MEMS傳感器技術革命才剛剛開始

最近10年，隨著消費電子，尤其是智能手機和穿戴電子的發(fā)展，使MEMS傳感器真正的在全球火熱起來，大量的應用涌現(xiàn)，MEMS傳感器真正“飛入尋常百姓家”。

MEMS全稱MicroElectromechanical System，譯為微機電系統(tǒng)。MEMS最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應用在汽車的各個領域。

隨著MEMS技術的進一步發(fā)展，以及應用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費電子、醫(yī)療等領域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。例如，最近火爆的做胃鏡的無痛小膠囊，5G路燈，骨傳感耳機，智能家居中洗衣機與晾衣架之間的智能系統(tǒng)，電梯維護等等。

不過，現(xiàn)在，我們已經(jīng)接受了低成本，高性能微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的可用性，但并非總是如此。另外，從應用范圍來看，MEMS足夠廣，足夠被全球認可，但并不會止步于此。

例如，目前就有國外大學研究團隊使用MEMS技術作為構(gòu)建無法制造的設備的獨特基礎。該芯片上的國際方案加速器（AChIP），是一個世界性的項目，試圖開發(fā)出能夠產(chǎn)生飛秒到阿秒的電子加速器?；诠璧碾娮蛹铀倨鞯碾娮用}沖，具有高達1兆電子伏特（MeV）的能量，并通過硅芯片完成，但其目前所需的結(jié)構(gòu)長達一英里。

達姆施塔特工業(yè)大學加速器物理小組的工程師描述了他們?nèi)绾蝿?chuàng)建微小的MEMS通道和新的電子束聚焦方法，以替代傳統(tǒng)的電磁聚焦方法，但這種方法太弱了。

硅制雙柱結(jié)構(gòu)使用基于激光的光學相位控制來聚焦電子的加速和減速區(qū)域。（圖片來源：達姆施塔特工業(yè)大學）

另一個創(chuàng)新的MEMS項目針對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的世界。東北大學的一個團隊開發(fā)了一種基于MEMS的開關，該開關在處于休眠待機模式時消耗零功率，但是在撞擊紅外（IR）光時會“喚醒”。該團隊的等離激元增強型微機械光電開關（PMP）通過在定義的光譜帶內(nèi)轉(zhuǎn)換極少量的光子能來激活MEMS機制，從而實現(xiàn)了這一目標。除去激活的IR能量后，開關會自行關閉。

上圖中，PMP的每個懸臂包括一個頭部，一對用于致動的熱敏雙材料支腳，一對外部的用于溫度和應力補償?shù)南嗤p材料支腳，以及一對連接內(nèi)部和外部的隔熱鏈腿（a）。入射在四個PMP上的入射光束的概念圖，每個PMP都“調(diào)諧”到不同的紅外輻射帶（b）。實際制造的PMP開關“機理”的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像，具有等離激元吸收體，碗狀接觸尖端以及帶有自對準Al和SiO2層的雙材料腿末端的高倍放大圖（c ）。（圖片來自東北大學/自然納米技術）

對于MEMS，早前Maxim公司總裁Vijay Ullal曾表示MEMS是下一場技術革命：

“MEMS最有趣的地方在于，隨著200多年前的工業(yè)革命開始將能源轉(zhuǎn)化為動力起，它就一直是這個革命的其中一部份。隨后的重大變革分別是運算科技，以及晶體管的發(fā)明。而第三次重要的機器革命則與傳感器有關。MEMS不僅是一種全新的發(fā)明，它還將實現(xiàn)人類社會的第三次重大變革。任何一家半導體公司現(xiàn)在都必須做MEMS，否則很可能被踢出這個產(chǎn)業(yè)?！?/p>

從過去的歷史來看，我們曾經(jīng)使用相當復雜的生產(chǎn)制程來生產(chǎn)少量的MEMS產(chǎn)品。但這種方式顯然已經(jīng)產(chǎn)生變化，目前，電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當成功地降低了成本，生產(chǎn)制程日趨成熟，而MEMS一向存在的良率問題也正步入軌道，幾乎接近于傳統(tǒng)半導體制程的指標了。

未來，MEMS技術的發(fā)展有可能會像微電子一樣，對科學技術和人類生活產(chǎn)生革命性的影響。

任何技術在被采用前，都會歷經(jīng)一段學習曲線過程。過去僅根據(jù)價格高低來購買MEMS傳感器，而今，卻逐漸發(fā)現(xiàn)并不是所有的組件都做得一樣，傳感組件的功能和精密度大有不同。隨著時間的演進、市場的成熟和產(chǎn)品組合更為豐富，這一領域?qū)⒎指顬橐粋€超低成本市場和其它多個細分市場。

傳感器方面，傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化，它幾大趨勢MEMS都參與其中。由于傳感器是人類探索自然界的觸角，是各種自動化裝置的神經(jīng)元，且應用領域廣泛，未來MEMS傳感器將備受世界各國的重視。

生物方面，生物MEMS系統(tǒng)具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統(tǒng)與外部連接少、實時通信、連續(xù)檢測的特點。國際上，生物MEMS的研究已成為熱點，不久將為生物、化學分析系統(tǒng)帶來一場重大的革新。

光學方面，隨著信息技術、光通信技術的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領域是與光學相結(jié)合，開發(fā)新型光器件，稱為微光機電系統(tǒng)（MOEMS）。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅(qū)動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面：一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調(diào)制，典型代表為數(shù)字微鏡陣列芯片和光柵光閥；二是通信系統(tǒng)，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發(fā)生預期的改變，較成功的有光開關調(diào)制器、光濾波器及復用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術，開展這個領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發(fā)。

納米技術方面，MEMS結(jié)合納米技術，將會實現(xiàn)真正的微型傳感器并開發(fā)新應用，盡管這一進展可能就得花上十年的時間。再過個10年至15年后，在實驗室中所看到的自組裝結(jié)構(gòu)將會采用真正的微型傳感器，它們幾乎完全不需要任何動力就能運作。