2020年，苹果都会变智能

本尼迪特·维尼亚 / 意法半导体执行副总裁、MEMS事业部总经理 / 2014-10-10

MEMS是可以传递信息到执行分析任务的微处理器的传感器，它是所谓智能物件的必要组成部分，可以使机器获取有关工作环境的信息。MEMS之于今天大行其道的智能手机和平板电脑，正如晶体管之于60年代的消费性电子产品，无处不在。一系列技术突破和产业冒险为MEMS市场的繁荣铺平了道路。Benedetto Vigna就是这场革命的领军人物之一。

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巴黎高科评论：MEMS到底是什么？

Benedetto Vigna ：看看四个大写字母代表的意思就清楚了：Micro Electromechanical System——微型电子机械系统。这个机械系统小到只有几平方毫米，多数是用硅制成，至少包含一个微测量元件。它们一般被用作传感器或是执行器。MEMS会对大气压力或湿度、高度、热、运动（如加速度计对加速度、陀螺仪对旋转、磁力计对磁场）、光以及声音作出反应。

在不到10年的时间里，MEMS已经成了我们身边大多数高科技产品的基础元件，没有它们我们甚至寸步难行。仅仅一部智能手机，就含有多达10个MEMS！

不到10年？第一批MEMS模型不是在1980年代就已经研发出来了？

其实还要更早，在70年代MEMS就研发出来了，80年代进入市场，但是直到21世纪，它们才得到蓬勃发展——这是最有意思的地方。

你提到80年代并没有错，因为我们正是从那时候开始在工业中使用MEMS。比如喷墨打印机的针头上就有MEMS；汽车安全气囊由一个加速度计触发，而加速度计的核心组件正是MEMS。这些产品出现在80-90年代：微型化制造业迅速发展的年代。

但革命性事件发生在本世纪初，而且是由一个看上去微不足道的事物触发的，那就是视频游戏手柄。或许你已经猜到，我说的是著名的任天堂Wii，它能够探测（玩家）位置、方向和空间运动。日本制造商从意法半导体公司——我们当时还是MEMS市场的门外汉——展示的一款运动传感器上获得灵感。从2005年开始，我们和日本公司合作，任天堂Wii在2006年就发布了。

任天堂Wii获得巨大成功，从合作中积累的技术和实践经验也使我们进入了一个新兴的市场——智能手机，因为没有MEMS，就不会有智能手机。一款复杂的智能手机要有微型计算机，但是如果不集成加速器，你就不能用手指控制屏幕，屏幕也无法感应重力而旋转。不仅如此，你之所以能用智能手机舒适地通话，也是因为两个MEMS的存在，一个捕获你的声音，另外一个（或两个）捕获并去除环境噪音。

正是传感器，让智能手机能够不仅能与网络（计算机的主要作用）而且可以与它的工作环境进行完美交流。

这种趋势正变得越来越重要。未来传感器可以将智能机手变成移动的天气预报站点，可以测量湿度、气压、空气质量、紫外线指数等，并把网络资源和这些数据结合起来，不断提升预测的准确性。

这显然比最初的MEMS功能强大多了，最初的MEMS只会对运动或者光之类的作出反应。

千真万确，所以，MEMS和晶体管早已经不具可比性。晶体管，即使我们改变了它的组件，结构和功能却是不变的；相比之下，MEMS是不断发展的，其结构一直在变化，功能也愈发强大。早先的MEMS来自于微电子技术，其传感功能仅限于机械传感和光传感，而现如今很多其他的学科也被广泛运用于MEMS技术。

信息技术对MEMS非常重要，因为需要分类和传输的信息越来越多；信息的品质也很关键；由于被捕捉的信号并非仅仅是光波或者是机械运动，化学和生物学也得到运用。MEMS可能被用在轨道占用情况检测器上，也可以被用在化学和生物化学药剂上。生物和医药是MEMS重要的应用领域，这种情况会越来越多，特别是随着远程控制和个性化药物技术的不断发展。这类新的MEMS有时会被称作生物MEMS。

同样的，MEMS的进化不仅涉及到电子学，其所用材料也在发展。与电子学相关的部分当然还是用是电。但除了以硅为主，MEMS还会用到金属、压电材料甚至高分子材料。主要是根据要实现的功能，采用具有不同物理属性（灵敏度、反应精度、使用频率）的特殊材料。

MEMS是如何制造的？

那是技术秘密，涉及到数百项专利。但是原理很简单，MEMS通常包括一个硅制作的基底，当然就像我提到的，也可以是其他材料。基底上有一个活动的微型机械装置（如谐振装置或者微型电机等）。制作基底，我们使用和微电子学一样的技术：作图、光刻、湿法和干法刻蚀。不同点在于MEMS的活动机械部件要通过“牺牲层”技术来得到。

MEMS工作时，机电换能器由旁边的电路供电，产生动能，推动机械部分工作。这些换能器起到了电子与机械部分间的接口作用。换能器的工作方式正好相反，举例来说，加速度或者旋转产生的力使活动部件移位，测量位移距离的变化，加速度值和旋转值就可以分别通过加速度计和陀螺仪推导出来；电容变化也要测量，当固定电极和活动电极间的距离增加，电容值会减小；当距离减小，电容值会增大；测量电容使得我们能够测量距离，从而间接地测量力的大小。

接口的可靠性和精度具有决定性的作用。智能手机坏了只是个小问题，但用于航空和医药的MEMS必须绝对可靠：人命关天。

谈谈MEMS的应用吧，现在用得最多的哪些领域？

除了加速度计和智能手机应用，还有用于确定投影仪像素的模拟微镜和数字微镜、微流体控制阀、可以将特定频率从输入信号中隔离的机械电子滤波器等。

我可以列举一些数字：在2013年上半年，单单意法半导体一家公司就生产了30亿个MEMS，而我们仅仅针对移动电子产品和消费性电子产品市场。就连喷墨打印机针头的市场也非常庞大，目前总销量已超出30亿个。

智能手机内部的传感器成本只有150美金，但可以卖到600美金，利润丰厚。意法半导体公司所在的细分市场在2005年是2亿美元，现在已达到10亿美元。整个智能手机MEMS市场到2018年将达到220亿美元。

这个市场很新，但发展迅猛。意法半导体公司如何从门外汉成为MEMS领军者的？

回到2005年，我们冒险将加工元件的“薄片”体积加倍，直径从15厘米增加到20厘米，同时保持原来的品质。这样我们极大地提高了产量，成本也降低了。我们能对顾客和市场快速回应，把握市场脉搏并持续功能创新。

这个市场真正体现了创新的强大推动力：各种各样的应用、来自各个行业的投资。举例来说，汽车行业是最早应用MEMS的行业——安全气囊，现在，它已经把这种技术拓展到平行停车系统。医疗保健行业也是我们的重要用户：诸如可穿戴血压仪等智能医疗器械都会用到MEMS。需求正在爆炸式增长，像意法半导体这样的企业会将15%-17%的收入用于研发。

在这种前沿领域，有的公司专注于独立研发；另一些专注服务于产业生态系统中客户企业的需求，包括创业企业；还有一些则发明出原型产品而把应用的想象空间交给合作伙伴——比如Google眼镜。意法半导体是哪一种？

我们将创新定义为一种商业过程，在此过程中，新的想法和发明逐步成熟并为我们的客户提供有差异化的功能。创新必须同时能为双方创造价值。我们的工作会先于客户，将其需求纳入创新规划；利用市场调研，我们能够确保产品上市后就能深受欢迎。两种情况，价值都可预期。

未来MEMS市场将会往什么方向发展？

现在“物联网”逐渐成为时代主流，对MEMS需求会越来越大。智能产品——智能手机或可穿戴设备，必须依赖越来越稠密的传感器网络，去系统而精确地测量环境中各种复杂参数——内部参数如血压、车耗油量和外部参数如湿度、阳光强度等。

因为家居自动化和交通形式多样化，MEMS还会进入家庭和未来城市。智能城市大有可谈，它的核心是更加精妙的监控系统和交通、运输流管理系统。这样的系统中，传感器起着关键作用。

从小处讲，MEMS也可以帮助管理一条街道。路灯只有在需要的时候才会亮起，它们会响应人的声音（并且分辨出环境噪声和狗吠声等）或者指令（可以分辨出“给点光吧”和“真凉快”的差异）或者动作（区分人和动物）。MEMS成了智能街道“神经系统”的一部分，通过提供准确信息来让它更智能。试想一下街道可以理解你在呼救并且报警。没错，那就是未来会发生的事情。

传感器越智能，街道也就越智能，使用传感器的城市和车辆也是如此，这也是市场正在向集成解决方向发展的原因。MEMS能够整合和消化复杂的信息，就和电脑一样。

另一个趋势是横向的应用拓展：比如可移动的天气预报站、为市场注入新活力的Google眼镜；智能电视中的MEMS可以让玩家成为游戏的一部分……迷路又没有地图的情况下，告诉你的智能手机“我想去市中心”，你就能在15钟之内赶到。今天，大多数应用都和智能手机有关，但到2020年情况会有所改变，这样一些功能会被分散到其他物件中，比如你的衣服。

到了2020年，甚至苹果都会变得智能：它将装有传感器来测试味道或成熟度，并警告冰箱它必须要被吃掉了。技术的人性化是近年来微电子技术的主要趋势之一。这也是智能手机能够取得成功的原因所在，简单而且功能强大；越来越精确的即时信息，同时使用简单。不过相信我，未来的手机功能会是你现在根本想不到的。