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MEMS大神Kurt Petersen:从微观世界走出的阔景人生
2019-04-28 19:36:40   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

麦姆斯咨询:MEMS大神Kurt Petersen为自己规划了一条新的职业道路:研发MEMS技术,创办MEMS初创公司。为了表彰他对MEMS领域的贡献,Petersen获得了2019年度IEEE荣誉奖章。

MEMS大神Kurt Petersen:从微观世界走出的阔景人生

一滩油墨开启的MEMS人生

跟随麦姆斯咨询将时间拨回到1975年,那时的Kurt Petersen还是一位年轻的研究员,刚从麻省理工学院(MIT)电气工程专业博士毕业,任职于加州IBM Almaden研究中心的光学部门。有一天,当他在这个巨大的建筑群中闲逛时,他在一个不起眼的走廊的油毡上发现了一大滩黑色污渍。谁能想到,这块污渍改变了他的生活,甚至影响了整个产业的发展进程。

他也是闲来无事,为了寻找污渍的源头,Petersen走进了最近的实验室。他发现污渍来自于墨水泄漏。这个实验室正在通过在硅片上蚀刻深孔来制造喷墨打印机的喷头。

在硅片上蚀刻深孔?Petersen从未想过可以在硅片上蚀刻深孔。但他想起了那年早些时候看到过的一张海报,关于在硅片上制造微型加速度计的一项研究。他意识到当时已经有人在研究用硅材料制造微型机械器件,它们的器件尺寸仅有几个微米。现在,我们称这些微型机械为微机电系统(Microelectromechanical systems, MEMS)。在那之后,Petersen似乎找到了自己一生的奋斗方向:MEMS。

他为自己规划了一条新的职业道路:研发MEMS技术(包括现在为美国邮寄的每一封信件进行炭疽筛查的MEMS设备),创办MEMS初创公司。为了表彰他对MEMS领域的贡献,Petersen获得了2019年度IEEE荣誉奖章。

在遇到他的“真命天子——油墨”之后,Petersen开始研读所有关于用硅材料制造微型机械器件的期刊文献,例如IEEE Transactions on Electron Devices,Applied Physics Letters以及Journal of the Electrochemical Society等。当时,这个技术类别甚至没有自己的名称,市场上只有少数几种MEMS类型的产品。他发现,“当时全世界只有数十人在研究用硅材料制造各种不同类型的微机械器件,并且还没有建立这个技术领域的交流圈,做这项研究工作的人并不了解其他人的研究情况。”

然后,Petersen开始构建自己的第一个MEMS器件。通过在显微镜下观察一些喷墨打印机的喷头,他发现,“当有缺陷时,可以看到喷头中留有的一些悬置的、非常薄的独立二氧化硅梁。我想,哇,也许这些微小的机械结构可以运动起来。也许它们可以偏转光线,我可以利用它们打造一款光调制器!”他采用了类似当今MEMS产品制造中的工艺流程,在外延硅的牺牲层上形成一层二氧化硅,然后蚀刻掉牺牲层,剩下的便是顶部有薄金属层的二氧化硅悬臂梁。

他花了三个月时间制作了一些微观调制器,每个调制器长约100微米,厚度为0.5微米。他把它们带到了IBM扫描电子显微镜(SEM)实验室,技术人员帮他完成了电气连接,这样他就可以给这些器件施加电压并观察它们的微观运动。

“这简直太神奇了!”Petersen回忆称,“之前从未在显微镜下看到过这样的运动。”

Petersen在接下来的五年里,利用硅片打造了许多不同类型的MEMS器件,包括MEMS加速度计和电气开关。他从光学小组出来搬进了一个定制化设计的实验室,这个实验室正好可以容纳他和一位实习生。

基于对文献的深入挖掘和自己的研究,Petersen撰写了一份关于这项新兴技术的内部报告。“有许多微型机械结构可能会引起IBM的兴趣,”他说,例如光学和机械磁盘驱动器读写头,以及更复杂的喷墨打印头。但是,IBM并不感兴趣。

Petersen于1982年5月发表在Proceedings of the IEEE上的封面文章,使他成为MEMS技术的传道者

必读:Petersen于1982年5月发表在Proceedings of the IEEE上的封面文章,使他成为MEMS技术的传道者

Petersen很失望,但他也意识到这些MEMS器件并不是IBM任何业务的关键需求。因此,他重新编写了报告,删除了IBM的专有信息,然后将这份50页的报告提交给了Proceedings of the IEEE。1982年5月,他的这篇报告“Silicon as a Mechanical Material”成为了封面文章,使MEMS成为了一种技术分支。

文章内容很全面,探究了集成电路材料的机械性能,以及将这些材料蚀刻成不同形状和结构的各种方法。“文章还推测了后来的技术发展,比如深反应离子刻蚀,该技术真正彻底改变了这个领域,”Petersen说,“即便到了现在,还有人跟我说正是阅读了这篇文章,使他们对MEMS产生了浓厚的兴趣。”

“在我读研究生的时侯,我们都读过这篇论文,”加州门洛帕克(Menlo Park, Calif.)SRI International现任首席技术官(CTO)Greg Kovacs说道,“他在MEMS领域做出了巨大的贡献。比开创这个领域更重要的是,他指引了这个领域的发展。对于我来说,他就是我的超级英雄。”

自那篇论文发布后,Petersen应邀在世界各地的研讨会上演讲,而各地的研究人员也纷纷来到Almaden造访他。“全世界做各种各样新奇研究的人(比如微流体低温制冷器),都通过各种途径找到了我,”他说。似乎一夜之间,他变成了MEMS技术的传道者。

该技术领域在整个20世纪80年代一直稳步发展。在Petersen的论文发表时,全世界大约有30到40名研究人员在研究这项技术。到1990年,他估计这一数字大约增长到了600位。此后,用于一次性血压计和新型燃料控制化油器的压力传感器上市。航空航天产业开始使用基于MEMS的加速度计。第一批微机械喷墨打印头开始批量生产。一批创业公司开始出现,渴望与该技术一起发展。Petersen说,该技术在1987年美国国家科学基金会的一场研讨会上得到了现在的名称MEMS。

初次创业,Transensory Devices

毫不意外,很多公司找上了Petersen。他终于接受了这个诱惑,于1982年联合Jim Knutti创立了Transensory Devices,研发并制造MEMS器件。

他回忆说,放弃稳定的大公司研究工作还是有些“后怕”的。当时,Petersen有两个年幼的儿子,所以财务稳定是一个需要考虑的问题。这家初创公司的资金当时不到100万美元,最终来自州外的石油行业,而非硅谷投资者。“当时,硅谷有创业公司,但跟现在的环境可不一样,那时获得投资很困难,”他说。

其创业团队搬进了一座位于加州弗里蒙特(Fremont, Calif.)占地280平方米的制造厂,并兴建了一些自己的设备,包括用于封装和保护硅晶圆的晶圆键合机。他们从大企业获得合同来生产样品,包括像Petersen在IBM时期制造的那些光调制器。此外,他们还开始开发自己的MEMS器件。

“我们展示了很多MEMS器件,”Petersen说,“但都没有投入量产。”一款用于卡车运输业的轮胎压力传感器已经接近尾声,但一起工作的主管却去世了。其它产品甚至都没有能够接近商业化,Petersen把这一问题归结为他和Knutti都没有量产制造经验。

Transensory的订单可以维持公司的运营,但Petersen希望将他自己的MEMS器件推向市场,是时候二次创业了。

梅开二度,创办NovaSensor,成为“百万富翁”

1985年,Petersen、Janusz Bryzek和Joseph Mallon从油田服务业巨头斯伦贝谢(Schlumberger)获得了500万美元资金创办了NovaSensor公司。Bryzek此前曾联合创办过两家开发MEMS压力传感器的公司。Petersen说,“Janusz及其合作伙伴拥有Transensory所缺乏的生产和制造DNA。”

NovaSensor开始着手打造三种类型的MEMS压力传感器:一种用于航空航天产业,另一种用于石油产业,以及一种没有特定市场的高温压力传感器。后来证明,最后一款器件最成功,它甚至进入了航天飞机的轮胎。“我们找到了一种使用MEMS工艺将电阻与基板隔离的方法,”Petersen回忆称。他认为这个压力传感器是全球第一款绝缘体上硅(SOI)MEMS器件,后来这种技术才开始逐渐普及。

Lucas Industries于1991年收购了NovaSensor,这次收购使Petersen成为了“MEMS百万富翁”。中间几经易手,NovaSensor的产品线现在由安费诺(Amphenol)销售。

后来,Petersen继续留任多年,以获取他的股份权益。在此期间,他专注于熔融键合技术研究,该工艺涉及蚀刻具有不同图案的两个晶圆然后将它们键合在一起。该工艺可以创建极其复杂的器件,例如MEMS陀螺仪。下图展示的板簧结构便是用这个工艺制造的第一款器件,Petersen的名片上一直放着这款器件。

Kurt Petersen或他创办的公司制造的MEMS器件

上图展示了Kurt Petersen或他创办的公司制造的MEMS器件,从上左顺时针看分别是用硅熔融键合工艺制成的导管尖端压力传感器,于1990年左右在NovaSensor制造;在IBM Research时期构建的CMOS/MEMS集成加速度计;采用深反应离子蚀刻制成的微流控结构原型,于1993年在NovaSensor制造;用于流量传感器的加热桥元件,于1984年在Transensory Devices制造;由单晶硅制成的板簧结构,于1993年在NovaSensor制造。

当Petersen于1995年离开NovaSensor时,MEMS压力传感器已被广泛应用于各种系统,包括水肺潜水设备和暖通空调(HVAC)控制系统等,而MEMS加速度计也已经开始出现在汽车安全气囊的碰撞传感系统中。

跨界微流控,创办Cepheid,2016年被生命科学巨头丹纳赫(Danaher)以40亿美元收购

当Petersen离开NovaSensor时他还没有计划好接下来的安排。劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究员Allen Northrup向他建议,MEMS器件或能大幅加速聚合酶链反应(PCR),这在当时是一种相对很新的复制DNA序列的方法。Petersen妻子的好友Bill McMillan曾在生物科技公司工作,他证实了PCR的前景。为此,Petersen开始草拟一项计划,以缩减PCR设备的尺寸和成本,旨在制造一款可以放在每个医生办公室的手持设备。

他和McMillan在帕洛阿尔托(Palo Alto)的加州咖啡馆共进了午餐。Petersen说:“我给了他一些想法,他便开始在纸垫上绘制了商业计划书。”现在Petersen还保留着这份“商业计划书”。

Petersen于1982年发表的论文暗示了深反应离子刻蚀的可能性,可以在硅中创建比传统芯片制造工艺更深的孔和沟槽。于是,他开始将深反应离子刻蚀应用于微流控芯片,这种微流控芯片可以使微量的液体沿着微通道精确地传送。

“我们的想法是利用MEMS和微流控技术来非常快速地加热、冷却样品,有可能使PCR设备变得足够小而且快速,以至于可以在每个医生的办公室用它进行诊断,”Petersen说。

为了使该技术商业化,Petersen于1996年共同创立了Cepheid公司,并从利弗莫尔实验室(Livermore Labs)获得了基础技术的授权。1997年,Cepheid公司从美国国防部(U.S. Department of Defense)获得了320万美元资金,美国国防部急需一种生物武器探测器。Cepheid推出的第一款设备Smart Cycler,采用了一种MEMS结构快速加热、冷却微升级的液体,并使用荧光传感器监测反应进程。不过,这还不是一款手持设备,但这并不重要。自动化PCR过程,更为重要。

Cepheid的下一款产品名为GeneXpert,旨在使PCR变得更加简单。它可以自动从生物样本中提取DNA,然后添加相关测试所需要的试剂。

2000年6月,正当美国科技泡沫破灭之际,Cepheid公司成功上市。Petersen说:“我们是市场萎缩之前,最后成功上市的科技公司之一。”

凭借公司上市获得的资金,该团队将Smart Cycler投入量产,到2001年夏季末,他们已经交付了大约80套系统。GeneXpert仍在继续开发,第一台原型机于2001年12月推出。

GeneXpert是世界上第一个将样品制备、扩增与检测完全整合的定量PCR仪,使得即使不具备专业技术的人员也可以在各种环境下进行复杂的分子检测。

GeneXpert是世界上第一个将样品制备、扩增与检测完全整合的定量PCR仪,使得即使不具备专业技术的人员也可以在各种环境下进行复杂的分子检测。

后来,美国发生了炭疽袭击。2001年9月底和10月,含有炭疽孢子的信件被邮寄给美国新闻媒体和美国参议院成员,最终感染20多人,并导致5人死亡。

Cepheid之前就已经确定,炭疽病毒为其技术可以快速检测的物质之一,这使该公司突然成为新闻热门。Petersen回忆说:“我们与Sanjay Gupta博士在‘早安美国(Good Morning America)’和CNN进行了现场PCR检测。”

美国邮政局担心未来再次发生通过邮件的生物攻击,邀请所有拥有生物探测技术的公司来展示他们的产品。2001年12月,Cepheid对其设备完成了测试。“它的表现非常完美,”Petersen说。

经过数月的额外测试,Cepheid与诺斯洛普·格鲁门公司(Northrop Grumman)合作打造了一款PCR生物检测器,可以很容易地连接到邮件分拣机。Petersen说,该产品于2003年推出,如今美国所有的邮件仍在利用Cepheid公司的设备进行炭疽筛查。现在,Cepheid公司的系统主要用于医疗诊断,包括链球菌、诺如病毒、流感和衣原体等。Cepheid公司正在销售20多款经美国食品和药物管理局(FDA)批准的诊断测试产品。

再出发!打造全球MEMS时钟解决方案领导者SiTime

到了2003年,Petersen已经为下一步规划做好了准备。这次,他想探索硅谐振器,这些器件可以为精确时钟产生恒定的频率。“当我还在IBM时,我已经构建了第一批MEMS谐振器,但它们还不够好,无法与石英晶体振荡器竞争,”他说。

Tom Kenny、Markus Lutz和Aaron Partridge三位研究人员,开发了一种更好的方案。Petersen说:“这些家伙用单晶硅制造谐振器,这是世界上最完美的材料。多晶材料在受到应力时会在晶界处产生轻微的位移。即使只是一个或两个原子随时间的移动也会引起机械性能的变化。单晶硅不会随时间变化,但其共振频率会随温度而变化,因此挑战在于如何消除温度依赖性。”

有意思的是,Petersen、Kenny、Lutz、Partridge和Joe Brown(曾在Transensory和NovaSensor与Petersen合作的IBM前同事),又一次来到了加州咖啡馆用餐,并在另一张纸垫上起草了新的商业计划书。关于这项技术,行业巨头罗伯特博世(Robert Bosch)拥有一些核心知识产权,因此除了引进投资者外,Petersen不得不说服德国的博世高管授权该技术。

“我去德国斯图加特与博世集团董事会举行了一次大型会议,”Petersen说,“我告诉他们,‘这就是我要做的,创业我很有经验。我最近创办的公司正在为全美所有的邮件筛查炭疽病毒’”。最后,博世董事会不仅同意授权该技术,还同意进行大笔投资。

新公司SiTime于2004年12月成立,旨在推动数十亿美元的时钟产业从石英转向硅。SiTime于2007年出货了首款硅谐振器。如今,其MEMS振荡器已广泛应用于各类移动设备及许多其他电子仪器。

2008年,SiTime的运营情况很顺利,这时Petersen的Cepheid公司联合创始人之一McMillan,带着另一个创业想法找到了Petersen,希望一起打造一款植入式连续血糖监测仪。Petersen说:“30多年来,人们一直在努力实现植入式连续血糖监测,但是还没有人成功。一旦植入传感器,人体会开始用胶原蛋白将其隔离,最终阻止血液中的葡萄糖到达传感器。”

为此,McMillan与杜克大学(Duke University)研究员Natalie Wisniewski合作,提出了一种解决方案,使用结构化水凝胶来避免异物反应,并利用荧光读数来测量葡萄糖浓度。于是,Petersen重拾他的光学老本行,帮助产品开发,并在这家名为Profusa的创业公司待了一年。现在,该公司大约有30名员工,2018年8月刚刚完成了4500万美元C轮融资。

从成功的连续创业者,转型天使投资人

Petersen说,这应该是他最后一次全职出场,“我只是不想再做日常的公司事务了。我开始做天使投资,这个工作更有意思。”

科技天使:现在Petersen致力于为初创公司提供投资和建议

科技天使:现在Petersen致力于为初创公司提供投资和建议,“每天都与几位创业者见面沟通,这很有意思,”他说。

不过,后来又有一支新团队,他似乎无法拒绝。两位来自伯克利(Berkeley)的学生开发出了一种用于MEMS谐振器的新技术,他们正在努力将其商业化。Petersen和K.G. Ganapathi加入了这两位学生的公司,公司后来更名为Verreon,Petersen担任了首席技术官,帮助协调该公司在2010年出售给高通(Qualcomm)。

这是Petersen第三次担任首席技术官或同等职位。在他所有的创业公司中,他只在SiTime担任过一次首席执行官(CEO)。“在NovaSensor,另两位想担任总裁,”与该公司合作的营销顾问Roger Grace说,“Kurt并不在意,他担任了首席技术官。他不是一个以自我为导向的人。”

“在MEMS领域,所有人对Kurt都是称颂有加,因为他是如此善良、有思想且乐于助人,”Grace评价说,“聪明的人很多,但Kurt是独一无二的,他非常成功却又如此谦逊。在他身边,就像穿着最舒适的鞋那样让人舒心。”

Ganapathi完全同意Grace的观点,他说:“通常情况下,你找不到像Kurt那样成功并且非常受欢迎的人。”

如今,Petersen又回归天使投资,瞄准MEMS以及医疗器械和生物技术。他表示,他已经投资了大约70家公司,其中近一半已经证明是成功的,他的投资已经获得了350%的回报。这一数字着实非常惊人。根据最近的一项研究,拥有广泛投资组合的长期天使投资人,他们的典型回报率约为250%。

“这家伙有一种不可思议的能力,能够敏锐地嗅出什么项目最终能成为可商业化的产品。尽管可能还需要3年甚至15年的培育,但他就是有这个判断能力,”Ganapathi说。

Petersen于2012年加入Silicon Valley Band of Angels,这是一个仅限邀请的投资集团,约有200名投资者,他们会定期碰头交流并分享信息。他现在领导着硬件小组。他还在两家公司的董事会任职,并担任其他十几家公司的顾问导师。他每天都会和他的几位顾问会面,通过电话与加拿大和东海岸的公司保持联系。

71岁的Petersen现在还看不到什么时候会退休。“企业家们总是精力充沛,充满活力,雄心壮志,围绕他们工作太有趣了!”Petersen如是说。

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