Vesper运营副总裁Craig Core讲述关于MEMS的25年发展
2016-06-02 12:35:05   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

麦姆斯咨询介绍：Craig Core在MEMS、半导体和太阳能制造领域拥有超过25年的工程开发和运营管理经验，现任MEMS麦克风制造商Vesper公司运营副总裁。

MEMS如今已经无处不在，我们的iPhone（以及安卓手机）、健身追踪器、亚马逊Echo和Nest等智能家居设备、汽车安全系统、无人机，以及VR/AR头戴式设备，几乎所有叫的上名字的电子产品都应用了MEMS器件。

我想起了那时我们在Analog Devices（以下简称ADI）首次进行MEMS技术开发的日子。当时，我和我已故的妻子Terry Core以及Richie Payne、Roger Howe、Steve Sherman、Bob Sulouff等其它MEMS先驱们在ADI工作。理解某件事物的最好方法，通常便是回到其开始的地方。25年前，我们为什么要考虑开发首款商用MEMS器件？我们是如何制造它的？后来我们又是如何发展的呢？

回到那些年

我首次接触MEMS要追溯到上个世纪的80年代，那个时候Foxboro等公司将MEMS压力传感器应用于过程控制。那时我在ADI作为一名制造设备工程师，负责接受新工艺并使之适于生产制造。当我知道ADI晶圆厂运营和开发部经理Richie Payne想要开发一款加速度计时（ADI首次涉足MEMS），我推荐了我的妻子Terry加入这个研发团队。雇佣Terry不只是为了降低我们的通勤成本，她以前有MEMS研究和商业化经验。

来自美国加州大学伯克利分校（Berkeley）的Roger Howe作为顾问加入了我们的团队，我的妻子和Roger后来申请了许多关于晶圆级工艺的专利，这些技术后来使得首款MEMS加速度计成为现实。他们后来又陆续申请了20件MEMS技术相关专利，这些技术作为许多创意的基础，现在还一直在应用。

当其它公司都专注于半导体时，ADI为什么要拓展MEMS领域？

Richie是一个有远见的人。他从美国国防先进研究项目局（DARPA）获得资助用于军用加速度计的研发，而他起初希望将加速度计应用于汽车，后来的发展也完全按照他的预想在进行。Richie已经有许多固态产品应用于汽车，所以他能够预见到传感器将在汽车领域获得更多的应用，安全气囊便是一个很明显的应用案例。

崎岖的MEMS发展之路

麦姆斯咨询资料显示，汽车制造商其实在上个世纪80年代至90年代初期已经试验了安全气囊的安全问题。通用汽车制造了10000辆装备安全气囊的凯迪拉克汽车。首款安全气囊传感器是一种在管道中放置一个小球的滚球式装置，当车辆发生意外产生减速度时，由磁体吸附而稳定的小球，由于惯性力大于磁体吸附力而脱离磁体吸附，并延管道滚动，通过连接两个裸露的导体而闭合传感电路。每当汽车行进中遇到强烈的颠簸时，小球就有一定的几率脱离磁体，触发安全气囊。汽车经过一个坑洞的正常震动，都可能触发安全气囊，为了降低误报率，通用汽车为每辆汽车安装了3个这样的滚球式碰撞传感器；只有当2个小球脱离磁体时才会代表发生了碰撞，从而触发安全气囊。毫无疑问，这种“投票”式的方法还是不能避免误报。

这还不是这种滚球式碰撞传感器系统的唯一缺点。这种系统没有自我检测能力，自我检测已经成为现在产品的标准特性。因为滚球式碰撞传感器系统内部是开放式电路，所以无法进行碰撞前的传感器系统检测。尽管在现实生活的碰撞中，这种早期的安全气囊证明它确实能够提高存活率，但是这种安全气囊的误报率还是太高了。很明显，我们需要更好的安全气囊碰撞传感技术，使其成为所有汽车的主流安全装备。

第一个吃螃蟹的德科（Delco）公司

Delco（隶属于通用公司）希望成为首个在汽车安全气囊中应用ADI加速度计的公司。对Delco来说这是一个大胆的尝试，但是也是非常明智的选择。ADI的单轴加速度计相比滚球式碰撞传感器具有很多重要的优势：

- 支持自我检测；

- 替代成本较低；

- 产品智能化程度更高，能够分辨是碰撞还是道路颠簸。还可以使汽车制造商能够为不同的车型设置它们所想要的加速度阈值，从而提供不同的加速度计特性。

通用公司和Delco预见到安全气囊将成为非常有前景的汽车系统，他们希望能够率先大规模应用该系统。他们发现利用MEMS加速度计，能够解决应用早期系统测试无法解决的问题。这使得这一非常新颖的技术逐渐成为安全至上的汽车系统的一部分。

奇迹从这里开始

相比今天的MEMS加速度计，当时的首款MEMS加速度计更像是个“未知的黑盒”。有些地方可能不对，但是当时我们也不明白为什么。我记得当时Terry在描述早期加速度计的工艺流程时，她会说：“看，奇迹将从这里开始！”那些首批研发加速度计的工程师们通过实验确定了工艺设计，但是并不完全理解这其中的物理、化学以及材料科学的运作原理。

我们创造了许多新词汇，比如“stiction”、“jump shifting”以及“ledge bow”等，每个新词汇都分别描述了一种需要新解决方案的失效机理。这些解决方案产生了许多发明专利、商业秘密以及生产规范，使MEMS传感器的大规模生产和广泛应用成为可能。经过多年的研究，我们开始慢慢摸清了这些微结构的工作机理，通过科学理解逐渐打开了那些“未知的黑盒”。这些科学理解成为了进一步发展MEMS技术的基础。

一个例子是关于首款加速度计应用的控制系统。我们对这些微型结构的可靠性知之甚少，于是我们创造了最可能令我们成功的设计。我们把加速度计的结构设计的尽可能坚硬，防止由于缺陷而导致产品失败。这样的设计，意味着非常微弱的信号，于是我们又将电子结构和机械机构集成到同一个芯片上，以探测这些微弱的原子能级的信号。我们还设计了相关电路，以弥补机械缺陷。

首款MEMS加速度计实际上采用了静电力反馈闭环方案，使机械结构固定，防止其移动，静电力反馈也潜在的成为加速度计的输出信号。这些设计防止了由于疲劳、蠕变以及其它微机械世界不一定存在的宏观力学原理导致失败的可能性。随着数以百万计的传感器制作、测试和研究，我们对微观世界的理解逐渐加深，使我们不在纠结于这些想法，从而能够制造出灵敏度更高、尺寸更小、成本更低的微结构器件。

ADI早期的安全气囊MEMS加速度计ADXL76

上世纪90年代后期，MEMS逐渐成为主流

到了上世纪90年代后期，通用及其子公司Delco、Vistion、博世和西门子开始为汽车产业从ADI大量采购MEMS器件。随着ADI的加速度计在汽车产业大获成功后，ADI希望将这些产品和技术应用到其它运动传感产品和市场中，尤其是消费类电子产品。

鉴于这两个市场的要求完全不同，产品、制造工艺、测试和设计都需要重新开发。首先，我们认识到3个单轴器件对消费类应用来说成本太高了。而且，和碰撞不同，和人的交互作用是低力度（或低g值）操作。为解决该问题，我们设计出3轴低g值加速度计。为了提高晶圆厂工艺以提供3轴传感器件，我们将陶瓷密封封装改为晶圆级封盖塑料封装（wafer level capped plastic package）以降低成本。我们从成本昂贵的基于运动的过温测试，改为使用目前行之有效的自我检测，来评估每个器件的性能。

ADI首款低g值MEMS加速度计ADXL202

我们很快开发了消费类游戏应用的其它产品，包括任天堂Wii游戏控制手柄中的首款3轴加速度计。

小插曲：ADI与美新（MEMSIC）的故事

正如美新公司的英文名字MEMSIC一样，它所做的事情便是把MEMS（微电子机械）器件和IC（集成电路）集成到同一个芯片上，其早期产品是加速度计。美新采用的是热对流式加速度计，在芯片内部的硅底板上设计了一个存在一定温度差的气泡结构，利用温度差异检测出气泡受到冲击后产生的空间偏移，通过对这种偏移进行运算处理就可以获得加速度，传感器的处理电路则将检测到的冲击变为电信号输出。

热对流式原理最早是加拿大一位大学教授的专利，当初并不被人们看好，后来ADI公司接受了热对流式原理，并试图将热对流式传感器与集成电路集成在一起，而完成这一工作的便是美新公司的创始人赵阳。当时赵阳是ADI公司MEMS领域的高级研发工程师，他毕业于北大物理系，后在美国普林斯顿大学获博士学位，从1993年开始在ADI供职7年之久。

1999年10月，赵阳离开ADI创立了美新公司，研发总部在美国华盛顿，但生产工厂设在无锡。离开ADI之前，赵阳说服了ADI将其先进的加速度计及芯片制造技术排他性地授权给美新，并以技术入股，这在ADI公司40年的历史上是绝无仅有的。不仅如此，在美新需要投资的时候，ADI公司的创始人董事长Ray Stata还推荐赵阳去找其旧识台积电的董事长张忠谋。张忠谋更是干脆，当即表示：“Ray说该往哪投资，我就往哪投。”于是，台积电旗下的旭阳创投便成了美新的大股东之一。

当初ADI以技术入股投资美新，协议中明确说明了ADI公司不再涉足热对流式传感器领域，目前热对流式传感器相关的专利都归美新所有。Ray Stata没想到的是，自己无意中为ADI培养了最强劲的竞争对手。当初在签订投资协议时有一项规定，一旦美新将来要进入汽车领域的话，必须通过ADI的渠道来销售。有趣的是，美新公司的一个销售副总裁，凭借自己能说会道的本事，居然说服了ADI最终取消了这项条款。

“当时ADI是有点瞧不起我们，他们认为就是没有这个条款，美新也做不了高端的汽车领域。”美新公司总经理黄飞明回忆道。但后来的事实是，美新通过技术革新，拓展了产品的应用领域，成功进入了汽车市场。ADI搬起石头砸了自己的脚，做了3年美新公司董事长的Ray Stata曾经为此大为恼火，但同样是技术天才的他又不得不自嘲：无论是ADI还是美新，反正都是我投资的了。

美新的技术领先性还在于，它是全球唯一一家能够用标准的CMOS工艺将MEMS器件和数字模拟混合信号集成在单芯片上的公司。CMOS是半导体工厂的标准工艺，在美新出现之前，由于自身材料和工艺的特殊性和复杂性，MEMS产品不容易与批量生产的半导体工厂的CMOS工艺兼容，因此，MEMS产品只能在大学的样机实验室等进行加工，从未实现商业化量产。美新公司的独特之处在于MEMS统一标准尚未出现时，就能将MEMS产品集成在现有的标准工艺CMOS上，从而可以在现有的晶圆代工厂进行大规模生产。

由于是单一芯片集成，也大大降低了MEMS产品的成本。美新能用竞争对手1/10的成本生产同样功能的产品，能够以同行成本以下的价格出售还有足够的利润空间。技术上的绝对优势，给美新带来的是显著的成本优势，以及相对美国半导体公司更高的毛利率。

下一个出场的是陀螺仪

ADI陀螺仪的首个主要应用也是汽车领域，但这次是用于汽车翻滚探测。当陀螺仪探测到汽车侧翻时，将使安全带张紧、安全气囊按序准备，进一步提高汽车安全性。我们的第二个陀螺仪应用是车辆动态控制（VDC），这要求理解车辆相对于方向盘是如何转向的。当探测到车辆转向时，陀螺仪可以反映方向盘的转向意图，选择性地使用车辆配备的自动刹车系统（ABS）来进行制动。这带来了一种成本经济的方法，来防止车辆在雨雪天气或驱驶过度状况下的侧滑。

ADI首款模拟MEMS角速度传感器（陀螺仪）ADXRS150

从过去到现在

这些“首款”MEMS器件的诞生确实为今天的MEMS产业及其在消费领域的成功，铺平了道路。凭借初期来自DARPA的资助，MEMS技术得以从军事应用发展到汽车应用。汽车安全气囊和车辆控制系统应用的大量需求，使MEMS器件的成本能够不断降低，得以进入消费类电子产品领域。如今，我们还在见证着MEMS器件以这样的路径发展的新案例，包括生产规模和应用范围不断扩大的物联网。

展望未来

关于MEMS的未来，最激动人心的是什么？

就我个人而言，是基于MEMS现有知识体系的改善人类健康的医疗健康应用。比如DNA生物测序仪，利用了半导体和MEMS两种制造技术。糖尿病血糖监测、基于MEMS的给药系统以及超便携超声阵列已经成为现实，它们已经在改善人们的生活。

Vesper公司则致力于将其压电技术应用于助听应用。极高的信噪比、出色的防水性能和防颗粒物功能，使我们的技术能够非常理想的应用于性能更强、成本更低的助听设备。我们进一步的开发方向是内部听诊器应用，能够通过人体机能的音频监测，实现各种疾病的实时诊断。

当人们思考如何改善人类生活体验时，物联网无疑是重大的前沿课题。我们可以利用MEMS技术来感知我们周围的物体，使我们能够用经济、丰富且更可控的方式来与世界互动，无论是在医疗、智能楼宇、智慧城市、智能家居、自动驾驶汽车或者自动工厂等应用领域。

如果能够设计其中任何一种物联网应用，我将会设计家庭诊断应用。如果有一款便宜的MEMS传感器，能够在家里实时诊断癌症，那真是太棒了！我们可以使用光学发射器和传感器来探测体内的肿块，或者利用1000个接触压力传感器组成的阵列贴在胸口，来探测体内的硬块。

我希望能够在15年之内，看到市场上出现这样的诊断传感器。然后想起MEMS技术的发展旅程，从DARPA资助的汽车安全气囊开始，到为数百万的游戏玩家带来乐趣，然后能够为医疗诊断提供突破性的帮助。与早期的那些日子比，现在有更多像我们这样的MEMS人在不懈努力，我已经迫不及待的想看看MEMS技术接下来会如何发展！