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。

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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。

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(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。」

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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。

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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。

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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...

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