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控制技術/MCU  

MEMS之父展望MEMS未來發展

上網時間: 2007年05月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  晶振 

憑藉著1970年代在IBM公司對微機電系統(MEMS)所進行的開創性研究,Kurt Petersen一直被人尊稱為'MEMS之父'。他曾參與了4家MEMS公司的創建,其中最成功的NovaSensor公司已經在世界各地出貨了數億個MEMS感測器。

Petersen也首創MEMS與微流體技術的融合,以應用於生物檢測系統中,並因此建立了Cepheid公司。該公司的生物檢測系統現正被美國郵政管理局用於防止郵件受炭疽熱病毒污染的檢測。

Petersen最近新創的SiTime公司則計劃用MEMS和CMOS晶片取代市場規模達數十億顆的石英晶體振盪器,這些晶振通常用於維持時間基準,使用範圍從手錶到PCB板上的各種電子元件都涵蓋在內。最近,Petersen在接受《EE Times》編輯羅克鈴的採訪時,暢談自己對於MEMS未來發展的看法。

您曾於1970年代時,在IEEE上發表了影響重大的論文-'以矽作為一種機械材料'(Silicon as a Mechanical Material)。最初是什麼原因讓您投入MEMS領域的呢?

簡言之,是史丹佛大學。那時我剛剛在麻省理工學院(MIT)電子工程系取得博士學位,並在舊金山灣區的Xerox Parc研究中心接受面試。那時是1975年,當時他們連一間實驗室也沒有,因而大多數研究實驗都在史丹佛大學的實驗室中進行。

在面試期間,他們把我帶到史丹佛大學,我在那裡見到Jim Angell團隊,並展示了Steve Terry及其'晶圓上的氣相色譜儀'之開發。就在那個時候,我萌生了一個想法─我們也可以把矽作為機械材料來使用。

當時你們所研究的是什麼類型的元件?所有元件都是用矽晶做的嗎?

我們那時試圖開發光學MEMS,最初所研發的二氧化矽光束就用於偏轉光線,而所得到的光束都非常平直。因而讓我覺得,"哇!真的可以這樣做!"然而,在第二次試驗所產生的光束卻像洋芋片一樣捲曲。因此,我們才意識到一開始的時候就得先解決許多問題,才能取得一致性的結果。

我們通常在矽晶圓上構建機械結構,但這些晶圓都內含P+蝕刻終止擴散層,並被10微米厚的磊晶層所覆蓋。因此,我們必須先蝕刻掉這個磊晶層,才能顯現出二氧化矽機械元件。

當時我們還在單晶矽上進行體微加工(bulk micromachining),但我在1980年代早期結識了當時就讀史丹佛大學電子工程系研究所的Roger Howe(現為史丹佛大學教授)後,他便向我介紹了採用多晶矽進行表面微加工(surface micromachining)的技術。

當時它就稱為'MEMS'嗎?

不是的。MEMS這個縮寫實際上是在1980年代末才導入業界的。我想'MEMS'這個詞是由美國國家科學基金會(NSF)所創造的;而'微加工'這個用語則是後來由Jim Angell所創造的。Jim是史丹佛大學一位相當具有遠見的教授,他帶領學生完成了一些初期的工作,但後來他轉向其它方面的研究並在幾年後就退休了。接著,他的學生們創建了Microsensor Technology公司,並製造出基於MEMS技術的氣相色譜儀,後來這家公司被惠普公司收購。而惠普公司的MEMS業務就是這樣開始的。

自從您在1982年發表那篇文章之後,是否還有其它具時代意義的進展?

首先,當時由於大型公司並未大舉參與,因此MEMS元件也一直未能量產。直到1985年,MEMS壓力感測器才由摩托羅拉公司投入量產。隨後,Delco公司開始把它用於汽車應用,Foxboro公司則把它投入工業應用,接著,美國國家半導體也開始採用。IBM也進行了大量的研究工作。

而您也在當時自行成立第一家MEMS公司嗎?

是的,我所創建的第一家MEMS公司是Transensory Devices,那是我和Jim Knutti、Henry Allen 和Joe Brown共同創建的,他們當時離開了IBM公司與我共同創業。而SiTime則是我成立的第四家MEMS公司。

您成立第一間新創公司時遭遇到的最大挑戰為何?

創立公司最大的障礙無疑是興建晶圓廠。在那個年代還沒有晶圓代工廠,因此我們必須從頭開始建造自己的晶圓廠。雖然規模不大,但它已讓我們足以控制各方面的開發工作。

一開始,我們只在自己的晶圓廠中進行應用性研究。我們當時還未曾考慮到生產、測試或封裝方面的問題。我們的大部份的收入都來自研發合約,但仍計劃製造產品。因此,當我認識了在傳統壓力感測器方面非常有經驗的Janusz Bryzek和Joe Mallon時,我便離開Transensory Devices公司,並與他們共同創建了Novasensor公司(MEMS感測器製造商,現在已被GE公司收購),而我們所開發的MEMS壓力感測器在成立6個月後就投產了。

那麼,您離開Novasensor公司後就成立了SiTime公司嗎?

不是的,其實我在Novasensor工作了11年,一直想要成立一家製造終端用戶產品的公司,因此,我後來創辦了Cepheid。Cepheid公司在微流體元件中使用了MEMS技術,採用具有螢光檢測的聚合酶連鎖反應(PCR)進行快速DNA分析。

您如何從製造微流體元件轉向成立SiTime並製造MEMS諧振器呢?

曾經有一天,Joe Brown跑來告訴我Robert Bosch公司擁有一個用於製造諧振器的完美製程。而我回答他,"算了吧!30年來人們一直試圖開發完美的諧振器,但這個問題太難了。"

諧振器所面臨的問題是它們會受到各種條件變化的影響,如溫度、應力、水蒸氣等。而且任何條件變化都可能改變頻率,使其不適合作為頻率標準。根據我從IBM所得到的經驗,我們必須使穩定度達到ppm(10-6)級甚至ppb(10-9)級,而那時我認為這是完全做不到的。

後來SiTime取得了Bosch製程的獨家使用權,該製程有何獨特而如此受青睞呢?

它的封裝技術與眾不同。其它公司都增加了一些笨重的金屬薄片來封裝其MEMS架構。但Bosch公司的MEMS封裝製程則在1,100°C的無塵室中,透過MEMS架構上沈積僅15微米厚的磊晶層方式,以便在晶圓級完成晶片封裝。這種封裝方案完全排除了水蒸氣污染和其它污染物。但現在它已經是SiTime公司諧振器的特有技術了,它不僅確保絕無污染物進入,而且也使我們的MEMS晶片外觀和性能與任何其它矽晶片一樣。

那麼,矽晶諧振器會在各種應用中取代石英晶體嗎?

對於這個問題,我的回答是否定的,因為這是一個非常大的市場。我們可以把這個市場分成3個部份,每部份的規模約為10億美元。低階部份諸如手錶中使用的低成本晶振,其精確度為200ppm左右;中階的消費電子應用精度約為50ppm左右;而高階部份是一些高精度元件,例如包括用於行動電話基地台的?溫控制晶體振盪器(OCXO),以及用於行動電話的溫度補償晶體振盪器(TCXO),其精度約為1ppm。

因此,SiTime公司現正計劃進入所有的市場應用嗎?

目前我們所生產的元件瞄準的是中階10億美元的消費電子市場。但我們現在還有另外兩個諧振器正開發中,一個針對高階的10億美元市場,另一個便是針對低階10億美元的市場。

到2010年以前,整個諧振器和時脈晶片市場總和將會超過75億美元─這一市場範圍已經足夠我們發揮了。SiTime公司的目標是佔有1/3∼1/2的消費電子市場。

Kurt E. PetersenKurt E. Petersen

現任SiTime公司總裁兼CEO

曾任Cepheid公司總裁兼CTO、NovaSensor公司執行技術副總裁、Transensory Devices公司技術副總裁、IBM公司研究人員

加州大學柏克萊分校電子工程學士、麻省理工學院電子工程碩士/博士

作者:羅克鈴




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