一灘墨漬為2019年IEEE榮譽勛章獲得者庫爾特?彼得森開啟了終生研究微型裝置的大門。

1975年，庫爾特?彼得森（Kurt Petersen）還是一名年輕聰明的研究員，當(dāng)時他剛拿到麻省理工學(xué)院電氣工程專業(yè)的博士學(xué)位，在位于美國加州的IBM阿爾瑪?shù)茄芯?a target="_blank">中心工作。他是該中心光學(xué)研究小組的一員。不過，他時常覺得很無聊，有一天，他漫步于巨大的建筑群中，然后發(fā)現(xiàn)了一條普普通通的走廊的油氈瓦上有一大塊黑色污漬。就是這灘污漬改變了他的生活和整個行業(yè)。

為了找到污漬來源（他也是閑來無事），彼得森走進了最近的實驗室。最后他發(fā)現(xiàn)，這塊污漬是由溢出的墨水形成的。這是一家研發(fā)噴墨打印機噴嘴的實驗室，研發(fā)過程中需要在硅材料上打孔。

在硅材料上打孔？彼得森從未聽說過，但他想起了之前看過的一則有關(guān)硅基微型加速器的廣告。突然間，一個更大的場景浮現(xiàn)在他的腦海中：人們實際上正在制造微型機械配件，各種部件只有幾微米，都是用硅材料制成的。今天，我們將這類裝置稱為微機電系統(tǒng)（MEMS）。彼得森也想制造MEMS。

于是，他開啟了全新的職業(yè)道路——專攻MEMS技術(shù)，包括現(xiàn)在用來掃描美國境內(nèi)所有郵寄信件以防炭疽病菌的裝置，并創(chuàng)建了MEMS企業(yè)。正是因為在這方面作出的貢獻，彼得森在2019年獲得了IEEE榮譽勛章。

發(fā)現(xiàn)那灘墨漬后不久，彼得森開始閱讀他能找到的所有有關(guān)使用硅材料制造微型機械裝置的資料，包括各類期刊雜志，如《IEEE電子器件會刊》（IEEE Transactions on Electron Devices）、《應(yīng)用物理學(xué)快報》（Applied Physics Letters）和《電化學(xué)會會雜志》（Journal of the Electrochemical Society）。當(dāng)時這類裝置還沒有具體的名稱，市場上也只有幾種MEMS產(chǎn)品。他發(fā)現(xiàn)“世界各地有很多人已經(jīng)用硅制成了不同的機械裝置，但是還沒有形成相關(guān)群體。研究這類裝置的大部分人相互之間并不了解?！?/p>

而后彼得森開始著手制造他的第一個裝置。看著顯微鏡下的那些噴墨打印機噴嘴，他說道：“如果有缺陷，我一眼就可以看到。顯微鏡下有一些微小、獨立且非常細(xì)的二氧化硅柱。我就想，這些微小的機械結(jié)構(gòu)也許可以四處移動。它們也許能讓光轉(zhuǎn)向，我可以做一個調(diào)光器?！彼难邪l(fā)過程與今天MEMS的制造過程類似，首先在外延硅犧牲層上鋪一層二氧化硅，然后將犧牲層蝕刻掉。最后只剩下二氧化硅懸臂，頂部是薄金屬層。

他花了3個月時間制造出好幾個微型調(diào)節(jié)器，每個調(diào)節(jié)器長約100微米，厚約0.5微米。他將這些調(diào)節(jié)器帶到配有IBM掃描電子顯微鏡的實驗室，那里的一位技術(shù)人員幫他安好了電線，然后他給這些裝置接通了電源，觀察它們的運轉(zhuǎn)情況。

“她都著迷了?！北说蒙貞浀?，“她說從未見過在顯微鏡下運行的裝置。”

后來，彼得森又花了5年時間，利用硅材料制造了盡可能多的各種微型機械裝置，包括加速器和電子開關(guān)。他離開光學(xué)研究小組，進入了一家特別定制實驗室，只能容納他和一名實習(xí)生。

根據(jù)對文獻的深入研究和自己所做的工作，彼得森撰寫了一份關(guān)于新興技術(shù)的內(nèi)部報告?！昂芏鄼C械結(jié)構(gòu)對IBM而言可能都有價值?！彼f，比如光學(xué)和機械磁盤驅(qū)動器的讀寫頭以及更復(fù)雜的噴墨打印機噴嘴，但是IBM并不感興趣。

彼得森很失望，但他也意識到，這類裝置不屬于IBM的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。于是他修改了報告，刪除了IBM專有信息，并將其提交給了《IEEE會報》,足足占滿了整個會報的50頁版面。文章題為《作為機械材料的硅》（Silicon as a Mechanical Material），成為了1982年5月的封面文章，使MEMS確立為一個單獨的技術(shù)分支。

這篇論文涉及的內(nèi)容很全面，對集成電路材料的機械性能以及將這類材料蝕刻成相應(yīng)形狀和結(jié)構(gòu)的各種方式都進行了論述?！拔恼聦ξ磥砜赡艹霈F(xiàn)的事物進行了推斷，例如深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE），這項技術(shù)為該領(lǐng)域帶來了徹底變革?！彼f，“即便是在今天，也有很多人對我說，正是那篇文章使他們對MEMS產(chǎn)生了濃厚興趣。”

“讀研究生時我們就都讀過這篇文章。”現(xiàn)任斯坦福國際研究院首席技術(shù)官的格雷格?科瓦奇（Greg Kovacs）說，該研究院位于美國加州門洛帕克?！八贛EMS領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。他所完成的工作比開創(chuàng)這一領(lǐng)域更為重要，他推動了這一領(lǐng)域的發(fā)展。于我而言，他是一位超級英雄?！?/p>

《IEEE會報》論文一經(jīng)發(fā)表，彼得森就被邀請到世界各地的會議上發(fā)言，而且研究員紛紛來阿爾瑪?shù)窍胍欢米髡咦鹑??！斑M行各種瘋狂研究的人都會以某種方式與我取得聯(lián)系，比如微流體低溫致冷器的研究人員?！彼f。他似乎在一夜之間變成了MEMS技術(shù)掌門人。

這一領(lǐng)域在20世紀(jì)80年代一直穩(wěn)步發(fā)展。彼得森的論文發(fā)表時，全球約有三四十個人在研究這項技術(shù)。到1990年，他估計研究這項技術(shù)的人約有600名。市場上出現(xiàn)了用于一次性血壓監(jiān)測儀和新型燃油控制化油器的壓力傳感器。航天工業(yè)中也開始采用基于MEMS的加速器。第一個微型機械噴墨打印機打印噴頭進入量產(chǎn)。當(dāng)時出現(xiàn)了很多創(chuàng)業(yè)公司，它們渴望與這項技術(shù)一起發(fā)展。彼得森說，1987年美國國家科學(xué)基金會研討會對該領(lǐng)域進行了正式命名。

不出所料，有幾家公司聯(lián)系了彼得森。最后他接受了邀請，于1982年與吉姆?克紐蒂（Jim Knutti）聯(lián)合創(chuàng)建了Transensory Devices公司，進行MEMS裝置的研發(fā)與制造。

他回憶說，放棄企業(yè)內(nèi)穩(wěn)定的研究工作讓他感覺“緊張不安”。他有兩個年幼的兒子，因此經(jīng)濟保障很重要。約100萬美元的創(chuàng)業(yè)資金最后來自外州的石油投資商，而非硅谷投資商?！爱?dāng)時硅谷也有一些創(chuàng)業(yè)公司，但完全不是今天這個樣子。那時候籌資是件很困難的事情?！彼f。

他們的團隊后來搬到了加州費利蒙市一個280平方米的實驗室，并建造了一些自己的設(shè)備，包括用于封裝和保護硅晶圓的晶片鍵合設(shè)備。他們與大公司簽訂合同，為其生產(chǎn)樣品，包括彼得森在IBM制作的那種調(diào)光器。同時，他們開始研發(fā)自己的MEMS裝置。

“我們當(dāng)時論證了很多裝置，”彼得森說，“但是都沒有投入生產(chǎn)?！庇幸淮?，用于卡車運輸業(yè)的一種胎壓傳感器幾近成功，但與他們合作的那位主管人員卻去世了。彼得森認(rèn)為，正是由于自己和克紐蒂都缺乏制造經(jīng)驗，他們的研究成果才沒有能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。

合同制生產(chǎn)使Transensory公司運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但是彼得森仍希望將自己的MEMS裝置推向市場。他認(rèn)為是時候成立第二家公司了。

在1985年，彼得森與詹科斯基?布瑞澤克（Janusz Bryzek）和約瑟夫?馬龍（Joseph Mallon）一起創(chuàng)建了NovaSensor公司，500萬美元的啟動資金來自油田服務(wù)巨頭斯倫貝謝。布瑞澤克之前與人合辦過兩家研發(fā)MEMS壓力傳感器的公司?！罢部扑够退暮匣锶藫碛猩a(chǎn)和制造經(jīng)驗”，而這正是Transensory公司所缺少的，彼得森說。

NovaSensor成立后開始制造3種壓力傳感器：一種用于航空航天業(yè)，另有一種用于石油工業(yè)，還有一種是未針對特定市場的高溫壓力傳感器。事實證明，最后一種取得了最大的成功，甚至航天飛機的輪胎中都采用了這種壓力傳感器?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了一種運用MEMS工藝將電阻器與基質(zhì)隔離的方法。我們將單晶硅片粘合在帶有壓力傳感器膜片的氧化硅片上，然后將上部硅片的大部分蝕刻掉，只保留電阻器?！北说蒙f。他認(rèn)為此款傳感器是首款硅晶絕緣體設(shè)備，這種設(shè)備從那以后得到了普遍運用。

1991年，盧卡斯工業(yè)有限公司收購了NovaSensor，此舉使彼得森躋身“MEMS百萬富翁”之列。NovaSensor公司的生產(chǎn)線現(xiàn)在由安費諾公司銷售。

隨后的幾年內(nèi)，彼得森所持股權(quán)份額繼續(xù)增加。其間，他專注于融熔接合，這一過程需要對兩個不同模式的晶片進行蝕刻，然后將二者連接在一起。這一工藝可以制造非常復(fù)雜的裝置，例如陀螺儀。他的名片上就一直印有采用該工藝制成的第一批設(shè)備的照片。

MEMS先生的微機電系統(tǒng)

庫爾特●彼得森及其公司制造的微機電裝置包括(前頁圖片左上方起順時針方向)采用硅熱鍵合技術(shù)制成的導(dǎo)管端壓力傳感器，大約在1990年由Nova-Sensor公司制造;互補金屬氧化物半導(dǎo)體/MEMS集成加速器，在IBM研究中心制成;采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制成的原型微流體結(jié)構(gòu)，大約在1993年由NovaSensor制造;質(zhì)量流量傳感器熱橋元件，大約在1984年由Transen- sory Devices公 司制造;采用單晶硅制成的簧片結(jié)構(gòu)，大約1993年在No- vaSensor公司內(nèi)展示。

1995年彼得森離開NovaSensor時，MEMS壓力傳感器已在多種系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，包括潛水設(shè)備和暖通控制系統(tǒng)，MEMS加速器則剛開始用于汽車安全氣囊中的碰撞感知系統(tǒng)。

彼得森離開NovaSensor公司時未作任何安排。勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的一名研究員阿倫?諾思拉普（Allen Northrup）曾向他建議，MEMS裝置可大大加快聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR），PCR是一種相對較新的復(fù)制DNA序列的方法。彼得森妻子的朋友、從事生物技術(shù)領(lǐng)域工作的比爾?麥克米倫（Bill McMillan）確認(rèn)了PCR的發(fā)展前景。隨后，彼得森開始著手?jǐn)M定一項降低PCR機械體積和成本的計劃，目標(biāo)是制造出醫(yī)生在辦公室內(nèi)就能使用的手持設(shè)備。

他和麥克米倫在帕洛阿爾托的白玉蘭咖啡廳共進午餐?！拔医o他大概介紹了一下我的想法，他就開始在紙質(zhì)餐墊上描繪商業(yè)計劃?！北说蒙f。他至今仍保存著那個餐墊。

彼得森1982年發(fā)表的論文中就暗示了深反應(yīng)離子刻蝕的可能性，與傳統(tǒng)的芯片生產(chǎn)流程相比，這一技術(shù)能夠在硅材料中刻出更深的孔洞和凹槽。他開始將深反應(yīng)離子刻蝕應(yīng)用在微流體芯片中，將微量液體送入精確的通道內(nèi)。

“我們當(dāng)時有個想法，可以利用MEMS技術(shù)和微流體快速加熱和冷卻樣品，以制成體積小但響應(yīng)快的PCR設(shè)備，讓醫(yī)生可以在辦公室內(nèi)用它進行診斷?！北说蒙f。

為實現(xiàn)技術(shù)的商業(yè)化，彼得森在1996年與他人共同創(chuàng)辦了Cepheid公司，并從勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室獲得了基礎(chǔ)技術(shù)的許可。到1997年，該公司已從美國國防部籌得320萬美元資金，國防部希望該公司能夠研發(fā)出生物武器探測器。Cepheid公司研發(fā)的第一個設(shè)備叫Smart Cycler，它采用MEMS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了幾微升液體的快速加熱和冷卻，同時利用熒光傳感器監(jiān)測反應(yīng)的進度。它不是手持設(shè)備，但這并不是問題。更重要的是，它使PCR過程實現(xiàn)了自動化。

Cepheid公司的第二個產(chǎn)品是GeneXpert，旨在進一步簡化PCR。它可以自動從生物樣本中提取DNA，然后添加測試所需的試劑。

該公司于2000年上市，當(dāng)時正值科技泡沫破滅。在市場萎縮前，“我們是最后一批成功IPO的公司之一?！北说蒙f。

通過公開發(fā)售股票，該公司獲得了足夠的資金，團隊將Smart Cycler投入生產(chǎn)。2001年夏季接近尾聲時，該公司已經(jīng)完成80套設(shè)備的發(fā)貨。在2001年12月第一臺樣機產(chǎn)生后，GeneXpert的研發(fā)工作仍在逐步推進。

后來美國發(fā)生了炭疽恐怖襲擊事件。2001年9月下旬和10月，攜帶炭疽孢子的信件被郵寄給了美國新聞媒體和美國參議院成員，最終導(dǎo)致20多人感染，5人喪生。

當(dāng)時，Cepheid公司已經(jīng)確定其技術(shù)能夠快速檢測炭疽細(xì)菌，于是一夜成名?！拔覀兒蜕ＹZ伊?古普塔（ Sanjay Gupta）博士一起通過《早安美國》節(jié)目和美國有線電視新聞網(wǎng)進行了現(xiàn)場PCR試驗?！北说蒙貞浀馈?/p>

美國郵政部門擔(dān)心未來再出現(xiàn)信件攜帶的生物襲擊，于是邀請所有掌握生物傳感器技術(shù)的公司展示其產(chǎn)品。Cepheid公司的裝置于2001年12月通過測試?！爱?dāng)時運行完美。，”彼得森說。

經(jīng)過幾個月的額外測試，該公司與諾斯羅普格魯曼公司合作研發(fā)了PCR生物傳感器，該傳感器可以輕松地與郵件分揀機連接。這款產(chǎn)品于2003年推向市場，今天，美國的所有信件仍然要通過Cepheid機器進行炭疽篩查，彼得森說。現(xiàn)在，該公司的系統(tǒng)主要用于鏈球菌、諾瓦克病毒、流感、衣原體等相關(guān)的醫(yī)療診斷。該公司所銷售的經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)且適用于Cepheid機器的測試超過20項。

到了2003年，彼得森已經(jīng)做好了開啟事業(yè)新篇章的準(zhǔn)備。這次，他想開發(fā)硅質(zhì)諧振器，這種設(shè)備能夠產(chǎn)生恒定頻率，可用于精確定時?！霸贗BM的時候我就制造了部分第一批MEMS諧振器，但不是很理想。它們無法與石英晶體振蕩器媲美。”他說。

湯姆?肯尼（Tom Kenny）、馬庫斯?魯茨（Markus Lutz）和亞倫?帕特里奇（Aaron Partridge）3位研究員提出了更好的方案?！八麄儾捎脝尉Ч柚圃熘C振器，這是世界上最完美的材料?！北说蒙f，“多晶材料受到壓力時會在晶界處產(chǎn)生微小的移位。隨時間的推移，即便只有一兩個原子產(chǎn)生位移，也會導(dǎo)致機械性能發(fā)生變化。”而單晶硅不會隨時間發(fā)生改變，但是其諧振頻率會隨溫度的變化而變化，因此，難點在于如何解決其溫度依賴性的問題。

彼得森、肯尼、魯茨、帕特里奇及喬?布朗（Joe Brown，彼得森在IBM的同事，曾與他在Transensory 和NovaSensor兩家公司共事過）又一次在白玉蘭咖啡廳共餐，再次在紙質(zhì)餐墊上起草了一份商業(yè)計劃。羅伯特?博世股份有限公司擁有部分核心知識產(chǎn)權(quán)，因此除了吸引投資者以外，彼得森還必須說服博世公司在德國的高管，以獲得技術(shù)許可。

“在斯圖加特，我與他們的董事會召開了一次大型會議?！彼f，“我告訴他們，‘我做的事就是這些。我創(chuàng)辦了公司，我們公司的設(shè)備負(fù)責(zé)全美國所有信件的炭疽篩查?！麄兊亩聲粌H同意了技術(shù)許可，還對我們公司進行了重大投資?！?/p>

新公司SiTime成立于2004年12月，目標(biāo)是將定時行業(yè)所用的數(shù)十億美元的材料從石英變?yōu)楣?。該公司的首批諧振器于2007年交貨。今天，該公司的MEMS振蕩器被廣泛用于移動設(shè)備及其他電子儀器的定時系統(tǒng)。

2008年，正當(dāng)SiTime經(jīng)營良好的時候，彼得森在Cepheid公司的合伙人之一麥克米倫向他提出了另一個創(chuàng)業(yè)想法：研發(fā)一種可植入式連續(xù)血糖監(jiān)測儀。“人們已經(jīng)為之努力了30年，但是沒有人獲得成功?！北说蒙f。一旦傳感器植入身體內(nèi)部，“身體就會使用膠原將其隔離，最終阻止血糖接觸傳感器?！彼忉屨f。

因此，麥克米倫與杜克大學(xué)的研究員納塔利?維斯尼斯基（Natalie Wisniewski）合作，并提出了一種解決方案：使用結(jié)構(gòu)化水凝膠來避免異物反應(yīng)，并采用熒光讀數(shù)的方式測量血糖濃度。彼得森利用之前所學(xué)的光學(xué)知識為該產(chǎn)品的開發(fā)提供了幫助，并在創(chuàng)業(yè)公司Profusa呆了一年。這家公司現(xiàn)在約有30名員工，資金總額為1億美元。

彼得森說，經(jīng)營這家公司將成為他的最后一份全職工作。“我只是不想繼續(xù)處理公司的日常業(yè)務(wù)。我開始進行天使投資，這更有意思?！?/p>

他也無法抗拒再建一個團隊的誘惑。伯克利分校的兩名學(xué)生開發(fā)了MEMS諧振器相關(guān)技術(shù)，但是一直苦于無法實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化。彼得森和K.G. 加納帕蒂（K.G. Ganapathi）加入了這兩名學(xué)生的公司，之后，該公司改名為Verreon，彼得森擔(dān)任公司的首席技術(shù)官，幫助協(xié)調(diào)該公司2010年針對高通的銷售業(yè)務(wù)。

這是彼得森第三次擔(dān)任首席技術(shù)官或類似職務(wù)。在他所有的創(chuàng)業(yè)公司中，他只在SiTime公司擔(dān)任過首席執(zhí)行官。“在NovaSensor公司時，其他兩個人想做董事長?！痹摴镜臓I銷顧問羅杰?格雷斯（Roger Grace）說，“庫爾特并不在乎，他擔(dān)任了首席技術(shù)官。他不是個自以為是的人?！?/p>

“在MEMS領(lǐng)域，人們都對庫爾特稱贊有加，他非常和藹、體貼、樂于助人?！备窭姿拐f，“聰明的人很多，但他是獨一無二的，他很謙遜。與他相處，你會感到輕松自在?！?/p>

加納帕蒂也很贊成：“像庫爾特一樣成功且深受大家喜愛的人很少見?！?/p>

目前，彼得森又回到了天使投資的大業(yè)中，他的投資目標(biāo)是MEMS公司、醫(yī)療器械和生物技術(shù)領(lǐng)域。他說他投資的公司約有70家，其中近一半都取得了成功，投資回報率為350%，這一紀(jì)錄很出色，因為最近的一項研究表明，一般而言，投資范圍較廣的長期天使投資人的投資回報率是250%。

“他仿佛有種神秘的力量，能夠察覺出有發(fā)展前景的產(chǎn)品。一種產(chǎn)品需要3年或15年才能取得成功，但是他在這方面有著敏銳的嗅覺?！奔蛹{帕蒂說。

2012年，彼得森加入了硅谷天使投資幫，這是一家邀請制組織，約有200名投資人，他們會定期會面，了解和分享信息?，F(xiàn)在，他是該組織硬件分部的負(fù)責(zé)人。同時，他還是兩家公司的董事，并在其他幾十家公司擔(dān)任顧問。他每天會與數(shù)名前來咨詢的人會面，并與加拿大及美國東部沿海地區(qū)的公司電話聯(lián)系。

彼得森今年已經(jīng)71歲，但他并沒有要退休的意思?！捌髽I(yè)家們富有活力、充滿干勁并且雄心勃勃，與他們打交道是一件樂事?！彼f。

作者：Tekla S. Perry

審核編輯：黃飛

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