真乄科技業的頂尖投資團隊

雖然無法準確預測，但我們確實能從過去經驗了解到，現今大部分造成轟動的MEMS技術都是從學術實驗室發跡，我們也預計未來會有更多成果誕生。

本文中列出了2015年在各學術會議中提出的重大議題與研究，評估標準包括商用相關性、問題解決能力，以及是否能為技術市場帶來重要改革。當然，這些技術都有待數年的密集研發與鉅額投資才能進軍市場。即便如此，它們還是有極大潛力為MEMS市場帶來一波全新的商業活動浪潮。

未來值得關注的新興MEMS與感測器技術包括： 
．導航級陀螺儀
．零靜態功耗元件
．氮化鎵共振器(GaN Resonator)
．石墨烯場效電晶體(FET)氣體感測器
．生物可分解感測器(Biodegradable Sensor)
．彈性式能源採集器(Energy Harvester)
．紙基元件(Paper-based Device)

針對上述未來值得關注的新興MEMS與感測器技術，以下將進行個別分析。

導航級陀螺儀

數個研究團隊正試著突破傳統設計框架，研發全新MEMS陀螺儀結構。台灣清華大學以環耦合(Ring-coupled)架構進行模式匹配(Mode-matching)。美國喬治亞理工學院(Georgia Tech)著眼於體聲波(Bulk Acoustic Wave)架構，以改善偏壓穩定性(Bias Stability)並減少噪音問題。

米蘭理工大學(Politecnico di Milano)則利用法國原子能署電子暨資訊技術實驗室(CEA-Leti)的M&NEMS壓阻式奈米線架構，取其阻隔內部震動及衝撞的長處。下一代陀螺儀的目標應用，在於脫離GPS的協助自主導航小型汽車，時間範圍能從幾分鐘延續到數小時。

室內環境、市區窄巷及隧道都是當今GPS的罩門，在解決方案出現前，慣性感測器(Inertial Sensor)將能提供必要的車輛追蹤資訊。網路業者亞馬遜(Amazon)計畫透過無人駕駛機，直接將包裹置於收件人住家的草坪或是屋頂上，但若是少了導航級MEMS慣性感測器的幫助，這個目標便難以達成。

零靜態功耗元件

物聯網(IoT)蘊含的可能性令人感到相當振奮，但如果感測器網路須時常替換電池，這興奮之情終究會被慢慢磨光。物聯網未來的成功光景將仰賴超低功耗電子元件的發展。

目前至少有兩組團隊正朝此一目標研發創新的通訊電子元件，此款元件只有在感測器感應到特定臨界值(Threshold)事件時，才會開始消耗能源。兩組團隊皆巧妙地運用調校過的機械式共振器(Mechanical Resonator)在特殊情境下提升電能。加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)所研發的元件，在等待接收甚低頻傳輸(VLF Transmission)時處於零耗電狀態。

中國科學院的元件也是須要經由特定臨界點振幅觸發後才會開始消耗能源，除此之外，此元件會在振動過程中搜集動能，並運用這些動能驅動無線射頻發送器(RF Transmitter)。發送出的訊息僅含有該感測器模組的方位代碼，不包括感測器數據，因為此傳送過程本身已超出臨界值。

氮化鎵共振器

緊接著矽之後，還有石英、碳化矽，和鑽石材料的MEMS，現在氮化鎵MEMS也即將面世。氮化鎵的能隙(Band Gap)與壓電係數(Piezoelectric Coefficients)都很高，加上耐高溫的性質，使它能利用高功率和高頻率的電子技術，讓高效能無線射頻MEMS共振器在晶圓階段進行整合。

美國麻省理工學院(MIT)及密西根大學(Univ. of Michigan)最近都發表了達成優化氮化鎵共振器的不同手法。這些元件得以當做高GHz共振器使用，以能在無線射頻接受器前端先行過濾頻道選擇。

石墨烯FET氣體感測器

打造氣體感測器並非難事，打造出能選擇各類氣體的感測器才是一項挑戰。加州大學柏克萊分校的團隊以單一石墨烯場效電晶體(Graphene Field Effect Transistor, FET)為基礎研發出一款感測器，不須加溫即可運作，甚至可以分辨氨、二氧化氮、水及甲醇。此團隊還建立全新轉導(Transduction)機制，透過FET電導(Conductance)與閘極電壓(Gate Voltage)之間的轉換指出不同種類氣體的存在。

打造出能分辨各類氣體的感測器為一大挑戰。

生物可分解感測器

檢測出體內壓力變化有助於許多病症的診治與監控，而由生物相容材質打造，在植入或吞下後能自行無害分解的壓力感測器更能帶來極大助益。喬治亞科技大學與賓州大學(University of Pennsylvania)的研究人員研發出一款壓力感測器，內含由生物可分解聚合物製成的薄膜，以及鋅質電極與感應線圈。

此感測器傳遞資訊的方式與無線射頻辨識系統(RFID)雷同，是透過外部讀取器獲取動力。此團隊同樣也在研發生物可分解的化學電池，利用體液作為電解液，並使用能自行無害分解的鎂鐵電極。美國普羅透斯數位健康公司(Proteus Digital Health)已在市面上推出採用類似手法產生能源的產品。

彈性式能源採集器

MEMS規模的能源採集器(Energy Harvester)所面臨的挑戰在於，某些設備中可以搜集的動能本來就有極限。但於大型、彈性化介質內(範圍從公分到公尺)配置的小型能源採集器，卻能產生可觀的能源。韓國西江大學(Sogang University)正在研究以聚合物絲線製成的能源採集器，可以被織入像是衣物、窗簾、旗子或帆布等大範圍布料。

美國消費性電子協會(CEA)的研究人員則著眼於塑膠製能源採集器，意在使其能經由網版印刷置入大型版面，供建築物或汽車包膜等使用。兩組團隊的技術都運用了壓電聚合材質，相較於金屬或矽，帶來更大的機械應變能力(Mechanical Strain)。

紙基元件

紙類有相當潛能可望成為超低成本感測器的基板(每個感測器成本可壓在0.01美金以下)。它是成本極低的材質，且在無法掌控的環境之中，能夠在高產量大型Roll-to-roll設備上製造。學術團隊正在這不起眼的材質上挖掘驚人能力，讓資源落後的環境也能執行醫療診治。

美國哈佛大學的懷特塞茲團隊(Whitesides Group)在此方面向來擔任領頭羊的角色。美國紐約賓漢頓大學最近剛展示過摺疊式紙基電池，使用細菌作為電子源(Electron Source)，產生0.5伏特的電力。單單一小滴污水中的細菌就可以自行連接到電極，並在進行新陳代謝時產生電子。現今須依賴外部電池的紙製感測器，未來可望能利用紙電池驅動。在資源貧乏的環境，感測器系統在使用後只要點根火柴就能銷燬。

降低成本　紙類有望成感測器新基板

從近期發展來看，市場對於低成本、低效能設備的需求，確實讓一些技術往較低廉的基板靠攏。LED從原本的藍寶石基板轉而採用矽，而微流體(Microfluidics)則從原本的矽轉投向玻璃，現在則轉攻塑膠與紙類。由於物理限制，並非所有感測器都能接納紙類基板，但也許在十年後，當超低成本成為進入市場的關鍵時，我們就有可能會看到更簡便的感測器開始採用紙類材質。量產紙基電子元件的基礎建設仍有待發展，但因為悠久的印刷產業將能提供紙類處理方面的資源，若是市場情況允許，發展速度也將能隨之提升。

2015年研究中的關鍵技術共通點都是不再拘泥於矽基的感測器以及MEMS。未來十年的走向很有可能就從這波學術研究起頭，因此更要特別關注這波遠離矽基的潮流。

半導體產業認為，未來數兆台物聯網感測器仍將以矽為基底，因此對於物聯網保持相當樂觀的態度。但如果成本壓力以及新技術迫使那些感測器採用像是紙與塑膠等更低廉的材質時，又會有怎樣的光景呢？

(本文作者為A.M. Fitzgerald & Associates創辦人)

資料來源:新通訊