誰(shuí)將主導MEMS的未來(lái)？紙還是塑料？

　　MEMS是近年來(lái)半導體領(lǐng)域中成長(cháng)最快速的技術(shù)之一，那么如何準確預測MEMS的未來(lái)?A.M. Fitzgerald and Associates LLC創(chuàng )辦人Alissa Fitzgerald分享對于MEMS未來(lái)發(fā)展的樂(lè )觀(guān)看法，并預測將改變游戲規則的先進(jìn)技術(shù)...

　　在國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )(SEMI)看來(lái)，微機電系統(MEMS)技術(shù)在近幾年來(lái)的半導體領(lǐng)域中成長(cháng)最快速，那么如何準確預測MEMS的未來(lái)?在了解MEMS元件的歷史，并查閱有關(guān)MEMS最具創(chuàng )新性的500篇學(xué)術(shù)論文后，MEMS設計與開(kāi)發(fā)公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC創(chuàng )辦人Alissa Fitzgerald在今年的MEMS與傳感器高峰會(huì )議(MEMS & Sensors Executive Congress)發(fā)表演說(shuō)時(shí)分享對于MEMS未來(lái)發(fā)展的樂(lè )觀(guān)看法與預測。

　　Fitzgerald 認為，“下一個(gè)十億美元的產(chǎn)品就潛藏在大學(xué)的研究文獻中?！?017年的學(xué)術(shù)論文中揭示了有關(guān)被動(dòng)式和近零功耗(near-zero)的傳感器，以及基于紙類(lèi)和塑料的方案取代昂貴矽基方案作為消費應用和一次性使用的特殊產(chǎn)品等最新進(jìn)展。

　　A.M. Fitzgerald對于MEMS的未來(lái)發(fā)展成竹在胸，他們致力于將新穎的學(xué)術(shù)和創(chuàng )業(yè)想法應用到小型MEMS晶圓廠(chǎng)中，并使其從中受益，就像使用Soitec的商用矽和絕緣層上覆矽(SOI)晶圓的Rogue Valley Microdevices (RVM)公司一樣。

　　Fitzgerald在演講時(shí)談到了MEMS技術(shù)的歷史淵源，最早可以追溯到1980年代酸蝕刻三維(3D)力傳感器的發(fā)展，這致使Kurt Petersen發(fā)明了基于塊狀矽微加工技術(shù)的壓力傳感器。該壓力傳感器最終實(shí)現了噴墨噴嘴，并促使數位光處理(DLP) MEMS的出現，很快地也有了第一家廠(chǎng)商使用來(lái)自ADI的加速度計觸發(fā)安全氣囊，這比傳統的管內球機械絆網(wǎng)式技術(shù)更迅速。

　　“從那時(shí)起，博世(Bosch)的深度反應離子刻蝕(DRI)制程開(kāi)啟了一個(gè)全新時(shí)代，實(shí)現了世界上第一個(gè)MEMS陀螺儀。薄膜體聲波諧振器(FBAR)，以及MEMS壓電和氮化鋁(AlN)薄膜的廣泛使用，也催生了我們今天擁有的各種MEMS元件?！?/p>

　　Fitzgerald說(shuō)，另一個(gè)重要的發(fā)明是“精確對準的共晶接合(eutectic bonding)，使InvenSense能夠將自家的ASIC晶圓接合MEMS芯片，以實(shí)現自動(dòng)密封，因而無(wú)需額外的封蓋步驟?！?/p>

　　據Fitzgerald表示，早期，ADI和博世等主要企業(yè)滿(mǎn)足了50%以上的市場(chǎng)需求，其余400家小公司瓜分剩余市場(chǎng)。但隨著(zhù)智慧型手機的普及，龐大的消費市場(chǎng)已經(jīng)使這400家小公司成為市場(chǎng)的主要力量。

　　那么所有這些消費市場(chǎng)的想法來(lái)自何處?Fitzgerald認為，在很大程度上可溯源至學(xué)術(shù)界，他們“在大學(xué)實(shí)驗室培育創(chuàng )意”，作為尋找問(wèn)題的解決方案。A.M. Fitzgerald等機構將學(xué)者們的想法落實(shí)于設計中，并發(fā)展成適于銷(xiāo)售的產(chǎn)品，為當今全球兆級美元的消費市場(chǎng)提供動(dòng)能。

　　展望未來(lái)、然后深耕細作，找出大學(xué)實(shí)驗室正在育成中的技術(shù)。Fitzgerald在演講中表示，“經(jīng)查閱2017年500篇名列前茅的論文后，我們對其進(jìn)行了商業(yè)可行性篩選，預計有些技術(shù)將會(huì )改變全球的游戲規則?！?/p>

　　未來(lái)的MEMS——紙還是塑料?

　　根據Fitzgerald的說(shuō)法，第一批將改寫(xiě)游戲規則的技術(shù)將會(huì )來(lái)自是FBAR和聲表面波(SAW)傳感器的新用途。

　　目前，FBAR和SAW技術(shù)主要用于射頻(RF)濾波器。Fitzgerald說(shuō)：“根據文獻資料顯示，它們也可用于生產(chǎn)無(wú)需電池的被動(dòng)式傳感器;這種無(wú)需電池的傳感器在達到某個(gè)特定參數時(shí)，仍然能夠喚醒處理器?！贝送?，這種傳感器還能提供高度精確的極端溫度檢測，也能在壓力極限下發(fā)揮作用，甚至可以檢測特定氣體。

　　她說(shuō)：“這些被動(dòng)傳感器非常適合惡劣環(huán)境，在這種環(huán)境下，你無(wú)法或不能更換電池;而且它們還具有提供零待機功耗的高性能?！?/p>

　　進(jìn)一步研究2017年的MEMS文獻后，她還發(fā)現了近零功耗元件，有時(shí)也被稱(chēng)為“事件驅動(dòng)型”傳感器。它們類(lèi)似于被動(dòng)元件，但使用非常小的μA級電流，在待機模式下功耗小于1pW。當它們感知到特定事件發(fā)生時(shí)，就會(huì )自行喚醒并觸發(fā)應用處理器。

　　Fitzgerald舉例說(shuō)：“美國東北大學(xué)(Northeastern University)已經(jīng)證明，近零功耗的紅外線(xiàn)(IR)傳感器可以實(shí)現對于波長(cháng)敏感的功能，還可以喚醒物聯(lián)網(wǎng)(IoT)裝置或安全監控器中的處理器。即使是應用于大型陣列中，它們仍然可以使用小型能量采集技術(shù)作為備用電源?！?/p>

　　當今許多新型MEMS元件使用壓電材料，不僅僅用于能量采集，而且還能實(shí)現寬音域(wide-range)微型揚聲器、磁力計，甚至變壓器等應用，而這些應用都不需要授權高效率但昂貴的DRI制程。

　　Fitzgerald說(shuō)：“對于低廉的裝置和物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，消費市場(chǎng)業(yè)已成熟，因為它可以透過(guò)大規模量產(chǎn)實(shí)現一次性使用?！?/p>

　　同時(shí)，MEMS研究人員正致力于探索替代昂貴矽晶的方法。Fitzgerald表示，在2004年，全世界有90%的MEMS元件采用塊狀矽或矽基板的表面制造;但在文獻描述的下一代元件中，有一半是塑料或甚至是紙基板。

　　她說(shuō)：“基于紙類(lèi)的技術(shù)正日益取代耗資數十億美元的昂貴矽晶圓廠(chǎng)，特別是針對僅使用一次的拋棄式應用，通常只需要價(jià)格不到1美分的傳感器?！?/p>

　　例如，紙傳感器可用于檢測特定類(lèi)型的細菌。這些元件能夠減少對于各種抗生素的需求，特別是因為許多抗生素可能促使超級細菌進(jìn)化。同樣地，紙質(zhì)的食品包裝可以嵌入紙基元件中，告知消費者食品實(shí)際上是否已經(jīng)變質(zhì)，以取代當今不夠精確的“有效期限”戳章。

　　Fitzgerald說(shuō)：“預計在2020年以后，人們將會(huì )看到一系列壓電事件驅動(dòng)的新型傳感器;而到了2030年，我們將會(huì )看到紙類(lèi)和塑料傳感器的大幅成長(cháng)?！?/p>

　　她說(shuō)，內建讀數的CMOS+傳感器設計仍然需要采用矽。但是，“隨著(zhù)對于矽晶技術(shù)的研究趨緩，轉而青睞更便宜的紙類(lèi)元件，矽晶技術(shù)存在停滯不前的風(fēng)險?！?/p>