麥姆斯咨詢介紹：Craig Core在MEMS、半導(dǎo)體和太陽能制造領(lǐng)域擁有超過25年的工程開發(fā)和運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)任MEMS麥克風(fēng)制造商Vesper公司運(yùn)營副總裁。
MEMS如今已經(jīng)無處不在，我們的iPhone（以及安卓手機(jī)）、健身追蹤器、亞馬遜Echo和Nest等智能家居設(shè)備、汽車安全系統(tǒng)、無人機(jī)，以及VR/AR頭戴式設(shè)備，幾乎所有叫的上名字的電子產(chǎn)品都應(yīng)用了MEMS器件。
我想起了那時(shí)我們在Analog Devices（以下簡稱ADI）首次進(jìn)行MEMS技術(shù)開發(fā)的日子。當(dāng)時(shí)，我和我已故的妻子Terry Core以及Richie Payne、Roger Howe、Steve Sherman、Bob Sulouff等其它MEMS先驅(qū)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?yōu)槭裁匆紤]開發(fā)首款商用MEMS器件？我們是如何制造它的？后來我們又是如何發(fā)展的呢？
回到那些年
我首次接觸MEMS要追溯到上個(gè)世紀(jì)的80年代，那個(gè)時(shí)候Foxboro等公司將MEMS壓力傳感器應(yīng)用于過程控制。那時(shí)我在ADI作為一名制造設(shè)備工程師，負(fù)責(zé)接受新工藝并使之適于生產(chǎn)制造。當(dāng)我知道ADI晶圓廠運(yùn)營和開發(fā)部經(jīng)理Richie Payne想要開發(fā)一款加速度計(jì)時(shí)（ADI首次涉足MEMS），我推薦了我的妻子Terry加入這個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。雇傭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(yè)化經(jīng)驗(yàn)。
來自美國加州大學(xué)伯克利分校（Berkeley）的Roger Howe作為顧問加入了我們的團(tuán)隊(duì)，我的妻子和Roger后來申請(qǐng)了許多關(guān)于晶圓級(jí)工藝的專利，這些技術(shù)后來使得首款MEMS加速度計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。他們后來又陸續(xù)申請(qǐng)了20件MEMS技術(shù)相關(guān)專利，這些技術(shù)作為許多創(chuàng)意的基礎(chǔ)，現(xiàn)在還一直在應(yīng)用。
當(dāng)其它公司都專注于半導(dǎo)體時(shí)，ADI為什么要拓展MEMS領(lǐng)域？
Richie是一個(gè)有遠(yuǎn)見的人。他從美國國防先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）獲得資助用于軍用加速度計(jì)的研發(fā)，而他起初希望將加速度計(jì)應(yīng)用于汽車，后來的發(fā)展也完全按照他的預(yù)想在進(jìn)行。Richie已經(jīng)有許多固態(tài)產(chǎn)品應(yīng)用于汽車，所以他能夠預(yù)見到傳感器將在汽車領(lǐng)域獲得更多的應(yīng)用，安全氣囊便是一個(gè)很明顯的應(yīng)用案例。
崎嶇的MEMS發(fā)展之路
麥姆斯咨詢資料顯示，汽車制造商其實(shí)在上個(gè)世紀(jì)80年代至90年代初期已經(jīng)試驗(yàn)了安全氣囊的安全問題。通用汽車制造了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(gè)小球的滾球式裝置，當(dāng)車輛發(fā)生意外產(chǎn)生減速度時(shí)，由磁體吸附而穩(wěn)定的小球，由于慣性力大于磁體吸附力而脫離磁體吸附，并延管道滾動(dòng)，通過連接兩個(gè)裸露的導(dǎo)體而閉合傳感電路。每當(dāng)汽車行進(jìn)中遇到強(qiáng)烈的顛簸時(shí)，小球就有一定的幾率脫離磁體，觸發(fā)安全氣囊。汽車經(jīng)過一個(gè)坑洞的正常震動(dòng)，都可能觸發(fā)安全氣囊，為了降低誤報(bào)率，通用汽車為每輛汽車安裝了3個(gè)這樣的滾球式碰撞傳感器；只有當(dāng)2個(gè)小球脫離磁體時(shí)才會(huì)代表發(fā)生了碰撞，從而觸發(fā)安全氣囊。毫無疑問，這種“投票”式的方法還是不能避免誤報(bào)。
這還不是這種滾球式碰撞傳感器系統(tǒng)的唯一缺點(diǎn)。這種系統(tǒng)沒有自我檢測能力，自我檢測已經(jīng)成為現(xiàn)在產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)特性。因?yàn)闈L球式碰撞傳感器系統(tǒng)內(nèi)部是開放式電路，所以無法進(jìn)行碰撞前的傳感器系統(tǒng)檢測。盡管在現(xiàn)實(shí)生活的碰撞中，這種早期的安全氣囊證明它確實(shí)能夠提高存活率，但是這種安全氣囊的誤報(bào)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(shù)，使其成為所有汽車的主流安全裝備。
第一個(gè)吃螃蟹的德科（Delco）公司
Delco（隸屬于通用公司）希望成為首個(gè)在汽車安全氣囊中應(yīng)用ADI加速度計(jì)的公司。對(duì)Delco來說這是一個(gè)大膽的嘗試，但是也是非常明智的選擇。ADI的單軸加速度計(jì)相比滾球式碰撞傳感器具有很多重要的優(yōu)勢：
- 支持自我檢測；
- 替代成本較低；
- 產(chǎn)品智能化程度更高，能夠分辨是碰撞還是道路顛簸。還可以使汽車制造商能夠?yàn)椴煌能囆驮O(shè)置它們所想要的加速度閾值，從而提供不同的加速度計(jì)特性。
通用公司和Delco預(yù)見到安全氣囊將成為非常有前景的汽車系統(tǒng)，他們希望能夠率先大規(guī)模應(yīng)用該系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)利用MEMS加速度計(jì)，能夠解決應(yīng)用早期系統(tǒng)測試無法解決的問題。這使得這一非常新穎的技術(shù)逐漸成為安全至上的汽車系統(tǒng)的一部分。
奇跡從這里開始
相比今天的MEMS加速度計(jì)，當(dāng)時(shí)的首款MEMS加速度計(jì)更像是個(gè)“未知的黑盒”。有些地方可能不對(duì)，但是當(dāng)時(shí)我們也不明白為什么。我記得當(dāng)時(shí)Terry在描述早期加速度計(jì)的工藝流程時(shí)，她會(huì)說：“看，奇跡將從這里開始！”那些首批研發(fā)加速度計(jì)的工程師們通過實(shí)驗(yàn)確定了工藝設(shè)計(jì)，但是并不完全理解這其中的物理、化學(xué)以及材料科學(xué)的運(yùn)作原理。
我們創(chuàng)造了許多新詞匯，比如“stiction”、“jump shifting”以及“l(fā)edge bow”等，每個(gè)新詞匯都分別描述了一種需要新解決方案的失效機(jī)理。這些解決方案產(chǎn)生了許多發(fā)明專利、商業(yè)秘密以及生產(chǎn)規(guī)范，使MEMS傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用成為可能。經(jīng)過多年的研究，我們開始慢慢摸清了這些微結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理，通過科學(xué)理解逐漸打開了那些“未知的黑盒”。這些科學(xué)理解成為了進(jìn)一步發(fā)展MEMS技術(shù)的基礎(chǔ)。
一個(gè)例子是關(guān)于首款加速度計(jì)應(yīng)用的控制系統(tǒng)。我們對(duì)這些微型結(jié)構(gòu)的可靠性知之甚少，于是我們創(chuàng)造了最可能令我們成功的設(shè)計(jì)。我們把加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的盡可能堅(jiān)硬，防止由于缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)品失敗。這樣的設(shè)計(jì)，意味著非常微弱的信號(hào)，于是我們又將電子結(jié)構(gòu)和機(jī)械機(jī)構(gòu)集成到同一個(gè)芯片上，以探測這些微弱的原子能級(jí)的信號(hào)。我們還設(shè)計(jì)了相關(guān)電路，以彌補(bǔ)機(jī)械缺陷。
首款MEMS加速度計(jì)實(shí)際上采用了靜電力反饋閉環(huán)方案，使機(jī)械結(jié)構(gòu)固定，防止其移動(dòng)，靜電力反饋也潛在的成為加速度計(jì)的輸出信號(hào)。這些設(shè)計(jì)防止了由于疲勞、蠕變以及其它微機(jī)械世界不一定存在的宏觀力學(xué)原理導(dǎo)致失敗的可能性。隨著數(shù)以百萬計(jì)的傳感器制作、測試和研究，我們對(duì)微觀世界的理解逐漸加深，使我們不在糾結(jié)于這些想法，從而能夠制造出靈敏度更高、尺寸更小、成本更低的微結(jié)構(gòu)器件。
ADI早期的安全氣囊MEMS加速度計(jì)ADXL76
上世紀(jì)90年代后期，MEMS逐漸成為主流
到了上世紀(jì)90年代后期，通用及其子公司Delco、Vistion、博世和西門子開始為汽車產(chǎn)業(yè)從ADI大量采購MEMS器件。隨著ADI的加速度計(jì)在汽車產(chǎn)業(yè)大獲成功后，ADI希望將這些產(chǎn)品和技術(shù)應(yīng)用到其它運(yùn)動(dòng)傳感產(chǎn)品和市場中，尤其是消費(fèi)類電子產(chǎn)品。
鑒于這兩個(gè)市場的要求完全不同，產(chǎn)品、制造工藝、測試和設(shè)計(jì)都需要重新開發(fā)。首先，我們認(rèn)識(shí)到3個(gè)單軸器件對(duì)消費(fèi)類應(yīng)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(shè)計(jì)出3軸低g值加速度計(jì)。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(jí)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于運(yùn)動(dòng)的過溫測試，改為使用目前行之有效的自我檢測，來評(píng)估每個(gè)器件的性能。
ADI首款低g值MEMS加速度計(jì)ADXL202
我們很快開發(fā)了消費(fèi)類游戲應(yīng)用的其它產(chǎn)品，包括任天堂Wii游戲控制手柄中的首款3軸加速度計(jì)。
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(jī)械）器件和IC（集成電路）集成到同一個(gè)芯片上，其早期產(chǎn)品是加速度計(jì)。美新采用的是熱對(duì)流式加速度計(jì)，在芯片內(nèi)部的硅底板上設(shè)計(jì)了一個(gè)存在一定溫度差的氣泡結(jié)構(gòu)，利用溫度差異檢測出氣泡受到?jīng)_擊后產(chǎn)生的空間偏移，通過對(duì)這種偏移進(jìn)行運(yùn)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沖擊變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。
熱對(duì)流式原理最早是加拿大一位大學(xué)教授的專利，當(dāng)初并不被人們看好，后來ADI公司接受了熱對(duì)流式原理，并試圖將熱對(duì)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(chuàng)始人趙陽。當(dāng)時(shí)趙陽是ADI公司MEMS領(lǐng)域的高級(jí)研發(fā)工程師，他畢業(yè)于北大物理系，后在美國普林斯頓大學(xué)獲博士學(xué)位，從1993年開始在ADI供職7年之久。
1999年10月，趙陽離開ADI創(chuàng)立了美新公司，研發(fā)總部在美國華盛頓，但生產(chǎn)工廠設(shè)在無錫。離開ADI之前，趙陽說服了ADI將其先進(jìn)的加速度計(jì)及芯片制造技術(shù)排他性地授權(quán)給美新，并以技術(shù)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(shí)候，ADI公司的創(chuàng)始人董事長Ray Stata還推薦趙陽去找其舊識(shí)臺(tái)積電的董事長張忠謀。張忠謀更是干脆，當(dāng)即表示：“Ray說該往哪投資，我就往哪投?！庇谑牵_(tái)積電旗下的旭陽創(chuàng)投便成了美新的大股東之一。
當(dāng)初ADI以技術(shù)入股投資美新，協(xié)議中明確說明了ADI公司不再涉足熱對(duì)流式傳感器領(lǐng)域，目前熱對(duì)流式傳感器相關(guān)的專利都?xì)w美新所有。Ray Stata沒想到的是，自己無意中為ADI培養(yǎng)了最強(qiáng)勁的競爭對(duì)手。當(dāng)初在簽訂投資協(xié)議時(shí)有一項(xiàng)規(guī)定，一旦美新將來要進(jìn)入汽車領(lǐng)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(gè)銷售副總裁，憑借自己能說會(huì)道的本事，居然說服了ADI最終取消了這項(xiàng)條款。
“當(dāng)時(shí)ADI是有點(diǎn)瞧不起我們，他們認(rèn)為就是沒有這個(gè)條款，美新也做不了高端的汽車領(lǐng)域?！泵佬鹿究偨?jīng)理黃飛明回憶道。但后來的事實(shí)是，美新通過技術(shù)革新，拓展了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，成功進(jìn)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(jīng)為此大為惱火，但同樣是技術(shù)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(shù)領(lǐng)先性還在于，它是全球唯一一家能夠用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝將MEMS器件和數(shù)字模擬混合信號(hào)集成在單芯片上的公司。CMOS是半導(dǎo)體工廠的標(biāo)準(zhǔn)工藝，在美新出現(xiàn)之前，由于自身材料和工藝的特殊性和復(fù)雜性，MEMS產(chǎn)品不容易與批量生產(chǎn)的半導(dǎo)體工廠的CMOS工藝兼容，因此，MEMS產(chǎn)品只能在大學(xué)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行加工，從未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。美新公司的獨(dú)特之處在于MEMS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尚未出現(xiàn)時(shí)，就能將MEMS產(chǎn)品集成在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)工藝CMOS上，從而可以在現(xiàn)有的晶圓代工廠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
由于是單一芯片集成，也大大降低了MEMS產(chǎn)品的成本。美新能用競爭對(duì)手1/10的成本生產(chǎn)同樣功能的產(chǎn)品，能夠以同行成本以下的價(jià)格出售還有足夠的利潤空間。技術(shù)上的絕對(duì)優(yōu)勢，給美新帶來的是顯著的成本優(yōu)勢，以及相對(duì)美國半導(dǎo)體公司更高的毛利率。
下一個(gè)出場的是陀螺儀
ADI陀螺儀的首個(gè)主要應(yīng)用也是汽車領(lǐng)域，但這次是用于汽車翻滾探測。當(dāng)陀螺儀探測到汽車側(cè)翻時(shí)，將使安全帶張緊、安全氣囊按序準(zhǔn)備，進(jìn)一步提高汽車安全性。我們的第二個(gè)陀螺儀應(yīng)用是車輛動(dòng)態(tài)控制（VDC），這要求理解車輛相對(duì)于方向盤是如何轉(zhuǎn)向的。當(dāng)探測到車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，陀螺儀可以反映方向盤的轉(zhuǎn)向意圖，選擇性地使用車輛配備的自動(dòng)剎車系統(tǒng)（ABS）來進(jìn)行制動(dòng)。這帶來了一種成本經(jīng)濟(jì)的方法，來防止車輛在雨雪天氣或驅(qū)駛過度狀況下的側(cè)滑。
ADI首款模擬MEMS角速度傳感器（陀螺儀）ADXRS150
從過去到現(xiàn)在
這些“首款”MEMS器件的誕生確實(shí)為今天的MEMS產(chǎn)業(yè)及其在消費(fèi)領(lǐng)域的成功，鋪平了道路。憑借初期來自DARPA的資助，MEMS技術(shù)得以從軍事應(yīng)用發(fā)展到汽車應(yīng)用。汽車安全氣囊和車輛控制系統(tǒng)應(yīng)用的大量需求，使MEMS器件的成本能夠不斷降低，得以進(jìn)入消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域。如今，我們還在見證著MEMS器件以這樣的路徑發(fā)展的新案例，包括生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的物聯(lián)網(wǎng)。
展望未來
關(guān)于MEMS的未來，最激動(dòng)人心的是什么？
就我個(gè)人而言，是基于MEMS現(xiàn)有知識(shí)體系的改善人類健康的醫(yī)療健康應(yīng)用。比如DNA生物測序儀，利用了半導(dǎo)體和MEMS兩種制造技術(shù)。糖尿病血糖監(jiān)測、基于MEMS的給藥系統(tǒng)以及超便攜超聲陣列已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，它們已經(jīng)在改善人們的生活。
Vesper公司則致力于將其壓電技術(shù)應(yīng)用于助聽?wèi)?yīng)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(shù)能夠非常理想的應(yīng)用于性能更強(qiáng)、成本更低的助聽設(shè)備。我們進(jìn)一步的開發(fā)方向是內(nèi)部聽診器應(yīng)用，能夠通過人體機(jī)能的音頻監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)各種疾病的實(shí)時(shí)診斷。
當(dāng)人們思考如何改善人類生活體驗(yàn)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)無疑是重大的前沿課題。我們可以利用MEMS技術(shù)來感知我們周圍的物體，使我們能夠用經(jīng)濟(jì)、豐富且更可控的方式來與世界互動(dòng)，無論是在醫(yī)療、智能樓宇、智慧城市、智能家居、自動(dòng)駕駛汽車或者自動(dòng)工廠等應(yīng)用領(lǐng)域。
如果能夠設(shè)計(jì)其中任何一種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，我將會(huì)設(shè)計(jì)家庭診斷應(yīng)用。如果有一款便宜的MEMS傳感器，能夠在家里實(shí)時(shí)診斷癌癥，那真是太棒了！我們可以使用光學(xué)發(fā)射器和傳感器來探測體內(nèi)的腫塊，或者利用1000個(gè)接觸壓力傳感器組成的陣列貼在胸口，來探測體內(nèi)的硬塊。
我希望能夠在15年之內(nèi)，看到市場上出現(xiàn)這樣的診斷傳感器。然后想起MEMS技術(shù)的發(fā)展旅程，從DARPA資助的汽車安全氣囊開始，到為數(shù)百萬的游戲玩家?guī)順啡ぃ缓竽軌驗(yàn)獒t(yī)療診斷提供突破性的幫助。與早期的那些日子比，現(xiàn)在有更多像我們這樣的MEMS人在不懈努力，我已經(jīng)迫不及待的想看看MEMS技術(shù)接下來會(huì)如何發(fā)展！
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