MEMS和傳感器技術(shù)的未來市場(chǎng)發(fā)展預(yù)測(cè)分析

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(cè)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(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(zhí)行大會(huì)（MEMS & Sensors Executive Congress）上，F(xiàn)itzgerald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)品均來自學(xué)術(shù)研究，我們希望這種模式將延續(xù)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(bào)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(bào)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(jí)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。”

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(dòng)結(jié)構(gòu)到薄膜型壓電結(jié)構(gòu)，一場(chǎng)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?guó)弗勞恩霍夫研究所專注于超高壓電系數(shù)多層氮化鋁（AlN）制造工藝開發(fā)時(shí)，法國(guó)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(dòng)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(duì)焦距進(jìn)行較大的改變，從本質(zhì)上講屬于3D光束操縱?！边@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(shí)代（參考報(bào)告：《壓電器件：從塊體型到薄膜型-2019版》、《壓電器件對(duì)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(dòng)模式將從90年代開始風(fēng)頭正勁的靜電梳齒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向壓電驅(qū)動(dòng)?！?/p>

如今，“該行業(yè)對(duì)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保可靠性和可擴(kuò)展性。

事件驅(qū)動(dòng)

“嘿，我剛剛聽到了您想要的聲音！”這就是事件驅(qū)動(dòng)型傳感器的魔力。當(dāng)它們等待觸發(fā)事件時(shí)，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(duì)這些傳感器如此著迷，是因?yàn)樗鼈儗?duì)物理學(xué)的巧妙運(yùn)用。如果您只是尋找一個(gè)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(dòng)型傳感器應(yīng)用范圍非常廣泛，并且可以非常快速地實(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(guó)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(bào)告：《半導(dǎo)體應(yīng)用的納米壓印技術(shù)趨勢(shì)-2019版》）

“氫氣的存在導(dǎo)致聚合物的格柵膨脹。”她解釋說，“太陽能電池上的格柵發(fā)生變化，研究人員可以測(cè)量電池的輸出電流，并測(cè)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(cè)前無需工作。他們希望將其用于監(jiān)控氫動(dòng)力汽車和工業(yè)安全應(yīng)用相關(guān)的氫罐。”

韓國(guó)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(gè)自供電傳感器例子來自中國(guó)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(duì)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(jiǎn)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(cè)出觸摸運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)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(cè)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(chǎng)信息，請(qǐng)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(cè)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(hào)的細(xì)菌檢測(cè)傳感器。

“有趣的是，這些傳感器不僅可以檢測(cè)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。”

這些傳感器在柔性、廉價(jià)的襯底上完成，在發(fā)展中國(guó)家甚至醫(yī)生辦公室里，就能實(shí)現(xiàn)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(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(gè)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(huì)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(jià)材料就顯得非常有創(chuàng)意?！边@些材料的優(yōu)勢(shì)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(tái)設(shè)備都是完全獨(dú)立的，不需要潔凈室環(huán)境。“對(duì)于許多專注于低精密傳感器、每年需求量?jī)H1000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?jī)H僅等效于一片晶圓，沒有哪家大型代工廠會(huì)接受這樣的業(yè)務(wù)。”

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(huì)“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(duì)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(shí)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?！?/p>

“對(duì)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(huì)有一些激動(dòng)人心的事件發(fā)生。”Fitzgerald總結(jié)說。