浅析近年值得关注的新兴MEMS和传感器技术

在进行产业研究和预测时，市场分析师通常会从数百家公司收集数据，以提供有关现有技术的有价值情报，并确定短期内的商业机遇。作为面向各种商业应用的MEMS和传感器咨询公司，客户经常会问，“未来什么技术或产品会火？”衡量一项新兴技术在商业化后5到10年的市场前景，往往需要采用不同的研究策略。

历史告诉我们，今天的大部分重磅MEMS产品，都是作为学术研究成果而诞生的。那些企业家们凭借数百万美元的资助，历经多年的努力研究，才得以将概念验证研究转化为新的商业产品。为了识别那些新兴而有前景的技术，我们需要直接聚焦它们的源头：学术会议和期刊文献。

典型MEMS产品的商业化时间

Chirp Microsystems公司就是这一研究方法的有力证据：在2012年的一场关于新兴技术的学术报告中，A.M. Fitzgerald & Associates联合创始人兼首席执行官Alissa M. Fitzgerald博士强调了加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校关于“应用氮化铝（AlN）MEMS换能器在空气中进行超声波测距和角度估算”的研究。文章发表后不久，作者就成立了Chirp Microsystems公司将其技术商业化，用于手势识别和指纹识别应用。此后经过五年的研究和发展，Chirp Microsystems公司的产品正式进入市场。据麦姆斯咨询此前报道，2018年2月，全球供应巨头TDK收购了Chirp Microsystems，突显了该公司的商业潜力。今年，Alissa M. Fitzgerald博士在关于固态传感器、执行器和微系统的Hilton Head Workshop研讨会上回顾了100多篇来自业内顶尖研究人员的论文，这些论文代表了该领域最值得关注的技术。Alissa M. Fitzgerald博士的评选标准包括：商业相关性；是否为已知或预期的问题提供解决方案；突破性技术。基于这些研究论文和评选标准，Alissa M. Fitzgerald博士总结了以下值得关注的新兴技术：事件驱动型传感器：运动、热这类巧妙设计的硅基MEMS器件，在待机状态下实现了零功耗。机械运动或热触发事件会闭合传感器内的触点，以激活其电路并进行感知。这类传感器采用现有的制造方法，因此它们可以在五年内成为商业化产品，用于事件监控和安全防护等应用。（相关研究机构：德克萨斯大学达拉斯分校、美国东北大学）

待机零功耗的MEMS加速度计，器件电路会在达到加速度阈值时机械闭合图片来源：德克萨斯大学达拉斯分校

待机零功耗的MEMS红外探测器图片来源：美国东北大学

据麦姆斯咨询此前报道，美国东北大学教授Matteo Rinaldi领导的一个科研团队开发了这款零功耗红外探测器，能够在有意义的被测信号出现前，保持零功耗的休眠状态，在红外特征信号到达器件后利用其本身携带的能量来驱动一个热敏微机械开关，进而接通负载电路开始工作，以实现整个传感器节点仅在特定红外光谱出现时被“唤醒”。

薄膜压电谐振器PZT沉积和CMOS工艺集成的进步，可用于构建5G应用中的射频（RF）滤波声波导。这种采用现有可扩展工艺的新型滤波器设计已经成熟，可用于商业化。（相关研究机构：普渡大学、德州仪器）

基于PZT FeCAP（压电铁电电容器）的声波导CMOS谐振器图片来源：普渡大学、德州仪器

体内无线通信

用氮化铝（AlN）制造的MEMS超声波收发器，能够以Mbit/s的数据传输速率，直接穿过人体发送数据。随着多种人体植入物或可穿戴医疗设备网络的发展趋势，这项创新成果可以实现医疗级安全的体内无线通信。这项早期研究仍需要体内验证，开发并获得监管批准可能还需要10年或更长的时间。（相关研究机构：美国东北大学）

基于压电MEMS超声换能器（PMUT）的超声体内收发器图片来源：美国东北大学

屏幕和3D打印传感器

利用屏幕和3D打印传感器的众多令人兴奋的创新中，有一个代表性例子是电位硝酸盐土壤传感器。这种传感器成本低、可生物降解，可以大面积部署，以监测农场的土壤质量。不过，目前大多采用桌面式或业余爱好者工具来制作屏幕和3D打印传感器件，因此必须在有可能商业化生产之前，开发新的制造设备和基础设施。（相关研究机构：普渡大学）

硝酸盐土壤传感器图片来源：普渡大学

可生物降解的电池纽约州立大学宾汉姆顿分校开发了一种纸质电池，巧妙地利用细菌代谢作为电解质，可以提供0.5 uW的电能。这些电池可以溶解在水中，有朝一日或能用于为临时医疗植入物或可生物降解的传感器供电。这项令人兴奋的概念验证原型，还需要大量的工艺开发和新的制造基础设施。（相关研究机构：纽约州立大学宾汉姆顿分校）

纸基电池在浸入水中60分钟后溶解图片来源：纽约州立大学宾汉姆顿分校