據(jù)麥姆斯咨詢報道，MEMS設計與開發(fā)公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC的創(chuàng)始人Alissa Fitzgerald表示，雖然無人能準確預測MEMS和傳感器技術的未來，但是正在進行的學術研究為未來二十年提供了重要的“線索”。全新的傳感器結構正在興起，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：“學術研究是我們行業(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)品均來自學術研究，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（相關報告：《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，Vesper的壓電式MEMS麥克風起源于密歇根大學（相關報告：《Vesper壓電式MEMS麥克風：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伯克利分校和加州大學戴維斯分校。

Fitzgerald解釋說:“我的神奇方法是查閱世界各地的頂級學術研究成果，并從650多篇論文中進行了篩選。”至于需要注意哪些標準，她說她正在尋找“商業(yè)上可行，能夠解決問題，能引起技術變革。”

大多數(shù)技術要實現(xiàn)完全商業(yè)化，需要多年的專心致志的開發(fā)，花費資金可能超過1億美元。但Fitzgerald確信，這些技術都具有創(chuàng)造MEMS和傳感器行業(yè)新機遇的潛力。

壓電MEMS！壓電MEMS！壓電MEMS！

從靜電梳齒狀驅(qū)動結構到薄膜型壓電結構，一場變革正在進行中。因為“您將能夠獲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?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轉移到透明玻璃襯底上并獲得透明壓電結構的方法。

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提出的透明壓電結構制造工藝（右）

使用薄膜PZT完成的壓電式驅(qū)動微鏡也很有趣。東京大學的研究人員設計了一款三軸MEMS微鏡，其中兩軸為機械結構，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：“它們能對焦距進行較大的改變，從本質(zhì)上講屬于3D光束操縱。”這項技術將很快實現(xiàn)商業(yè)化。

東京大學研究人員利用薄膜PZT設計的三軸MEMS微鏡

薄膜型壓電材料將可用于執(zhí)行器、揚聲器、觸覺和觸摸界面。“21世紀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年代開始風頭正勁的靜電梳齒驅(qū)動轉向壓電驅(qū)動。”

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。”Fitzgerald指出，需要做一些工作來確保可靠性和可擴展性。

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，為構建大型傳感器網(wǎng)絡清除了主要障礙。

Fitzgerald說：“我之所以對這些傳感器如此著迷，是因為它們對物理學的巧妙運用。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。”事件驅(qū)動型傳感器應用范圍非常廣泛，并且可以非常快速地實現(xiàn)量產(chǎn)。

自供電

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

“氫氣的存在導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)安全應用相關的氫罐。”

韓國先進科學技術研究院提出的太陽能電池與納米壓印聚合物結合方法

另一個自供電傳感器例子來自中國北京大學。研究人員開發(fā)了一種利用摩擦起電效應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動的壓力和軌跡。Fitzgerald預計，這項技術將應用于安全識別、智能墻、機器人觸摸傳感器等。不過尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

北京大學利用摩擦起電效應開發(fā)的自供電觸摸傳感器

柔性

Fitzgerald認為，紙是柔性傳感器的終極襯底。在日本九州大學，研究人員正在使用噴墨打印機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。這種靈活的傳感器可以測量有機分解過程釋放的氣體，這為各種食品安全應用打開了大門。例如，將這種傳感器用于食品包裝材料中，消費者可以獲取食品新鮮度信息。更多氣體傳感器技術與市場信息，請查看：《氣體和顆粒物傳感器-2018版》。

日本九州大學用噴墨打印機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菌。中佛羅里達大學正在研究下一代3D打印技術，用于實現(xiàn)基于電信號的細菌檢測傳感器。

“有趣的是，這些傳感器不僅可以檢測細菌的存在，”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菌。”

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。

中佛羅里達大學利用3D打印和微制造技術實現(xiàn)的新型傳感器

Fitzgerald認為，紙、塑料和紡織MEMS和傳感器將在21世紀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算短缺而感到沮喪，因此可以在非潔凈實驗室中使用廉價材料就顯得非常有創(chuàng)意。”這些材料的優(yōu)勢是易于獲得，既便宜又靈活。

“微型代工廠”概念的提出，指其中每臺設備都是完全獨立的，不需要潔凈室環(huán)境。“對于許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：“許多高性能應用或許希望在大型代工廠里完成。但因為您每年所需的傳感器數(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。”

同樣，3D打印機開始變得高效。現(xiàn)在，3D打印機能以數(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結合的案例越來越多，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)見證低成本半導體制造方法的出現(xiàn)。并且，一旦我們開始利用3D打印機進行制造，可能在車庫里就能完成了！”

如今，制造業(yè)基礎設施的進展放緩。研究人員使用噴墨打印機、3D打印機制造傳感器原型，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現(xiàn)批量生產(chǎn)。Fitzgerald呼喚大家：“我們應該共同思考如何發(fā)展傳感器制造基礎設施。”

“對于我們這些硅晶圓制造從業(yè)人員來說，應該考慮如何引入新的柔性襯底技術，這里強調(diào)是增加，而不是替代。而且，一旦我們確定了如何擴展這些技術，將會有一些激動人心的事件發(fā)生。”Fitzgerald總結說。