傳感器歷史：你要知道的35個重大里程碑事件，誰在推動MEMS發(fā)展？

據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，在全球傳感器市場中，美國以29%市場份額占據(jù)全球傳感器市場占有率第一的寶座，這與美國一直以來對傳感器的高度重視密切相關。

美國是信息革命的源頭，作為現(xiàn)代信息科技的三大技術基石之一，傳感器一直被美國視為關鍵高科技技術。早在2004年，美國國家科學基金會（簡稱NSF）就發(fā)布了一篇極具前瞻性的特別報告——《傳感器革命》（The Sensor Revolution）。（如對該報告感興趣，可參看內(nèi)容：美國國家科學基金會發(fā)布：傳感器革命）

MEMS（微機電系統(tǒng)）是傳感器領域具有革命性的技術，作為推動美國傳感器教育普及的系列動作之一，NSF資助了SCME（Support Center for Microsystems Education，微系統(tǒng)教育支持中心），旨在普及、支持MEMS教育工作。

本文翻譯自《MEMS歷史》（History of MEMS），為SCME的系列教育內(nèi)容之一，全面地介紹了MEMS技術的發(fā)展歷史，涉及到MEMS關鍵技術節(jié)點和里程碑事件：包括最著名的MEMS演講、硅阻效應的發(fā)現(xiàn)（這是MEMS壓力傳感器的基礎）、MEMS領域被引用最多的論文等內(nèi)容，推薦大家了解！

如需《MEMS歷史》（History of MEMS）PDF原文檔（英文），可在傳感器專家網(wǎng)搜索關鍵詞【MEMS歷史】，在文章詳情頁面進行資料下載即可。

傳感器專家網(wǎng)（sensorexpert.com.cn）專注于傳感器技術領域，致力于對全球前沿市場動態(tài)、技術趨勢與產(chǎn)品選型進行專業(yè)垂直的服務，是國內(nèi)領先的傳感器產(chǎn)品查詢與媒體信息服務平臺?；趥鞲衅鳟a(chǎn)品與技術，對廣大電子制造從業(yè)者與傳感器制造者提供精準的匹配與對接。

微機電系統(tǒng) (MEMS) 是存在于我們?常?活中的微型系統(tǒng)，MEMS 組件的尺?范圍從百萬分之??（微?）到千分之??（毫?）。它們也被稱為微機械、微系統(tǒng)、微機械或微系統(tǒng)技術 (MST)。

MEMS由多種材料和工藝制造，使?的材料包括半導體、塑料、陶瓷、鐵

電、磁性和?物材料。

MEMS 被?作傳感器、執(zhí)?器、加速度計、開關、游戲控制器和光反射器等，這里僅舉?例應?。

MEMS?前?于汽?、航空航天技術、?物醫(yī)學應?、噴墨打印機、?線和光通信，并且每天都有新的用例出現(xiàn)。

1965 年，Gordon Moore進?了?項觀察：?從 1940 年代末期發(fā)明晶體管以來，1950 年代末直到1960年代初，集成電路上每平?英?的晶體管數(shù)量每 18 個?翻?番，這?觀察是“摩爾定律”的基礎。Moore在此聲明中表?：“在可預?的未來，技術將專注于更?，?不是更?。”

“Moore indicated that technology has and will for the foreseeable future concentrate on smaller, not bigger. ”

▲Gordon Moore

與晶體管?樣，?們?直在努?使機電系統(tǒng)做的越來越?。1959 年，?位名叫Richard Feynman 的?，在他的題為《底部有很多空間》（"There's Plenty of Room at the Bottom”）的著名演講中，講解的最明了：“他們告訴我，電動?達的??只有你?指上的指甲那么?，這是?個?得驚?的世界?！?/p>

Gordon Moore 和 Richard Feynman 只是預測越來越?的MEMS新興技術的科學家中的兩個例?。本文將討論 MEMS 領域出現(xiàn)的關鍵技術節(jié)點和里程碑事件。

▲針頭上的三個MEMS血壓傳感器

重要 MEMS ?程碑事件

MEMS 器件的誕?發(fā)?在許多地?，并通過許多人的努力。當然，現(xiàn)在每天都有新的 MEMS 技術和應?誕生。，其中包括導致 MEMS 開發(fā)的許多努?。

以下是?個時間表，完整梳理MEMS技術發(fā)展的時間軸，從1947年制造的第一個點接觸晶體管開始，到1999年的光網(wǎng)絡交換機結束，50多年間，MEMS通過諸多創(chuàng)新，促進了當前MEMS技術和納米技術的發(fā)展。

下面關于MEMS歷史上主要的35項里程碑，我們可以看到有許多知名實驗室、大學及企業(yè)為MEMS的發(fā)展做出了重要貢獻：

1948年，貝爾實驗室發(fā)明鍺晶體管(William Shockley)

1954年，鍺和硅的壓阻效應(C.S.Smith)

1958年，第一塊集成電路(IC)(J.S.Kilby 1958年/Robert Noyce 1959年)

1959年，"底部有很多空間"(R.Feynman)

1959年，展示了第一個硅壓力傳感器(Kulite)

1967年，各向異性深硅蝕刻(H.A.Waggener等)

1968年，諧振門晶體管獲得專利(表面微加工工藝)(H.Nathanson等)

1970年，批量蝕刻硅片用作壓力傳感器(批量微加工工藝)

1971年，發(fā)明微處理器

1979年，惠普微加工噴墨噴嘴

1982年，"作為結構材料的硅"(K.Petersen)

1982年，LIGA進程(德國KfK)

1982年，一次性血壓傳感器(霍尼韋爾)

1983年，一體化壓力傳感器(霍尼韋爾)

1983年，"Infinitesimal Machinery"，R.Feynman。

1985年，傳感器或碰撞傳感器(安全氣囊)

1985年，發(fā)現(xiàn)"Buckyball"

1986年，發(fā)明原子力顯微鏡

1986年，硅片鍵合(M.Shimbo)

1988年，通過晶圓鍵合批量制造壓力傳感器(Nova傳感器)

1988年，旋轉式靜電側驅動電機(Fan、Tai、Muller)

1991年，年多晶硅鉸鏈(Pister、Judy、Burgett、Fearing)。

1991年，發(fā)現(xiàn)碳納米管

1992年，光柵光調(diào)制器(Solgaard、Sandejas、Bloom)

1992年，批量微機械加工(SCREAM工藝，康奈爾)

1993年，數(shù)字鏡像顯示器(德州儀器)

1993年，MCNC創(chuàng)建MUMPS代工服務

1993年，首個大批量生產(chǎn)的表面微加工加速度計(Analog Devices)

1994年，博世深層反應離子蝕刻工藝獲得專利

1996年，Richard Smalley開發(fā)了一種生產(chǎn)直徑均勻的碳納米管的技術

1999年，光網(wǎng)絡交換機(朗訊)

2000年代，光學MEMS熱潮

2000年代，BioMEMS激增

2000年代，MEMS設備和應用的數(shù)量不斷增加。

2000年代，NEMS應用和技術發(fā)展

1947年發(fā)明點接觸晶體管(鍺)

1947年，貝爾實驗室的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功地制造了第一個點接觸晶體管。這種晶體管利用了一種半導電的化學元素--鍺。

這項發(fā)明證明了用半導體材料制造晶體管的能力，使電壓和電流得到更好的控制。它也為制造越來越小的晶體管打開了大門。鍺NPN生長結晶體管的專利是由William Shockley在1948年申請的。

第一個晶體管高約半英寸，與今天的標準相比，無疑是巨大的。今天，科學家可以制造出直徑約為1納米的納米晶體管。作為參考，一根人類的頭發(fā)大約是60-100微米。

▲第一臺點接觸晶體管和測試儀器(1947年)

1954年發(fā)現(xiàn)硅和鍺的壓阻效應

1954年，C.S.Smith發(fā)現(xiàn)了硅、鍺等半導體材料的壓阻效應。半導體的這種壓阻效應可以比金屬的幾何壓阻效應大幾個數(shù)量級。這一發(fā)現(xiàn)對MEMS很重要，因為它表明硅和鍺比金屬更能感知空氣或水的壓力。

由于發(fā)現(xiàn)了半導體中的壓阻效應，1958年開始商業(yè)化開發(fā)硅應變片。1959年，Kulite公司成立，成為裸硅應變片的第一個商業(yè)來源。

▲利用金屬的壓阻效應的壓力傳感器(MTTC壓力傳感器)

1958年，第一塊集成電路(IC)的發(fā)明

當晶體管被發(fā)明出來時，每個晶體管的實際大小是有限制的，因為它必須與電線和其他電子器件相連。因此，晶體管的縮小陷入了停滯狀態(tài)，直到"集成電路"的出現(xiàn)。

集成電路將包括晶體管、電阻、電容和電線，以滿足特定的應用需求。如果一個集成電路可以在一塊基板上全部制作完成，那么整個器件就可以變得更小。

幾乎在同一時間，有兩個人獨立開發(fā)了集成電路。

1958年，在德州儀器公司工作的Jack Kilby建立了一個"固體電路"的工作模型。這種電路由一個晶體管、三個電阻和一個電容組成，全部裝在一個鍺片上。

▲德州儀器首款集成電路

不久之后，飛兆半導體公司的羅伯特-諾伊斯做出了第一個"單元電路"。這種集成電路是在硅芯片上制作的。1961年，羅伯特-諾伊斯獲得了第一個專利。

1959年"底部有很多空間"

▲Richard Feynman

1959年，在美國物理學會的一次會議上，一個叫Richard Feynman的人以一篇題為"底部有足夠的空間"的著名的開創(chuàng)性演講普及了微觀和納米技術的發(fā)展。

他在演講中提出了一個問題："為什么我們不能把整整24卷的《大英百科全書》寫在針頭上?"他提出了如何在這么小的面積上寫出這么多文字，以及如何閱讀的方法。

費曼提出了在原子尺度上操縱物質的可能性。他尤其對密度更大的計算機電路，以及能看到比掃描電子顯微鏡小得多的東西的顯微鏡感興趣。他建議建造可以被吞下的微小機器人來進行外科手術的可能性。

費曼談到了在原子尺度上工作時將出現(xiàn)的新的物理挑戰(zhàn)。重力將變得不那么重要，而表面張力和范德瓦爾斯吸引力將變得更加重要。

在這篇著名演講的最后，他向他的聽眾提出挑戰(zhàn)，要求他們設計和制造一個微小的馬達，并將書本上一頁的信息寫在一個線性尺度小1/25,000的表面上。對于每一項挑戰(zhàn)，他都提供了1000美元的獎金。

他在一年內(nèi)頒發(fā)了微型馬達獎，1985年，斯坦福大學的一名學生因將《雙城記》的第一段，縮小了1/25000而領取了獎金。

之后挑戰(zhàn)一直繼續(xù)，自1997年起，前瞻納米技術研究所每年都會頒發(fā)納米技術費曼獎，獎勵那些最能推動實現(xiàn)費曼納米技術目標的研究人員。

1968年，諧振門晶體管獲得專利

1964年，由Harvey Nathanson領導的西屋公司的一個團隊生產(chǎn)出了第一個批量制造的MEMS器件。這種器件將機械元件與電子元件連接在一起，被稱為諧振柵極晶體管(RGT)。

▲諧振門晶體管

RGT是一種金諧振MOS柵極結構。它大約有一毫米長，對非常窄的電輸入信號有反應。它作為集成電路的頻率濾波器，只將設計范圍內(nèi)的信號傳輸?shù)捷敵鲭娐?，而忽略所有其他頻率。

RGT與傳統(tǒng)的晶體管不同，它不是固定在柵極氧化層上的。相反，它是可移動的，并且相對于基片是懸臂式的。靜電吸引力控制了柵極和基片之間的距離。RGT是最早的微靜電致動器示例。它也是表面微加工技術的第一次演示。

1971年，微處理器的發(fā)明

1971年，一家名為英特爾的公司公開推出了世界上第一個單芯片微處理器--英特爾4004。4004為Busicom計算器提供了動力，是英特爾的第一個微處理器。這項發(fā)明為個人電腦鋪平了道路。

▲英特爾4004微處理器和Busicom計算器

20世紀60年代和70年代，用于壓力傳感器的批量蝕刻硅片的擴散

20世紀60年代初，硅晶體管的制造帶來了硅的各向同性蝕刻工藝。各向同性蝕刻使用化學工藝將材料從基片上去除。由于蝕刻速率在所有方向上都是均勻的，因此材料在所有方向上都被同樣去除。

在20世紀60年代末70年代初，H.A.Waggener發(fā)表了一篇題為"Electrochemically Controlled Thinning of Silicon"的論文，說明了硅的各向異性濕法蝕刻。

濕式各向異性蝕刻與濕式各向異性蝕刻的不同之處在于，材料的電化學去除取決于硅晶體的結晶取向。對于不同的晶體平面，蝕刻速率(單位時間內(nèi)去除的材料量)變化很大。然后，硅可以被選擇性地蝕刻掉，形成各種結構，包括V形槽、金字塔形網(wǎng)格和微腔。

電化學各向異性蝕刻在微系統(tǒng)制造中非常重要，因為它是批量微加工工藝的基礎。散件微加工蝕刻掉硅基底相對較大的部分，留下所需的結構。自誕生以來，批量微加工一直是一種非常強大的方法，用于制造微機械元件，如微流體通道、噴嘴、膜片、懸掛梁和其他移動或結構元件。

在20世紀70年代，IBM研究實驗室的Kurt Peterson開發(fā)了一種使用硅膜片的微機械壓力傳感器。與當時的其他膜式壓力傳感器相比，薄膜片允許更大的變形，因此靈敏度更高。這種薄型膜片壓力傳感器在血壓監(jiān)測設備中大量應用，可以說是微系統(tǒng)設備最早的商業(yè)成功之一。

1979年，惠普微加工噴墨噴嘴

1979年，惠普公司提出了一種替代點陣打印的技術，稱為熱噴墨技術(TIJ)。這種打印技術能迅速加熱墨水，產(chǎn)生微小的氣泡。

當氣泡彈出時，墨滴就會通過噴嘴噴出;這些噴嘴陣列是整個噴墨打印頭的一部分，可以在紙張和其他介質上快速創(chuàng)建圖像。硅微加工技術被用于制造噴嘴。這些噴嘴做得非常小，而且密度很大，可以實現(xiàn)高分辨率打印。自從惠普公司首次提出TIJ以來，一直在改進，使噴嘴更小，密度更高，以提高分辨率?，F(xiàn)在的許多打印機都采用了熱噴墨技術。

▲(左)噴墨噴嘴陣列示意圖(右)商用噴墨打印機噴頭特寫圖

1982年引入LIGA程序

20世紀80年代初，德國卡爾斯魯厄核研究中心的一個團隊，開發(fā)了一種名為LIGA的新工藝。LIGA是X射線光刻(X-ray Lithographie)、電鍍(Galvanoformung)和成型(Abformung)的德語縮寫。

這種工藝在微系統(tǒng)制造中非常重要，因為它可以制造高縱橫比的微結構。高縱橫比結構是指非常薄，或窄而高的結構，如通道。LIGA可以實現(xiàn)高達100:1的比值，LIGA結構具有精確的尺寸和低表面粗糙度。

▲LIGA微加工齒輪的微型電磁馬達

1982年"作為機械材料的硅"——MEMS領域被引用最多的文章之一

1982年，Kurt Petersen撰寫的一篇論文發(fā)表在電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)的出版物上。該論文題為"硅作為一種機械材料"。該論文提供了有關硅的材料特性和蝕刻數(shù)據(jù)的信息，并在吸引科學界進入這些領域的探索方面發(fā)揮了重要作用。它是MEMS領域被引用最多的文章之一。

1986年發(fā)明原子力顯微鏡(AFM)

▲原子力顯微鏡上的懸臂裝置

1986年，來自IBM的科學家們開發(fā)了一種名為原子力顯微鏡(AFM)的微型設備。原子力顯微鏡是一種通過測量作用在一個末端帶有尖銳尖端或探針的微型懸臂尖端上的力來繪制原子結構表面的裝置。懸臂通常是硅或氮化硅。AFM的最終分辨率低至約10?。

20世紀80年代微系統(tǒng)的其他發(fā)展情況

20世紀80年代出現(xiàn)了許多發(fā)展和新的應用。1988年，加州大學伯克利分校制造出第一臺旋轉式靜電側驅動電機。1989年出現(xiàn)了橫向梳狀驅動，結構橫向移動到表面。

▲(左)第一臺旋轉式靜電側驅動電機，(右)側梳驅動

1992年SCREAM工藝(康奈爾大學)

1992年，康奈爾大學開發(fā)了一種稱為單晶反應蝕刻和金屬化(SCREAM)的批量微加工工藝。它是為了從單晶硅和單晶砷化鎵(GaAs)中制造釋放的微結構而開發(fā)的。

1992年光柵光調(diào)制器光柵光閥

可變形光柵光調(diào)制器(GLM)是由O.Solgaard在1992年推出的。它是一種微型光機電系統(tǒng)(MOEMS)。自問世以來，它已被開發(fā)用于各種應用，如顯示技術、圖形印刷、光刻和光通信。

▲光柵光閥

1993年MUMPs出現(xiàn)

▲使用MUMPs流程的兩個簡單結構

1993年，北卡羅來納州微電子中心(MCNC)創(chuàng)建了一家代工廠，其目的是為了使微系統(tǒng)加工對廣大用戶來說具有高度的便利性和成本效益。它開發(fā)了一種名為MUMPs(MultiUser MEMS Processes)的工藝，這是一種三層多晶硅表面微加工工藝。自其誕生以來，已經(jīng)進行了多次修改和增強，以提高該工藝在多用戶環(huán)境下的靈活性和通用性。

▲使用SUMMiT IV構建的MEMS設備

1998年，另一家表面微加工鑄造廠開始了。這個是在桑迪亞國家實驗室開始的，這個工藝被稱為SUMMiT IV。這個工藝后來演變成了SUMMiT V，這是一種五層多晶硅表面微加工工藝。SUMMiT是"Sandia超平面、多層次MEMS技術"的縮寫。

1993年第一臺大批量制造的加速度計

1993年，Analog Devices公司率先大批量生產(chǎn)表面微加工加速度計。此前，在20世紀80年代，TRW公司生產(chǎn)了一種傳感器，每只售價約20美元。而汽車行業(yè)在安全氣囊中使用了Analog Devices公司的加速度計，它的售價約為每個5美元。這使安全氣囊電子裝置的成本降低了75%左右。

Analog Devices加速度計的可靠性很高，體積很小，價格也很便宜。它的銷售量打破了記錄，增加了安全氣囊在汽車上的應用。

今天，加速度計被發(fā)現(xiàn)在各種各樣的消費產(chǎn)品中，包括安全和導航汽車系統(tǒng)、游戲控制器、移動手機和計算機系統(tǒng)。

1994年，深層反應離子蝕刻獲得專利

▲用DRIE蝕刻的溝

1994年，德國博世公司開發(fā)出一種特殊的深層反應離子蝕刻(DRIE)工藝。DRIE是一種高度各向異性的蝕刻工藝，用于在晶圓上開出深而陡的孔和溝槽。它是為需要這些特征的微型設備而開發(fā)的，但也用于為動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的高密度電容器挖掘溝槽。

20世紀90年代末、2000年代初光學技術突飛猛進

1999年，朗訊科技公司開發(fā)出第一臺MEMS光網(wǎng)絡交換機。光開關是一種光電器件，由一個光源和一個探測器組成，產(chǎn)生開關輸出。它在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中提供交換功能。

這些MEMS光開關利用微鏡，根據(jù)微鏡的相對角度，將光通道或信號從一個位置切換或反射到另一個位置。有幾種不同的設計配置。這一技術領域的發(fā)展仍在進步。

20世紀90年代末、2000年代初生物MEMS技術蓬勃發(fā)展

科學家們?nèi)栽诎l(fā)現(xiàn)將MEMS傳感器和執(zhí)行器與新興生物MEMS技術相結合的新方法。應用包括藥物輸送系統(tǒng)、胰島素泵、DNA陣列、片上實驗室(LOC)、血糖儀、神經(jīng)探針陣列和微流控技術等。生物MEMS領域的探索才剛剛開始。此時的研究和開發(fā)正以非?？斓乃俣冗M行。

結語：

自晶體管發(fā)明以來，科學家們一直在努力改進和開發(fā)新的微機電系統(tǒng)。最早的MEMS器件是測量發(fā)動機的壓力和汽車的運動等，但今天MEMS器件已經(jīng)被應用于許多商業(yè)產(chǎn)品中，且新的應用和更好的技術每天都在出現(xiàn)。

微系統(tǒng)還在不斷變小，并創(chuàng)造了一種新的技術——納米機電系統(tǒng)(NEMS)。MEMS和NEMS的應用和發(fā)展是無止境的，未來將繼續(xù)進入我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。

審核編輯 黃昊宇