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了不起的MEMS发明人

2019-07-28
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一滩墨渍为2019年IEEE荣誉勋章获得者库尔特•彼得森开启了终生研究微型装置的大门。



1975年,库尔特•彼得森(Kurt Petersen)还是一名年轻聪明的研究员,当时他刚拿到麻省理工学院电气工程专业的博士学位,在位于美国加州的IBM阿尔玛登研究中心工作。他是该中心光学研究小组的一员。不过,他时常觉得很无聊,有一天,他漫步于巨大的建筑群中,然后发现了一条普普通通的走廊的油毡瓦上有一大块黑色污渍。就是这滩污渍改变了他的生活和整个行业。


为了找到污渍来源(他也是闲来无事),彼得森走进了最近的实验室。最后他发现,这块污渍是由溢出的墨水形成的。这是一家研发喷墨打印机喷嘴的实验室,研发过程中需要在硅材料上打孔。


在硅材料上打孔?彼得森从未听说过,但他想起了之前看过的一则有关硅基微型加速器的广告。突然间,一个更大的场景浮现在他的脑海中:人们实际上正在制造微型机械配件,各种部件只有几微米,都是用硅材料制成的。今天,我们将这类装置称为微机电系统(MEMS)。彼得森也想制造MEMS。


于是,他开启了全新的职业道路——专攻MEMS技术,包括现在用来扫描美国境内所有邮寄信件以防炭疽病菌的装置,并创建了MEMS企业。正是因为在这方面作出的贡献,彼得森在2019年获得了IEEE荣誉勋章。


 

发现那滩墨渍后不久,彼得森开始阅读他能找到的所有有关使用硅材料制造微型机械装置的资料,包括各类期刊杂志,如《IEEE电子器件会刊》(IEEE Transactions on Electron Devices)、《应用物理学快报》(Applied Physics Letters)和《电化学会会杂志》(Journal of the Electrochemical Society)。当时这类装置还没有具体的名称,市场上也只有几种MEMS产品。他发现“世界各地有很多人已经用硅制成了不同的机械装置,但是还没有形成相关群体。研究这类装置的大部分人相互之间并不了解。”


而后彼得森开始着手制造他的第一个装置。看着显微镜下的那些喷墨打印机喷嘴,他说道:“如果有缺陷,我一眼就可以看到。显微镜下有一些微小、独立且非常细的二氧化硅柱。我就想,这些微小的机械结构也许可以四处移动。它们也许能让光转向,我可以做一个调光器。”他的研发过程与今天MEMS的制造过程类似,首先在外延硅牺牲层上铺一层二氧化硅,然后将牺牲层蚀刻掉。最后只剩下二氧化硅悬臂,顶部是薄金属层。


他花了3个月时间制造出好几个微型调节器,每个调节器长约100微米,厚约0.5微米。他将这些调节器带到配有IBM扫描电子显微镜的实验室,那里的一位技术人员帮他安好了电线,然后他给这些装置接通了电源,观察它们的运转情况。

“她都着迷了。”彼得森回忆道,“她说从未见过在显微镜下运行的装置。


后来,彼得森又花了5年时间,利用硅材料制造了尽可能多的各种微型机械装置,包括加速器和电子开关。他离开光学研究小组,进入了一家特别定制实验室,只能容纳他和一名实习生。



根据对文献的深入研究和自己所做的工作,彼得森撰写了一份关于新兴技术的内部报告。“很多机械结构对IBM而言可能都有价值。”他说,比如光学和机械磁盘驱动器的读写头以及更复杂的喷墨打印机喷嘴,但是IBM并不感兴趣。


彼得森很失望,但他也意识到,这类装置不属于IBM的关键业务。于是他修改了报告,删除了IBM专有信息,并将其提交给了《IEEE会报》,足足占满了整个会报的50页版面。文章题为《作为机械材料的硅》(Silicon as a Mechanical Material),成为了1982年5月的封面文章,使MEMS确立为一个单独的技术分支。


这篇论文涉及的内容很全面,对集成电路材料的机械性能以及将这类材料蚀刻成相应形状和结构的各种方式都进行了论述。“文章对未来可能出现的事物进行了推断,例如深反应离子刻蚀(DRIE),这项技术为该领域带来了彻底变革。”他说,“即便是在今天,也有很多人对我说,正是那篇文章使他们对MEMS产生了浓厚兴趣。


“读研究生时我们就都读过这篇文章。”现任斯坦福国际研究院首席技术官的格雷格•科瓦奇(Greg Kovacs)说,该研究院位于美国加州门洛帕克。“他在MEMS领域发挥了巨大作用。他所完成的工作比开创这一领域更为重要,他推动了这一领域的发展。于我而言,他是一位超级英雄。


《IEEE会报》论文一经发表,彼得森就被邀请到世界各地的会议上发言,而且研究员纷纷来阿尔玛登想一睹作者尊容。“进行各种疯狂研究的人都会以某种方式与我取得联系,比如微流体低温致冷器的研究人员。”他说。他似乎在一夜之间变成了MEMS技术掌门人。



这一领域在20世纪80年代一直稳步发展。彼得森的论文发表时,全球约有三四十个人在研究这项技术。到1990年,他估计研究这项技术的人约有600名。市场上出现了用于一次性血压监测仪和新型燃油控制化油器的压力传感器。航天工业中也开始采用基于MEMS的加速器。第一个微型机械喷墨打印机打印喷头进入量产。当时出现了很多创业公司,它们渴望与这项技术一起发展。彼得森说,1987年美国国家科学基金会研讨会对该领域进行了正式命名。


不出所料,有几家公司联系了彼得森。最后他接受了邀请,于1982年与吉姆•克纽蒂(Jim Knutti)联合创建了Transensory Devices公司,进行MEMS装置的研发与制造。


他回忆说,放弃企业内稳定的研究工作让他感觉“紧张不安”。他有两个年幼的儿子,因此经济保障很重要。约100万美元的创业资金最后来自外州的石油投资商,而非硅谷投资商。“当时硅谷也有一些创业公司,但完全不是今天这个样子。那时候筹资是件很困难的事情。”他说。


他们的团队后来搬到了加州费利蒙市一个280平方米的实验室,并建造了一些自己的设备,包括用于封装和保护硅晶圆的晶片键合设备。他们与大公司签订合同,为其生产样品,包括彼得森在IBM制作的那种调光器。同时,他们开始研发自己的MEMS装置。


“我们当时论证了很多装置,”彼得森说,“但是都没有投入生产。”有一次,用于卡车运输业的一种胎压传感器几近成功,但与他们合作的那位主管人员却去世了。彼得森认为,正是由于自己和克纽蒂都缺乏制造经验,他们的研究成果才没有能够实现商业化。


合同制生产使Transensory公司运转平稳,但是彼得森仍希望将自己的MEMS装置推向市场。他认为是时候成立第二家公司了。



在1985年,彼得森与詹科斯基•布瑞泽克(Janusz Bryzek)和约瑟夫•马龙(Joseph Mallon)一起创建了NovaSensor公司,500万美元的启动资金来自油田服务巨头斯伦贝谢。布瑞泽克之前与人合办过两家研发MEMS压力传感器的公司。“詹科斯基和他的合伙人拥有生产和制造经验”,而这正是Transensory公司所缺少的,彼得森说。


NovaSensor成立后开始制造3种压力传感器:一种用于航空航天业,另有一种用于石油工业,还有一种是未针对特定市场的高温压力传感器。事实证明,最后一种取得了最大的成功,甚至航天飞机的轮胎中都采用了这种压力传感器。“我们发现了一种运用MEMS工艺将电阻器与基质隔离的方法。我们将单晶硅片粘合在带有压力传感器膜片的氧化硅片上,然后将上部硅片的大部分蚀刻掉,只保留电阻器。”彼得森说。他认为此款传感器是首款硅晶绝缘体设备,这种设备从那以后得到了普遍运用。


1991年,卢卡斯工业有限公司收购了NovaSensor,此举使彼得森跻身“MEMS百万富翁”之列。NovaSensor公司的生产线现在由安费诺公司销售。


随后的几年内,彼得森所持股权份额继续增加。其间,他专注于融熔接合,这一过程需要对两个不同模式的晶片进行蚀刻,然后将二者连接在一起。这一工艺可以制造非常复杂的装置,例如陀螺仪。他的名片上就一直印有采用该工艺制成的第一批设备的照片。



1995年彼得森离开NovaSensor时,MEMS压力传感器已在多种系统中得到了广泛应用,包括潜水设备和暖通控制系统,MEMS加速器则刚开始用于汽车安全气囊中的碰撞感知系统。


 

彼得森离开NovaSensor公司时未作任何安排。劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的一名研究员阿伦•诺思拉普(Allen Northrup)曾向他建议,MEMS装置可大大加快聚合酶链式反应(PCR),PCR是一种相对较新的复制DNA序列的方法。


彼得森妻子的朋友、从事生物技术领域工作的比尔•麦克米伦(Bill McMillan)确认了PCR的发展前景。随后,彼得森开始着手拟定一项降低PCR机械体积和成本的计划,目标是制造出医生在办公室内就能使用的手持设备。


他和麦克米伦在帕洛阿尔托的白玉兰咖啡厅共进午餐。“我给他大概介绍了一下我的想法,他就开始在纸质餐垫上描绘商业计划。”彼得森说。他至今仍保存着那个餐垫。


彼得森1982年发表的论文中就暗示了深反应离子刻蚀的可能性,与传统的芯片生产流程相比,这一技术能够在硅材料中刻出更深的孔洞和凹槽。他开始将深反应离子刻蚀应用在微流体芯片中,将微量液体送入精确的通道内。


“我们当时有个想法,可以利用MEMS技术和微流体快速加热和冷却样品,以制成体积小但响应快的PCR设备,让医生可以在办公室内用它进行诊断。”彼得森说。


为实现技术的商业化,彼得森在1996年与他人共同创办了Cepheid公司,并从劳伦斯•利弗莫尔国家实验室获得了基础技术的许可。到1997年,该公司已从美国国防部筹得320万美元资金,国防部希望该公司能够研发出生物武器探测器。Cepheid公司研发的第一个设备叫Smart Cycler,它采用MEMS结构实现了几微升液体的快速加热和冷却,同时利用荧光传感器监测反应的进度。它不是手持设备,但这并不是问题。更重要的是,它使PCR过程实现了自动化。


Cepheid公司的第二个产品是GeneXpert,旨在进一步简化PCR。它可以自动从生物样本中提取DNA,然后添加测试所需的试剂。


该公司于2000年上市,当时正值科技泡沫破灭。在市场萎缩前,“我们是最后一批成功IPO的公司之一。”彼得森说。


通过公开发售股票,该公司获得了足够的资金,团队将Smart Cycler投入生产。2001年夏季接近尾声时,该公司已经完成80套设备的发货。在2001年12月第一台样机产生后,GeneXpert的研发工作仍在逐步推进。


 

后来美国发生了炭疽恐怖袭击事件。2001年9月下旬和10月,携带炭疽孢子的信件被邮寄给了美国新闻媒体和美国参议院成员,最终导致20多人感染,5人丧生。


当时,Cepheid公司已经确定其技术能够快速检测炭疽细菌,于是一夜成名。“我们和桑贾伊•古普塔( Sanjay Gupta)博士一起通过《早安美国》节目和美国有线电视新闻网进行了现场PCR试验。”彼得森回忆道。

美国邮政部门担心未来再出现信件携带的生物袭击,于是邀请所有掌握生物传感器技术的公司展示其产品。Cepheid公司的装置于2001年12月通过测试。“当时运行完美。,”彼得森说。

经过几个月的额外测试,该公司与诺斯罗普格鲁曼公司合作研发了PCR生物传感器,该传感器可以轻松地与邮件分拣机连接。这款产品于2003年推向市场,今天,美国的所有信件仍然要通过Cepheid机器进行炭疽筛查,彼得森说。现在,该公司的系统主要用于链球菌、诺瓦克病毒、流感、衣原体等相关的医疗诊断。该公司所销售的经美国食品药品监督管理局批准且适用于Cepheid机器的测试超过20项。


 

到了2003年,彼得森已经做好了开启事业新篇章的准备。这次,他想开发硅质谐振器,这种设备能够产生恒定频率,可用于精确定时。“在IBM的时候我就制造了部分第一批MEMS谐振器,但不是很理想。它们无法与石英晶体振荡器媲美。”他说。


汤姆•肯尼(Tom Kenny)、马库斯•鲁茨(Markus Lutz)和亚伦•帕特里奇(Aaron Partridge)3位研究员提出了更好的方案。“他们采用单晶硅制造谐振器,这是世界上最完美的材料。”彼得森说,“多晶材料受到压力时会在晶界处产生微小的移位。随时间的推移,即便只有一两个原子产生位移,也会导致机械性能发生变化。”而单晶硅不会随时间发生改变,但是其谐振频率会随温度的变化而变化,因此,难点在于如何解决其温度依赖性的问题。


彼得森、肯尼、鲁茨、帕特里奇及乔•布朗(Joe Brown,彼得森在IBM的同事,曾与他在Transensory 和NovaSensor两家公司共事过)又一次在白玉兰咖啡厅共餐,再次在纸质餐垫上起草了一份商业计划。罗伯特•博世股份有限公司拥有部分核心知识产权,因此除了吸引投资者以外,彼得森还必须说服博世公司在德国的高管,以获得技术许可。


“在斯图加特,我与他们的董事会召开了一次大型会议。”他说,“我告诉他们,‘我做的事就是这些。我创办了公司,我们公司的设备负责全美国所有信件的炭疽筛查。’他们的董事会不仅同意了技术许可,还对我们公司进行了重大投资。


新公司SiTime成立于2004年12月,目标是将定时行业所用的数十亿美元的材料从石英变为硅。该公司的首批谐振器于2007年交货。今天,该公司的MEMS振荡器被广泛用于移动设备及其他电子仪器的定时系统。


2008年,正当SiTime经营良好的时候,彼得森在Cepheid公司的合伙人之一麦克米伦向他提出了另一个创业想法:研发一种可植入式连续血糖监测仪。“人们已经为之努力了30年,但是没有人获得成功。”彼得森说。一旦传感器植入身体内部,“身体就会使用胶原将其隔离,最终阻止血糖接触传感器。”他解释说。


因此,麦克米伦与杜克大学的研究员纳塔利•维斯尼斯基(Natalie Wisniewski)合作,并提出了一种解决方案:使用结构化水凝胶来避免异物反应,并采用荧光读数的方式测量血糖浓度。彼得森利用之前所学的光学知识为该产品的开发提供了帮助,并在创业公司Profusa呆了一年。这家公司现在约有30名员工,资金总额为1亿美元。


彼得森说,经营这家公司将成为他的最后一份全职工作。“我只是不想继续处理公司的日常业务。我开始进行天使投资,这更有意思。



他也无法抗拒再建一个团队的诱惑。伯克利分校的两名学生开发了MEMS谐振器相关技术,但是一直苦于无法实现该技术的商业化。彼得森和K.G. 加纳帕蒂(K.G. Ganapathi)加入了这两名学生的公司,之后,该公司改名为Verreon,彼得森担任公司的首席技术官,帮助协调该公司2010年针对高通的销售业务。


这是彼得森第三次担任首席技术官或类似职务。在他所有的创业公司中,他只在SiTime公司担任过首席执行官。“在NovaSensor公司时,其他两个人想做董事长。”该公司的营销顾问罗杰•格雷斯(Roger Grace)说,“库尔特并不在乎,他担任了首席技术官。他不是个自以为是的人。


“在MEMS领域,人们都对库尔特称赞有加,他非常和蔼、体贴、乐于助人。”格雷斯说,“聪明的人很多,但他是独一无二的,他很谦逊。与他相处,你会感到轻松自在。


加纳帕蒂也很赞成:“像库尔特一样成功且深受大家喜爱的人很少见。


 

目前,彼得森又回到了天使投资的大业中,他的投资目标是MEMS公司、医疗器械和生物技术领域。他说他投资的公司约有70家,其中近一半都取得了成功,投资回报率为350%,这一纪录很出色,因为最近的一项研究表明,一般而言,投资范围较广的长期天使投资人的投资回报率是250%。


“他仿佛有种神秘的力量,能够察觉出有发展前景的产品。一种产品需要3年或15年才能取得成功,但是他在这方面有着敏锐的嗅觉。”加纳帕蒂说。


2012年,彼得森加入了硅谷天使投资帮,这是一家邀请制组织,约有200名投资人,他们会定期会面,了解和分享信息。现在,他是该组织硬件分部的负责人。同时,他还是两家公司的董事,并在其他几十家公司担任顾问。他每天会与数名前来咨询的人会面,并与加拿大及美国东部沿海地区的公司电话联系。


彼得森今年已经71岁,但他并没有要退休的意思。“企业家们富有活力、充满干劲并且雄心勃勃,与他们打交道是一件乐事。”他说。



*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第2019期内容,欢迎关注。

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