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未来MEMS产业关键词:压电、事件驱动、自供电、柔性、微型代工厂
时间:2019-11-04 16:17:34

据麦姆斯咨询报道,MEMS设计与开发公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC的创始人Alissa Fitzgerald表示,虽然无人能准确预测MEMS和传感器技术的未来,但是正在进行的学术研究为未来二十年提供了重要的“线索”。全新的传感器结构正在兴起,基于廉价的柔性衬底(甚至是纸)的传感器也在不断发展。

 

十月下旬,由SEMI组织的MEMS与传感器执行大会(MEMS & Sensors Executive Congress)上,Fitzgerald发表演讲时谈到:“学术研究是我们行业创新的源泉。如今,在产业界引发轰动的大部分MEMS产品均来自学术研究,我们希望这种模式将延续下去。

 

Fitzgerald列举的案例包括:SiTime的振荡器源自斯坦福大学(相关报告:《SiTime MEMS振荡器:SiT1552》),Cardio的MEMS植入式压力传感器源自乔治亚理工大学,Vesper的压电式MEMS麦克风起源于密歇根大学(相关报告:《Vesper压电式MEMS麦克风:VM1000》),被TDK收购的Chirp最近推出的压电式MEMS超声波换能器也来自加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校。

 

Fitzgerald解释说:“我的神奇方法是查阅世界各地的顶级学术研究成果,并从650多篇论文中进行了筛选。”至于需要注意哪些标准,她说她正在寻找“商业上可行,能够解决问题,能引起技术变革。

 

大多数技术要实现完全商业化,需要多年的专心致志的开发,花费资金可能超过1亿美元。但Fitzgerald确信,这些技术都具有创造MEMS和传感器行业新机遇的潜力。

 

压电MEMS!压电MEMS!压电MEMS!

 

从静电梳齿状驱动结构到薄膜型压电结构,一场变革正在进行中。因为“您将能够获得更好的工艺一致性,更高的可靠性,更高的良率,更小的面积”Fitzgerald引用了最新的两种薄膜材料创新。当德国弗劳恩霍夫研究所专注于超高压电系数多层氮化铝(AlN)制造工艺开发时,法国CEA-Leti已经找到了一种将薄膜PZT转移到透明玻璃衬底上并获得透明压电结构的方法。

 

弗劳恩霍夫研究所提出的超高压电系数多层AlN制造工艺(左),CEA-Leti提出的透明压电结构制造工艺(右)

 

使用薄膜PZT完成的压电式驱动微镜也很有趣。东京大学的研究人员设计了一款三轴MEMS微镜,其中两轴为机械结构,并通过使用薄膜PZT改变微镜本身的曲率来控制第三轴。Fitzgerald说:“它们能对焦距进行较大的改变,从本质上讲属于3D光束操纵。”这项技术将很快实现商业化。

 

东京大学研究人员利用薄膜PZT设计的三轴MEMS微镜

 

薄膜型压电材料将可用于执行器、扬声器、触觉和触摸界面。21世纪20年代,被称为薄膜型压电MEMS时代(参考报告:《压电器件:从块体型到薄膜型-2019版》《压电器件对比分析:从块体型到薄膜型》)。我们已经看到大量器件开始采用AlN和PZT材料制造而成。在我看来,未来的MEMS器件的驱动模式将从90年代开始风头正劲的静电梳齿驱动转向压电驱动。

 

如今,“该行业对压电薄膜制造工艺的需求非常急切,并希望能尽快投入使用。”Fitzgerald指出,需要做一些工作来确保可靠性和可扩展性。

 

事件驱动

 

“嘿,我刚刚听到了您想要的声音!”这就是事件驱动型传感器的魔力。当它们等待触发事件时,功耗几乎为零,如此低的功耗,无需频繁更换电池,为构建大型传感器网络清除了主要障碍。

 

Fitzgerald说:“我之所以对这些传感器如此着迷,是因为它们对物理学的巧妙运用。如果您只是寻找一个事件,不希望流式传输大量数据,以避免产生过多功耗。”事件驱动型传感器应用范围非常广泛,并且可以非常快速地实现量产。

 

自供电

 

经过更深入的研究,Fitzgerald提到了韩国先进科学技术研究院将太阳能电池与纳米压印聚合物结合的方法。(参考报告:《半导体应用的纳米压印技术趋势-2019版》

 

“氢气的存在导致聚合物的格栅膨胀。”她解释说,“太阳能电池上的格栅发生变化,研究人员可以测量电池的输出电流,并测算出氢浓度。研究人员已经开发出一种完全自供电的电池,在氢气检测前无需工作。他们希望将其用于监控氢动力汽车和工业安全应用相关的氢罐。

 

韩国先进科学技术研究院提出的太阳能电池与纳米压印聚合物结合方法

 

另一个自供电传感器例子来自中国北京大学。研究人员开发了一种利用摩擦起电效应的自供电触摸传感器,这对于穿袜子走过地毯并从摩擦中积累静电荷的人们来讲是很熟悉的现象。简单来讲,在触摸事件中,将嵌入电极的两张聚合物薄片压在一起,传感器可以探测出触摸运动的压力和轨迹。Fitzgerald预计,这项技术将应用于安全识别、智能墙、机器人触摸传感器等。不过尚未实现批量生产。

 

北京大学利用摩擦电效应开发的自供电触摸传感器

 

柔性

 

Fitzgerald认为,纸是柔性传感器的终极衬底。在日本九州大学,研究人员正在使用喷墨打印机完成气体传感器阵列,有36个气体传感器,整体尺寸与邮票大小相当。这种灵活的传感器可以测量有机分解过程释放的气体,这为各种食品安全应用打开了大门。例如,将这种传感器用于食品包装材料中,消费者可以获取食品新鲜度信息。更多气体传感器技术与市场信息,请查看:《气体和颗粒物传感器-2018版》

 

日本九州大学用喷墨打印机完成的气体传感器阵列

 

纸基传感器也可以用于检测特定类型的细菌。中佛罗里达大学正在研究下一代3D打印技术,用于实现基于电信号的细菌检测传感器。

 

“有趣的是,这些传感器不仅可以检测细菌的存在,”Fitzgerald说,“还可以分辨出是大肠杆菌、金黄色葡萄球菌还是其它细菌。

 

这些传感器在柔性、廉价的衬底上完成,在发展中国家甚至医生办公室里,就能实现快速即时诊断。它们还能够利用生物降解衬底,制造成一次性传感器。

 

佛罗里达大学利用3D打印和微制造技术实现的新型传感器

 

Fitzgerald认为,纸、塑料和纺织MEMS和传感器将在21世纪30年代出现。但是,其中一个前提条件是“人类得找到批量生产这类传感器的方法”!

 

微型代工厂

 

“为什么会开始出现大量基于纸、塑料和纺织的传感器研究?”Fitzgerald提出疑问,“很多人因无法获得晶圆代工厂支持和预算短缺而感到沮丧,因此可以在非洁净实验室中使用廉价材料就显得非常有创意。”这些材料的优势是易于获得,既便宜又灵活。

 

“微型代工厂”概念的提出,指其中每台设备都是完全独立的,不需要洁净室环境。“对于许多专注于低精密传感器、每年需求量仅1000颗的客户来说,这是一条可行的制造路径。”她继续说:“许多高性能应用或许希望在大型代工厂里完成。但因为您每年所需的传感器数量仅仅等效于一片晶圆,没有哪家大型代工厂会接受这样的业务。

 

同样,3D打印机开始变得高效。现在,3D打印机能以数十微米的分辨率打印图形,并可以打印塑料、金属和陶瓷材料。如今,3D打印与硅纳米压印光刻技术结合的案例越来越多,或许会“诞生”一些新兴传感器。

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