高達1兆電子伏特（MeV）的能量，并通過硅芯片完成，但其目前所需的結構長達一英里。

達姆施塔特工業(yè)大學加速器物理小組的工程師描述了他們?nèi)绾蝿?chuàng)建微小的MEMS通道和新的電子束聚焦方法，以替代傳統(tǒng)的電磁聚焦方法，但這種方法太弱了。

硅制雙柱結構使用基于激光的光學相位控制來聚焦電子的加速和減速區(qū)域。（圖片來源：達姆施塔特工業(yè)大學）

另一個創(chuàng)新的MEMS項目針對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的世界。東北大學的一個團隊開發(fā)了一種基于MEMS的開關，該開關在處于休眠待機模式時消耗零功率，但是在撞擊紅外（IR）光時會“喚醒”。該團隊的等離激元增強型微機械光電開關（PMP）通過在定義的光譜帶內(nèi)轉換極少量的光子能來激活MEMS機制，從而實現(xiàn)了這一目標。除去激活的IR能量后，開關會自行關閉。

上圖中，PMP的每個懸臂包括一個頭部，一對用于致動的熱敏雙材料支腳，一對外部的用于溫度和應力補償?shù)南嗤p材料支腳，以及一對連接內(nèi)部和外部的隔熱鏈腿（a）。入射在四個PMP上的入射光束的概念圖，每個PMP都“調諧”到不同的紅外輻射帶（b）。實際制造的PMP開關“機理”的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像，具有等離激元吸收體，碗狀接觸尖端以及帶有自對準Al和SiO2層的雙材料腿末端的高倍放大圖（c ）。（圖片來自東北大學/自然納米技術）

對于MEMS，早前Maxim公司總裁Vijay Ullal曾表示MEMS是下一場技術革命：

“MEMS最有趣的地方在于，隨著200多年前的工業(yè)革命開始將能源轉化為動力起，它就一直是這個革命的其中一部份。隨后的重大變革分別是運算科技，以及晶體管的發(fā)明。而第三次重要的機器革命則與傳感器有關。MEMS不僅是一種全新的發(fā)明，它還將實現(xiàn)人類社會的第三次重大變革。任何一家半導體公司現(xiàn)在都必須做MEMS，否則很可能被踢出這個產(chǎn)業(yè)?！?/p>

從過去的歷史來看，我們曾經(jīng)使用相當復雜的生產(chǎn)制程來生產(chǎn)少量的MEMS產(chǎn)品。但這種方式顯然已經(jīng)產(chǎn)生變化，目前，電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當成功地降低了成本，生產(chǎn)制程日趨成熟，而MEMS一向存在的良率問題也正步入軌道，幾乎接近于傳統(tǒng)半導體制程的指標了。

未來，MEMS技術的發(fā)展有可能會像微電子一樣，對科學技術和人類生活產(chǎn)生革命性的影響。

任何技術在被采用前，都會歷經(jīng)一段學習曲線過程。過去僅根據(jù)價格高低來購買MEMS傳感器，而今，卻逐漸發(fā)現(xiàn)并不是所有的組件都做得一樣，傳感組件的功能和精密度大有不同。隨著時間的演進、市場的成熟和產(chǎn)品組合更為豐富，這一領域將分割為一個超低成本市場和其它多個細分市場。

傳感器方面，傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化，它幾大趨勢MEMS都參與其中。由于傳感器是人類探索自然界的觸角，是各種自動化裝置的神經(jīng)元，且應用領域廣泛，未來MEMS傳感器將備受世界各國的重視。

生物方面，生物MEMS系統(tǒng)具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統(tǒng)與外部連接少、實時通信、連續(xù)檢測的特點。國際上，生物MEMS的研究已成為熱點，不久將為生物、化學分析系統(tǒng)帶來一場重大的革新。

光學方面，隨著信息技術、光通信技術的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領域是與光學相結合，開發(fā)新型光器件，稱為微光機電系統(tǒng)（MOEMS）。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面：一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調制，典型代表為數(shù)字微鏡陣列芯片和光柵光閥；二是通信系統(tǒng)，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發(fā)生預期的改變，較成功的有光開關調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術，開展這個領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發(fā)。

納米技術方面，MEMS結合納米技術，將會實現(xiàn)真正的微型傳感器并開發(fā)新應用，盡管這一進展可能就得花上十年的時間。再過個10年至15年后，在實驗室中所看到的自組裝結構將會采用真正的微型傳感器，它們幾乎完全不需要任何動力就能運作。