沒有人能夠準確地預測微機電系統(MEMS)和感測器技術的未來。然而,根據MEMS設計與開發公司A.M. Fitzgerald and Associates LLC.創辦人Alissa Fitzgerald表示,目前正持續進展中的學術研究對於將塑造未來20年的新趨勢提供了一個有效的指標。如今,各種新型感測器架構正在崛起中,包括基於低成本軟性基板——甚至是以紙打造的感測器,也在不斷地發展中。

Fitzgerald在上週於美國聖地牙哥舉行的MEMS與感測器高峰會議(MEMS & Sensors Executive Congress)上對與會觀眾表示:「學術研究是產業創新的源泉。當今,大多數熱門的MEMS產品都來自於學術研究,我們預期這種模式還將繼續下去。」

她舉了很多個例子,包括SiTime的諧振器來自於美國史丹佛大學(Stanford University)、CardioMEMS的植入式壓力感測器來自喬治亞理工學院(GeorgiaTech)、Vesper的壓電麥克風來自密西根大學(University of Michigan),還有最近的例子是Chirp的壓電微機械超音波換能器,得力於加州大學的柏克萊分校(UC Berkeley)和戴維斯分校(UC Davis)研究團隊。

Fitzgerald解釋說:「我的魔法來自於查看世界各地的頂級學術研究,並過濾超過650篇論文。」至於值得注意的評斷標準,她表示看好「商業可行性、問題的解決方案,以及改變遊戲規則的技術等。」

大多數的技術都還需要更多年的密集開發,並可能需要超過1億美元的投資,才可能實現完全商業化,但Fitzgerald認為可以確定的是,這些技術都極具潛力,可望在MEMS和感測器產業創造新一波的動能與機會。

壓電技術

從靜電梳狀致動(electrostatic comb-drive)架構到薄膜壓電架構,種種變革正持續發生中,因為「您將能夠獲得更好的製程均勻性、更可靠、更高良率與更小佔位空間,而且晶片尺寸將變得越來越小。Fitzergald並引用兩項最新的薄膜材料創新技術——弗勞恩霍夫矽晶研究所(Fraunhofer Institute for Silicon Technology)專注於多層氮化鋁(一種具有很高壓電係數的材料),CEA-Leti則已經找到方法,可將鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜轉移到透明玻璃基板上以取得透明壓電結構。

20191031_MEMS_NT01P1

採用薄膜PZT驅動的微鏡也很有趣。日本東京大學(University of Tokyo)的研究人員設計了一種3軸微鏡,但僅以2軸的機械結構打造,並使用薄膜PZT改變反射鏡本身的曲率來控制第3軸微鏡。Fitzgerald說:「他們能夠進行很大焦距的變化,基本上是一種3D光束轉向。」這項技術可望很快地實現商業化。

20191031_MEMS_NT01P2

(來源:University of Tokyo)

薄膜壓電材料將可用於致動器、揚聲器、觸覺和觸控介面。「2020年起將會是薄膜壓電MEMS的年代。我們看到了大量使用薄膜或氮化鋁PZT的裝置。我認為壓電架構將取代1990年代強大的靜電梳狀致動架構。」

如今,「業界迫切需要更強勁的薄膜壓電代工製程,一旦取得後將會盡快導入使用。」但是,Fitzgerald指出,目前還需要進行一些工作才能確保可靠性和可擴展性。

事件導向

「嘿,我剛聽到您想要的聲音!」這就是事件導向(event-driven)感測器的魔力。儘管在等待觸發事件時僅消耗零或接近零功率,但這種極低功耗得以消除打造大型感測器網路時的主要障礙之一:電池更換頻率太高。

Fitzgerald說:「這些感測器令人喜愛之處在於其巧妙運用了物理學…如果您只是想尋找一個事件,您可不想串流傳輸大量的資料,從而消耗大量功率。」這些感測器有著多種應用,而且可以非常快速地量產。

自供電

在更冒險的研究中,Fitzgerald提到了韓國科學技術院(Korea Advanced Institute of Science and Technology;KAIST)將太陽能電池與奈米壓印聚合物結合的方法。

她解釋說:「氫氣的存在導致該聚合物的光柵膨脹。研究人員在消除太陽能電池上的光柵後,即可測量電池的電流輸出並將其關聯至氫氣濃度。研究人員已經開發出一種完全自供電的電池,直到開始檢測氫氣之後才會啟動任務。他們希望將其用於監測與氫動力車輛和工業安全應用相關的氫氣箱。」

20191031_MEMS_NT01P3

中國北京大學的自供電感測器則是另一個例子。研究人員開發了一種利用摩擦電效應的自供電觸控感測器,這就像有人穿襪子走在地毯上並在摩擦中積累靜電荷一樣。基本上,在一個觸控事件中將兩個嵌入電極的聚合物片壓在一起,感測器就能檢測觸控動作的壓力和軌跡。Fitzgerald預計,這項技術可望應用於安全辨識、智慧牆、機器人觸控感測器等方面。但是,目前還無法量產。

20191031_MEMS_NT01P4

軟性

Fitzgerald說,紙是終極的軟性感測器。在日本九州大學(Kyushu University),研究人員正使用噴墨印表機製作一種36氣體的感測器陣列,其尺寸大約是一張郵票的大小。這種軟性感測器能夠測量有機分解過程中釋放的氣體,從而為各種食品安全應用開啟了大門。例如,將這種感測器結合到食品包裝材料中,可以讓消費者掌握食品的新鮮度。

20191031_MEMS_NT01P5

紙感測器也可以用於檢測特定類型的細菌。美國中央佛羅里達大學(University of Central Florida)正在研究3D列印機的下一代技術,以創造基於電訊號的細菌檢測感測器。

Fitzgerald說:「有趣的是,這些感測器不僅可以檢測細菌的存在,還能夠分辨出是大腸桿菌、金黃色葡萄球菌還是其他類型的細菌。」

這些感測器都在軟性的低成本基板上製成,不僅是發展中國家,每一家醫院診所也都可用它來進行快速即時的診斷。它們可以在可生物分解基板上製造一次性使用的拋棄式感測器。

20191031_MEMS_NT01P6

Fitzgerald說,紙張、塑料和紡織MEMS以及感測器將會在2030年代出現。但是,條件之一在於「我們必須找到如何量產的方法」。

微製造技術

為什麼最近開始出現大量的紙張、塑料和紡織品感測器研究?Fitzgerald表示,「很多人對於無法使用晶圓廠以及缺少預算感到沮喪,因而發輝創意地在没有無塵室設置的實驗室中使用低成本材料進行製造。」這些材料的優勢在於易於取得、便宜而且是軟性的。

「微型晶圓廠」(minimal fab)的概念是所使用的每一種工具都是完全自給自足的,而且無需使用無塵室的環境。「對於專注於小量精密感測器而且每年僅需要1千個感測器的許多客戶來說,這是一條可行的製造路徑。」她繼續說:「許多高性能應用其實並不必採用大型晶圓廠,因為你可能每年只需要進行一次小量製造,但可沒有晶圓廠願意接這樣的生意。」

同樣地,3D列印機開始變得更有效率了。現在,3D列印機能以數十微米的解析度印製圖層,而且還可以用塑料、金屬和陶瓷材料進行印刷。如今,人們越來越喜歡將3D列印與矽奈米壓印微影技術混合使用,這還可能催生新型感測器。

根據Fitzgerald表示,「我們將持續看到混合半導體製造與低成本製造的方法。而且,一旦我們開始利用3D列印機製造,人們可能直接就在家中的車庫進行。」

當今製造業的基礎設施進展正在放緩中。研究人員使用噴墨印表機、3D列印機來製造原型感測器,但他們經常需要採用捲對捲(R2R)列印來擴大規模。但如果我們無法找到某種解決方案,那麼紙張、塑料和織物感測器可能還需要十年時間才能量產。Fitzgerald因而呼籲:「我們應該共同思考如何發展感測器製造基礎設施。」

Fitzgerald說:「對於我們這些從事晶片製造業務的人來說,應該思考如何添加新的軟性基板技術,使其成為一種加值的方案,而不是替代方法。而且,一旦我們確定如何擴展這些技術,我認為將會發生一些激動人心的事情。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:MEMS' Future is Made in Paper,by Anne-Françoise Pelé)