MEMS和傳感器技術(shù)的未來市場發(fā)展預(yù)測分析

據(jù)麥姆斯咨詢報道，MEMS設(shè)計(jì)與開發(fā)公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC的創(chuàng)始人Alissa Fitzgerald表示，雖然無人能準(zhǔn)確預(yù)測MEMS和傳感器技術(shù)的未來，但是正在進(jìn)行的學(xué)術(shù)研究為未來二十年提供了重要的“線索”。全新的傳感器結(jié)構(gòu)正在興起，基于廉價的柔性襯底（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(zhí)行大會（MEMS & Sensors Executive Congress）上，F(xiàn)itzgerald發(fā)表演講時談到：“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)轟動的大部分MEMS產(chǎn)品均來自學(xué)術(shù)研究，我們希望這種模式將延續(xù)下去?！?/p>

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:“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?！敝劣谛枰⒁饽男?biāo)準(zhǔn)，她說她正在尋找“商業(yè)上可行，能夠解決問題，能引起技術(shù)變革?！?/p>

大多數(shù)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)完全商業(yè)化，需要多年的專心致志的開發(fā)，花費(fèi)資金可能超過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(jī)遇的潛力。

壓電MEMS！壓電MEMS！壓電MEMS！

從靜電梳齒狀驅(qū)動結(jié)構(gòu)到薄膜型壓電結(jié)構(gòu)，一場變革正在進(jìn)行中。因?yàn)椤澳鷮⒛軌颢@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(dāng)?shù)聡诙骰舴蜓芯克鶎Ｗ⒂诔?a target="_blank">高壓電系數(shù)多層氮化鋁（AlN）制造工藝開發(fā)時，法國CEA-Leti已經(jīng)找到了一種將薄膜PZT轉(zhuǎn)移到透明玻璃襯底上并獲得透明壓電結(jié)構(gòu)的方法。

弗勞恩霍夫研究所提出的超高壓電系數(shù)多層AlN制造工藝（左），CEA-Leti提出的透明壓電結(jié)構(gòu)制造工藝（右）

使用薄膜PZT完成的壓電式驅(qū)動微鏡也很有趣。東京大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一款三軸MEMS微鏡，其中兩軸為機(jī)械結(jié)構(gòu)，并通過使用薄膜PZT改變微鏡本身的曲率來控制第三軸。Fitzgerald說：“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(xiàng)技術(shù)將很快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

東京大學(xué)研究人員利用薄膜PZT設(shè)計(jì)的三軸MEMS微鏡

薄膜型壓電材料將可用于執(zhí)行器、揚(yáng)聲器、觸覺和觸摸界面?！?1世紀(jì)20年代，被稱為薄膜型壓電MEMS時代（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)看到大量器件開始采用AlN和PZT材料制造而成。在我看來，未來的MEMS器件的驅(qū)動模式將從90年代開始風(fēng)頭正勁的靜電梳齒驅(qū)動轉(zhuǎn)向壓電驅(qū)動?！?/p>

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?！盕itzgerald指出，需要做一些工作來確?？煽啃院涂蓴U(kuò)展性。

事件驅(qū)動

“嘿，我剛剛聽到了您想要的聲音！”這就是事件驅(qū)動型傳感器的魔力。當(dāng)它們等待觸發(fā)事件時，功耗幾乎為零，如此低的功耗，無需頻繁更換電池，為構(gòu)建大型傳感器網(wǎng)絡(luò)清除了主要障礙。

Fitzgerald說：“我之所以對這些傳感器如此著迷，是因?yàn)樗鼈儗ξ锢韺W(xué)的巧妙運(yùn)用。如果您只是尋找一個事件，不希望流式傳輸大量數(shù)據(jù)，以避免產(chǎn)生過多功耗?！笔录?qū)動型傳感器應(yīng)用范圍非常廣泛，并且可以非?？焖俚貙?shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

自供電

經(jīng)過更深入的研究，F(xiàn)itzgerald提到了韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院將太陽能電池與納米壓印聚合物結(jié)合的方法。（參考報告：《半導(dǎo)體應(yīng)用的納米壓印技術(shù)趨勢-2019版》）

“氫氣的存在導(dǎo)致聚合物的格柵膨脹?！彼忉屨f，“太陽能電池上的格柵發(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)開發(fā)出一種完全自供電的電池，在氫氣檢測前無需工作。他們希望將其用于監(jiān)控氫動力汽車和工業(yè)安全應(yīng)用相關(guān)的氫罐?！?/p>

韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院提出的太陽能電池與納米壓印聚合物結(jié)合方法

另一個自供電傳感器例子來自中國北京大學(xué)。研究人員開發(fā)了一種利用摩擦起電效應(yīng)的自供電觸摸傳感器，這對于穿襪子走過地毯并從摩擦中積累靜電荷的人們來講是很熟悉的現(xiàn)象。簡單來講，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(yùn)動的壓力和軌跡。Fitzgerald預(yù)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將應(yīng)用于安全識別、智能墻、機(jī)器人觸摸傳感器等。不過尚未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

北京大學(xué)利用摩擦起電效應(yīng)開發(fā)的自供電觸摸傳感器

柔性

Fitzgerald認(rèn)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(jī)完成氣體傳感器陣列，有36個氣體傳感器，整體尺寸與郵票大小相當(dāng)。這種靈活的傳感器可以測量有機(jī)分解過程釋放的氣體，這為各種食品安全應(yīng)用打開了大門。例如，將這種傳感器用于食品包裝材料中，消費(fèi)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(jī)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型的細(xì)菌。中佛羅里達(dá)大學(xué)正在研究下一代3D打印技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)基于電信號的細(xì)菌檢測傳感器。

“有趣的是，這些傳感器不僅可以檢測細(xì)菌的存在，”Fitzgerald說，“還可以分辨出是大腸桿菌、金黃色葡萄球菌還是其它細(xì)菌?！?/p>

這些傳感器在柔性、廉價的襯底上完成，在發(fā)展中國家甚至醫(yī)生辦公室里，就能實(shí)現(xiàn)快速即時診斷。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(dá)大學(xué)利用3D打印和微制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型傳感器

Fitzgerald認(rèn)為，紙、塑料和紡織MEMS和傳感器將在21世紀(jì)30年代出現(xiàn)。但是，其中一個前提條件是“人類得找到批量生產(chǎn)這類傳感器的方法”！

微型代工廠

“為什么會開始出現(xiàn)大量基于紙、塑料和紡織的傳感器研究？”Fitzgerald提出疑問，“很多人因無法獲得晶圓代工廠支持和預(yù)算短缺而感到沮喪，因此可以在非潔凈實(shí)驗(yàn)室中使用廉價材料就顯得非常有創(chuàng)意?！边@些材料的優(yōu)勢是易于獲得，既便宜又靈活。

“微型代工廠”概念的提出，指其中每臺設(shè)備都是完全獨(dú)立的，不需要潔凈室環(huán)境?！皩τ谠S多專注于低精密傳感器、每年需求量僅1000顆的客戶來說，這是一條可行的制造路徑。”她繼續(xù)說：“許多高性能應(yīng)用或許希望在大型代工廠里完成。但因?yàn)槟磕晁璧膫鞲衅鲾?shù)量僅僅等效于一片晶圓，沒有哪家大型代工廠會接受這樣的業(yè)務(wù)?！?/p>

同樣，3D打印機(jī)開始變得高效?，F(xiàn)在，3D打印機(jī)能以數(shù)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(jié)合的案例越來越多，或許會“誕生”一些新興傳感器。

根據(jù)Fitzgerald的演講，“我們將繼續(xù)見證低成本半導(dǎo)體制造方法的出現(xiàn)。并且，一旦我們開始利用3D打印機(jī)進(jìn)行制造，可能在車庫里就能完成了！”

如今，制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)展放緩。研究人員使用噴墨打印機(jī)、3D打印機(jī)制造傳感器原型，但他們經(jīng)常需要采用卷對卷（roll-to-roll）打印來擴(kuò)大規(guī)模。如果沒有合適的解決方案，那么紙、塑料和紡織傳感器可能需要十年時間才能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。Fitzgerald呼喚大家：“我們應(yīng)該共同思考如何發(fā)展傳感器制造基礎(chǔ)設(shè)施。”

“對于我們這些硅晶圓制造從業(yè)人員來說，應(yīng)該考慮如何引入新的柔性襯底技術(shù)，這里強(qiáng)調(diào)是增加，而不是替代。而且，一旦我們確定了如何擴(kuò)展這些技術(shù)，將會有一些激動人心的事件發(fā)生?！盕itzgerald總結(jié)說。