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MEMS的未来要靠“纸实力”?

时间:2019-11-01 作者:Anne-Francoise Pele, EE Times欧洲特派记者 阅读:
没有人能准确预测MEMS和传感器的未来,但随着各种新型传感器架构崛起,基于低成本软性基板以及甚至是纸制造的传感器也在不断发展中…

没有人能够准确地预测微机电系统(MEMS)和传感器技术的未来。然而,根据MEMS设计与开发公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC.创办人Alissa Fitzgerald表示,目前正持续进展中的学术研究对于将塑造未来20年的新趋势提供了一个有效的指标。如今,各种新型传感器架构正在崛起中,包括基于低成本软性基板——甚至是以纸打造的传感器,也在不断地发展中。

Fitzgerald在上周于美国圣地亚哥举行的MEMS与传感器高峰会议(MEMS & Sensors Executive Congress)上对与会观众表示:“学术研究是产业创新的源泉。当今,大多数热门的MEMS产品都来自于学术研究,我们预期这种模式还将继续下去。”

她举了很多个例子,包括SiTime的谐振器来自于美国史丹佛大学(Stanford University)、CardioMEMS的植入式压力传感器来自乔治亚理工学院(GeorgiaTech)、Vesper的压电麦克风来自密歇根大学(University of Michigan),还有最近的例子是Chirp的压电微机械超音波换能器,得力于加州大学的柏克莱分校(UC Berkeley)和戴维斯分校(UC Davis)研究团队。

Fitzgerald解释说:“我的魔法来自于查看世界各地的顶级学术研究,并过滤超过650篇论文。”至于值得注意的评断标准,她表示看好“商业可行性、问题的解决方案,以及改变游戏规则的技术等。”

大多数的技术都还需要更多年的密集开发,并可能需要超过1亿美元的投资,才可能实现完全商业化,但Fitzgerald认为可以确定的是,这些技术都极具潜力,可望在MEMS和传感器产业创造新一波的动能与机会。

压电技术

从静电梳状致动(electrostatic comb-drive)架构到薄膜压电架构,种种变革正持续发生中,因为“您将能够获得更好的制程均匀性、更可靠、更高良率与更小占位空间,而且芯片尺寸将变得越来越小。Fitzergald并引用两项最新的薄膜材料创新技术——弗劳恩霍夫硅晶研究所(Fraunhofer Institute for Silicon Technology)专注于多层氮化铝(一种具有很高压电系数的材料),CEA-Leti则已经找到方法,可将锆钛酸铅(PZT)薄膜转移到透明玻璃基板上以取得透明压电结构。

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采用薄膜PZT驱动的微镜也很有趣。日本东京大学(University of Tokyo)的研究人员设计了一种3轴微镜,但仅以2轴的机械结构打造,并使用薄膜PZT改变反射镜本身的曲率来控制第3轴微镜。Fitzgerald说:“他们能够进行很大焦距的变化,基本上是一种3D光束转向。”这项技术可望很快地实现商业化。

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(来源:University of Tokyo)

薄膜压电材料将可用于致动器、扬声器、触觉和触控界面。“2020年起将会是薄膜压电MEMS的年代。我们看到了大量使用薄膜或氮化铝PZT的装置。我认为压电架构将取代1990年代强大的静电梳状致动架构。”

如今,“业界迫切需要更强劲的薄膜压电代工制程,一旦取得后将会尽快导入使用。”但是,Fitzgerald指出,目前还需要进行一些工作才能确保可靠性和可扩展性。

事件导向

“嘿,我刚听到您想要的声音!”这就是事件导向(event-driven)传感器的魔力。尽管在等待触发事件时仅消耗零或接近零功率,但这种极低功耗得以消除打造大型传感器网络时的主要障碍之一:电池更换频率太高。

Fitzgerald说:“这些传感器令人喜爱之处在于其巧妙运用了物理学…如果您只是想寻找一个事件,您可不想串流传输大量的数据,从而消耗大量功率。”这些传感器有着多种应用,而且可以非常快速地量产。

自供电

在更冒险的研究中,Fitzgerald提到了韩国科学技术院(Korea Advanced Institute of Science and Technology;KAIST)将太阳能电池与奈米压印聚合物结合的方法。

她解释说:“氢气的存在导致该聚合物的光栅膨胀。研究人员在消除太阳能电池上的光栅后,即可测量电池的电流输出并将其关联至氢气浓度。研究人员已经开发出一种完全自供电的电池,直到开始检测氢气之后才会启动任务。他们希望将其用于监测与氢动力车辆和工业安全应用相关的氢气箱。”

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中国北京大学的自供电传感器则是另一个例子。研究人员开发了一种利用摩擦电效应的自供电触控传感器,这就像有人穿袜子走在地毯上并在摩擦中积累静电荷一样。基本上,在一个触控事件中将两个嵌入电极的聚合物片压在一起,传感器就能检测触控动作的压力和轨迹。Fitzgerald预计,这项技术可望应用于安全辨识、智能墙、机器人触控传感器等方面。但是,目前还无法量产。

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软性

Fitzgerald说,纸是终极的软性传感器。在日本九州岛岛大学(Kyushu University),研究人员正使用喷墨打印机制作一种36气体的传感器数组,其尺寸大约是一张邮票的大小。这种软性传感器能够测量有机分解过程中释放的气体,从而为各种食品安全应用开启了大门。例如,将这种传感器结合到食品包装材料中,可以让消费者掌握食品的新鲜度。

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纸传感器也可以用于检测特定类型的细菌。美国中央佛罗里达大学(University of Central Florida)正在研究3D打印机的下一代技术,以创造基于电讯号的细菌检测传感器。

Fitzgerald说:“有趣的是,这些传感器不仅可以检测细菌的存在,还能够分辨出是大肠杆菌、金黄色葡萄球菌还是其他类型的细菌。”

这些传感器都在软性的低成本基板上制成,不仅是发展中国家,每一家医院诊所也都可用它来进行快速实时的诊断。它们可以在可生物分解基板上制造一次性使用的抛弃式传感器。

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Fitzgerald说,纸张、塑料和纺织MEMS以及传感器将会在2030年代出现。但是,条件之一在于“我们必须找到如何量产的方法”。

微制造技术

为什么最近开始出现大量的纸张、塑料和纺织品传感器研究?Fitzgerald表示,“很多人对于无法使用晶圆厂以及缺少预算感到沮丧,因而发辉创意地在没有无尘室设置的实验室中使用低成本材料进行制造。”这些材料的优势在于易于取得、便宜而且是软性的。

“微型晶圆厂”(minimal fab)的概念是所使用的每一种工具都是完全自给自足的,而且无需使用无尘室的环境。“对于专注于小量精密传感器而且每年仅需要1千个传感器的许多客户来说,这是一条可行的制造路径。”她继续说:“许多高性能应用其实并不必采用大型晶圆厂,因为你可能每年只需要进行一次小量制造,但可没有晶圆厂愿意接这样的生意。”

同样地,3D打印机开始变得更有效率了。现在,3D打印机能以数十微米的分辨率印制图层,而且还可以用塑料、金属和陶瓷材料进行印刷。如今,人们越来越喜欢将3D打印与硅奈米压印微影技术混合使用,这还可能催生新型传感器。

根据Fitzgerald表示,“我们将持续看到混合半导体制造与低成本制造的方法。而且,一旦我们开始利用3D打印机制造,人们可能直接就在家中的车库进行。”

当今制造业的基础设施进展正在放缓中。研究人员使用喷墨打印机、3D打印机来制造原型传感器,但他们经常需要采用卷对卷(R2R)打印来扩大规模。但如果我们无法找到某种解决方案,那么纸张、塑料和织物传感器可能还需要十年时间才能量产。Fitzgerald因而呼吁:“我们应该共同思考如何发展传感器制造基础设施。”

Fitzgerald说:“对于我们这些从事芯片制造业务的人来说,应该思考如何添加新的软性基板技术,使其成为一种加值的方案,而不是替代方法。而且,一旦我们确定如何扩展这些技术,我认为将会发生一些激动人心的事情。”

 (原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:MEMS' Future is Made in Paper,编译:Susan Hong)

 

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