MEMS如今已經無處不在，我們的iPhone（以及安卓手機）、健身追踪器、亞馬遜Echo和Nest等智能家居設備、汽車安全系統、無人機，以及VR/AR頭戴式設備，幾乎所有叫的上名字的電子產品都應用了MEMS器件。
我想起了那時我們在Analog Devices（以下簡稱ADI）首次進行MEMS技術開發的日子。當時，我和我以故的妻子Terry Core以及Richie Payne、Roger Howe、Steve Sherman、Bob Sulouff等其它MEMS先驅們在ADI工作。理解某件事物的最好方法，通常便是回到其開始的地方。25年前，我們為什麼要考慮開發首款商用MEMS器件？我們是如何製造它的？後來我們又是如何發展的呢？
回到那些年
我首次接觸MEMS要追溯到上個世紀的80年代，那個時候Foxboro等公司將MEMS壓力傳感器應用於過程控制。那時我在ADI作為一名製造設備工程師，負責接受新工藝並使之適於生產製造。當我知道ADI晶圓廠運營和開發部經理Richie Payne想要開發一款加速度計時（ADI首次涉足MEMS），我推薦了我的妻子Terry加入這個研發團隊。僱傭Terry不只是為了降低我們的通勤成本，她以前有MEMS研究和商業化經驗。
來自美國加州大學伯克利分校（Berkeley）的Roger Howe作為顧問加入了我們的團隊，我的妻子和Roger後來申請了許多關於晶圓級工藝的專利，這些技術後來使得首款MEMS加速度計成為現實。他們後來又陸續申請了20件MEMS技術相關專利，這些技術作為許多創意的基礎，現在還一直在應用。
當其它公司都專注於半導體時，ADI為什麼要拓展MEMS領域？
Richie是一個有遠見的人。他從美國國防先進研究項目局（DARPA）獲得資助用於軍用加速度計的研發，而他起初希望將加速度計應用於汽車，後來的發展也完全按照他的預想在進行。Richie已經有許多固態產品應用於汽車，所以他能夠預見到傳感器將在汽車領域獲得更多的應用，安全氣囊便是一個很明顯的應用案例。
崎嶇的MEMS發展之路
麥姆斯諮詢資料顯示，汽車製造商其實在上個世紀80年代至90年代初期已經試驗了安全氣囊的安全問題。通用汽車製造了10000輛裝備安全氣囊的凱迪拉克汽車。首款安全氣囊傳感器是一種在管道中放置一個小球的滾球式裝置，當車輛發生意外產生減速度時，由磁體吸附而穩定的小球，由於慣性力大於磁體吸附力而脫離磁體吸附，並延管道滾動，通過連接兩個裸露的導體而閉合傳感電路。每當汽車行進中遇到強烈的顛簸時，小球就有一定的機率脫離磁體，觸發安全氣囊。汽車經過一個坑洞的正常震動，都可能觸發安全氣囊，為了降低誤報率，通用汽車為每輛汽車安裝了3個這樣的滾球式碰撞傳感器；只有當2個小球脫離磁體時才會代表發生了碰撞，從而觸發安全氣囊。毫無疑問，這種“投票”式的方法還是不能避免誤報。
這還不是這種滾球式碰撞傳感器系統的唯一缺點。這種系統沒有自我檢測能力，自我檢測已經成為現在產品的標準特性。因為滾球式碰撞傳感器系統內部是開放式電路，所以無法進行碰撞前的傳感器系統檢測。儘管在現實生活的碰撞中，這種早期的安全氣囊證明它確實能夠提高存活率，但是這種安全氣囊的誤報率還是太高了。很明顯，我們需要更好的安全氣囊碰撞傳感技術，使其成為所有汽車的主流安全裝備。
第一個吃螃蟹的德科（Delco）公司
Delco（隸屬於通用公司）希望成為首個在汽車安全氣囊中應用ADI加速度計的公司。對Delco來說這是一個大膽的嘗試，但是也是非常明智的選擇。ADI的單軸加速度計相比滾球式碰撞傳感器具有很多重要的優勢：
- 支持自我檢測；
- 替代成本較低；
- 產品智能化程度更高，能夠分辨是碰撞還是道路顛簸。還可以使汽車製造商能夠為不同的車型設置它們所想要的加速度閾值，從而提供不同的加速度計特性。
通用公司和Delco預見到安全氣囊將成為非常有前景的汽車系統，他們希望能夠率先大規模應用該系統。他們發現利用MEMS加速度計，能夠解決應用早期系統測試無法解決的問題。這使得這一非常新穎的技術逐漸成為安全至上的汽車系統的一部分。
奇蹟從這裡開始
相比今天的MEMS加速度計，當時的首款MEMS加速度計更像是個“未知的黑盒”。有些地方可能不對，但是當時我們也不明白為什麼。我記得當時Terry在描述早期加速度計的工藝流程時，她會說：“看，奇蹟將從這裡開始！”那些首批研發加速度計的工程師們通過實驗確定了工藝設計，但是並不完全理解這其中的物理、化學以及材料科學的運作原理。
我們創造了許多新詞彙，比如“stiction”、“jump shifting”以及“ledge bow”等，每個新詞彙都分別描述了一種需要新解決方案的失效機理。這些解決方案產生了許多發明專利、商業秘密以及生產規範，使MEMS傳感器的大規模生產和廣泛應用成為可能。經過多年的研究，我們開始慢慢摸清了這些微結構的工作機理，通過科學理解逐漸打開了那些“未知的黑盒”。這些科學理解成為了進一步發展MEMS技術的基礎。
一個例子是關於首款加速度計應用的控制系統。我們對這些微型結構的可靠性知之甚少，於是我們創造了最可能令我們成功的設計。我們把加速度計的結構設計的盡可能堅硬，防止由於缺陷而導致產品失敗。這樣的設計，意味著非常微弱的信號，於是我們又將電子結構和機械機構集成到同一個芯片上，以探測這些微弱的原子能級的信號。我們還設計了相關電路，以彌補機械缺陷。
首款MEMS加速度計實際上採用了靜電力反饋閉環方案，使機械結構固定，防止其移動，靜電力反饋也潛在的成為加速度計的輸出信號。這些設計防止了由於疲勞、蠕變以及其它微機械世界不一定存在的宏觀力學原理導致失敗的可能性。隨著數以百萬計的傳感器製作、測試和研究，我們對微觀世界的理解逐漸加深，使我們不在糾結於這些想法，從而能夠製造出靈敏度更高、尺寸更小、成本更低的微結構器件。
ADI早期的安全氣囊MEMS加速度計ADXL76
上世紀90年代後期，MEMS逐漸成為主流
到了上世紀90年代後期，通用及其子公司Delco、Vistion、博世和西門子開始為汽車產業從ADI大量採購MEMS器件。隨著ADI的加速度計在汽車產業大獲成功後，ADI希望將這些產品和技術應用到其它運動傳感產品和市場中，尤其是消費類電子產品。
鑑於這兩個市場的要求完全不同，產品、製造工藝、測試和設計都需要重新開發。首先，我們認識到3個單軸器件對消費類應用來說成本太高了。而且，和碰撞不同，和人的交互作用是低力度（或低g值）操作。為解決該問題，我們設計出3軸低g值加速度計。為了提高晶圓廠工藝以提供3軸傳感器件，我們將陶瓷密封封裝改為晶圓級封蓋塑料封裝（wafer level capped plastic package）以降低成本。我們從成本昂貴的基於運動的過溫測試，改為使用目前行之有效的自我檢測，來評估每個器件的性能。
ADI首款低g值MEMS加速度計ADXL202
我們很快開發了消費類游戲應用的其它產品，包括任天堂Wii遊戲控製手柄中的首款3軸加速度計。
小插曲：ADI與美新（MEMSIC）的故事
正如美新公司的英文名字MEMSIC一樣，它所做的事情便是把MEMS（微電子機械）器件和IC（集成電路）集成到同一個芯片上，其早期產品是加速度計。美新採用的是熱對流式加速度計，在芯片內部的矽底板上設計了一個存在一定溫度差的氣泡結構，利用溫度差異檢測出氣泡受到衝擊後產生的空間偏移，通過對這種偏移進行運算處理就可以獲得加速度，傳感器的處理電路則將檢測到的衝擊變為電信號輸出。
熱對流式原理最早是加拿大一位大學教授的專利，當初並不被人們看好，後來ADI公司接受了熱對流式原理，並試圖將熱對流式傳感器與集成電路集成在一起，而完成這一工作的便是美新公司的創始人趙陽。當時趙陽是ADI公司MEMS領域的高級研發工程師，他畢業於北大物理系，後在美國普林斯頓大學獲博士學位，從1993年開始在ADI供職7年之久。
1999年10月，趙陽離開ADI創立了美新公司，研發總部在美國華盛頓，但生產工廠設在無錫。離開ADI之前，趙陽說服了ADI將其先進的加速度計及芯片製造技術排他性地授權給美新，並以技術入股，這在ADI公司40年的歷史上是絕無僅有的。不僅如此，在美新需要投資的時候，ADI公司的創始人董事長Ray Stata還推薦趙陽去找其舊識台積電的董事長張忠謀。張忠謀更是乾脆，當即表示：“Ray說該往哪投資，我就往哪投。”於是，台積電旗下的旭陽創投便成了美新的大股東之一。
當初ADI以技術入股投資美新，協議中明確說明了ADI公司不再涉足熱對流式傳感器領域，目前熱對流式傳感器相關的專利都歸美新所有。Ray Stata沒想到的是，自己無意中為ADI培養了最強勁的競爭對手。當初在簽訂投資協議時有一項規定，一旦美新將來要進入汽車領域的話，必須通過ADI的渠道來銷售。有趣的是，美新公司的一個銷售副總裁，憑藉自己能說會道的本事，居然說服了ADI最終取消了這項條款。
“當時ADI是有點瞧不起我們，他們認為就是沒有這個條款，美新也做不了高端的汽車領域。”美新公司總經理黃飛明回憶道。但後來的事實是，美新通過技術革新，拓展了產品的應用領域，成功進入了汽車市場。ADI搬起石頭砸了自己的腳，做了3年美新公司董事長的Ray Stata曾經為此大為惱火，但同樣是技術天才的他又不得不自嘲：無論是ADI還是美新，反正都是我投資的了。
美新的技術領先性還在於，它是全球唯一一家能夠用標準的CMOS工藝將MEMS器件和數字模擬混合信號集成在單芯片上的公司。CMOS是半導體工廠的標準工藝，在美新出現之前，由於自身材料和工藝的特殊性和復雜性，MEMS產品不容易與批量生產的半導體工廠的CMOS工藝兼容，因此，MEMS產品只能在大學的樣機實驗室等進行加工，從未實現商業化量產。美新公司的獨特之處在於MEMS統一標準尚未出現時，就能將MEMS產品集成在現有的標準工藝CMOS上，從而可以在現有的晶圓代工廠進行大規模生產。
由於是單一芯片集成，也大大降低了MEMS產品的成本。美新能用競爭對手1/10的成本生產同樣功能的產品，能夠以同行成本以下的價格出售還有足夠的利潤空間。技術上的絕對優勢，給美新帶來的是顯著的成本優勢，以及相對美國半導體公司更高的毛利率。
下一個出場的是陀螺儀
ADI陀螺儀的首個主要應用也是汽車領域，但這次是用於汽車翻滾探測。當陀螺儀探測到汽車側翻時，將使安全帶張緊、安全氣囊按序準備，進一步提高汽車安全性。我們的第二個陀螺儀應用是車輛動態控制（VDC），這要求理解車輛相對於方向盤是如何轉向的。當探測到車輛轉向時，陀螺儀可以反映方向盤的轉向意圖，選擇性地使用車輛配備的自動剎車系統（ABS）來進行製動。這帶來了一種成本經濟的方法，來防止車輛在雨雪天氣或驅駛過度狀況下的側滑。
ADI首款模擬MEMS角速度傳感器（陀螺儀）ADXRS150
從過去到現在
這些“首款”MEMS器件的誕生確實為今天的MEMS產業及其在消費領域的成功，鋪平了道路。憑藉初期來自DARPA的資助，MEMS技術得以從軍事應用發展到汽車應用。汽車安全氣囊和車輛控制系統應用的大量需求，使MEMS器件的成本能夠不斷降低，得以進入消費類電子產品領域。如今，我們還在見證著MEMS器件以這樣的路徑發展的新案例，包括生產規模和應用範圍不斷擴大的物聯網。
展望未來
關於MEMS的未來，最激動人心的是什麼？
就我個人而言，是基於MEMS現有知識體系的改善人類健康的醫療健康應用。比如DNA生物測序儀，利用了半導體和MEMS兩種製造技術。糖尿病血糖監測、基於MEMS的給藥系統以及超便攜超聲陣列已經成為現實，它們已經在改善人們的生活。
Vesper公司則致力於將其壓電技術應用於助聽應用。極高的信噪比、出色的防水性能和防顆粒物功能，使我們的技術能夠非常理想的應用於性能更強、成本更低的助聽設備。我們進一步的開發方向是內部聽診器應用，能夠通過人體機能的音頻監測，實現各種疾病的實時診斷。
當人們思考如何改善人類生活體驗時，物聯網無疑是重大的前沿課題。我們可以利用MEMS技術來感知我們周圍的物體，使我們能夠用經濟、豐富且更可控的方式來與世界互動，無論是在醫療、智能樓宇、智慧城市、智能家居、自動駕駛汽車或者自動工廠等應用領域。
如果能夠設計其中任何一種物聯網應用，我將會設計家庭診斷應用。如果有一款便宜的MEMS傳感器，能夠在家裡實時診斷癌症，那真是太棒了！我們可以使用光學發射器和傳感器來探測體內的腫塊，或者利用1000個接觸壓力傳感器組成的陣列貼在胸口，來探測體內的硬塊。
我希望能夠在15年之內，看到市場上出現這樣的診斷傳感器。然後想起MEMS技術的發展旅程，從DARPA資助的汽車安全氣囊開始，到為數百萬的遊戲玩家帶來樂趣，然後能夠為醫療診斷提供突破性的幫助。與早期的那些日子比，現在有更多像我們這樣的MEMS人在不懈努力，我已經迫不及待的想看看MEMS技術接下來會如何發展！
留言列表
生技醫療產業 (1)