一灘油墨開啟的MEMS人生

跟隨麥姆斯咨詢將時間撥回到1975年，那時的Kurt Petersen還是一位年輕的研究員，剛從麻省理工學(xué)院（MIT）電氣工程專業(yè)博士畢業(yè)，任職于加州IBM Almaden研究中心的光學(xué)部門。有一天，當(dāng)他在這個巨大的建筑群中閑逛時，他在一個不起眼的走廊的油氈上發(fā)現(xiàn)了一大灘黑色污漬。誰能想到，這塊污漬改變了他的生活，甚至影響了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程。

他也是閑來無事，為了尋找污漬的源頭，Petersen走進了最近的實驗室。他發(fā)現(xiàn)污漬來自于墨水泄漏。這個實驗室正在通過在硅片上蝕刻深孔來制造噴墨打印機的噴頭。

在硅片上蝕刻深孔？Petersen從未想過可以在硅片上蝕刻深孔。但他想起了那年早些時候看到過的一張海報，關(guān)于在硅片上制造微型加速度計的一項研究。他意識到當(dāng)時已經(jīng)有人在研究用硅材料制造微型機械器件，它們的器件尺寸僅有幾個微米?，F(xiàn)在，我們稱這些微型機械為微機電系統(tǒng)（Microelectromechanical systems, MEMS）。在那之后，Petersen似乎找到了自己一生的奮斗方向：MEMS。

他為自己規(guī)劃了一條新的職業(yè)道路：研發(fā)MEMS技術(shù)（包括現(xiàn)在為美國郵寄的每一封信件進行炭疽篩查的MEMS設(shè)備），創(chuàng)辦MEMS初創(chuàng)公司。為了表彰他對MEMS領(lǐng)域的貢獻，Petersen獲得了2019年度IEEE榮譽獎?wù)隆?/p>

在遇到他的“真命天子——油墨”之后，Petersen開始研讀所有關(guān)于用硅材料制造微型機械器件的期刊文獻，例如IEEE Transactions on Electron Devices，Applied Physics Letters以及Journal of the Electrochemical Society等。當(dāng)時，這個技術(shù)類別甚至沒有自己的名稱，市場上只有少數(shù)幾種MEMS類型的產(chǎn)品。他發(fā)現(xiàn)，“當(dāng)時全世界只有數(shù)十人在研究用硅材料制造各種不同類型的微機械器件，并且還沒有建立這個技術(shù)領(lǐng)域的交流圈，做這項研究工作的人并不了解其他人的研究情況?！?/p>

然后，Petersen開始構(gòu)建自己的第一個MEMS器件。通過在顯微鏡下觀察一些噴墨打印機的噴頭，他發(fā)現(xiàn)，“當(dāng)有缺陷時，可以看到噴頭中留有的一些懸置的、非常薄的獨立二氧化硅梁。我想，哇，也許這些微小的機械結(jié)構(gòu)可以運動起來。也許它們可以偏轉(zhuǎn)光線，我可以利用它們打造一款光調(diào)制器！”他采用了類似當(dāng)今MEMS產(chǎn)品制造中的工藝流程，在外延硅的犧牲層上形成一層二氧化硅，然后蝕刻掉犧牲層，剩下的便是頂部有薄金屬層的二氧化硅懸臂梁。

他花了三個月時間制作了一些微觀調(diào)制器，每個調(diào)制器長約100微米，厚度為0.5微米。他把它們帶到了IBM掃描電子顯微鏡（SEM）實驗室，技術(shù)人員幫他完成了電氣連接，這樣他就可以給這些器件施加電壓并觀察它們的微觀運動。

“這簡直太神奇了！”Petersen回憶稱，“之前從未在顯微鏡下看到過這樣的運動。”

Petersen在接下來的五年里，利用硅片打造了許多不同類型的MEMS器件，包括MEMS加速度計和電氣開關(guān)。他從光學(xué)小組出來搬進了一個定制化設(shè)計的實驗室，這個實驗室正好可以容納他和一位實習(xí)生。

基于對文獻的深入挖掘和自己的研究，Petersen撰寫了一份關(guān)于這項新興技術(shù)的內(nèi)部報告?！坝性S多微型機械結(jié)構(gòu)可能會引起IBM的興趣，”他說，例如光學(xué)和機械磁盤驅(qū)動器讀寫頭，以及更復(fù)雜的噴墨打印頭。但是，IBM并不感興趣。

必讀：Petersen于1982年5月發(fā)表在Proceedings of the IEEE上的封面文章，使他成為MEMS技術(shù)的傳道者

Petersen很失望，但他也意識到這些MEMS器件并不是IBM任何業(yè)務(wù)的關(guān)鍵需求。因此，他重新編寫了報告，刪除了IBM的專有信息，然后將這份50頁的報告提交給了Proceedings of the IEEE。1982年5月，他的這篇報告“Silicon as a Mechanical Material”成為了封面文章，使MEMS成為了一種技術(shù)分支。

文章內(nèi)容很全面，探究了集成電路材料的機械性能，以及將這些材料蝕刻成不同形狀和結(jié)構(gòu)的各種方法?！拔恼逻€推測了后來的技術(shù)發(fā)展，比如深反應(yīng)離子刻蝕，該技術(shù)真正徹底改變了這個領(lǐng)域，”Petersen說，“即便到了現(xiàn)在，還有人跟我說正是閱讀了這篇文章，使他們對MEMS產(chǎn)生了濃厚的興趣?！?/p>

“在我讀研究生的時侯，我們都讀過這篇論文，”加州門洛帕克（Menlo Park, Calif.）SRI International現(xiàn)任首席技術(shù)官（CTO）Greg Kovacs說道，“他在MEMS領(lǐng)域做出了巨大的貢獻。比開創(chuàng)這個領(lǐng)域更重要的是，他指引了這個領(lǐng)域的發(fā)展。對于我來說，他就是我的超級英雄。”

自那篇論文發(fā)布后，Petersen應(yīng)邀在世界各地的研討會上演講，而各地的研究人員也紛紛來到Almaden造訪他?！叭澜缱龈鞣N各樣新奇研究的人（比如微流體低溫制冷器），都通過各種途徑找到了我，”他說。似乎一夜之間，他變成了MEMS技術(shù)的傳道者。

該技術(shù)領(lǐng)域在整個20世紀80年代一直穩(wěn)步發(fā)展。在Petersen的論文發(fā)表時，全世界大約有30到40名研究人員在研究這項技術(shù)。到1990年，他估計這一數(shù)字大約增長到了600位。此后，用于一次性血壓計和新型燃料控制化油器的壓力傳感器上市。航空航天產(chǎn)業(yè)開始使用基于MEMS的加速度計。第一批微機械噴墨打印頭開始批量生產(chǎn)。一批創(chuàng)業(yè)公司開始出現(xiàn)，渴望與該技術(shù)一起發(fā)展。Petersen說，該技術(shù)在1987年美國國家科學(xué)基金會的一場研討會上得到了現(xiàn)在的名稱MEMS。

初次創(chuàng)業(yè)，Transensory Devices

毫不意外，很多公司找上了Petersen。他終于接受了這個誘惑，于1982年聯(lián)合Jim Knutti創(chuàng)立了Transensory Devices，研發(fā)并制造MEMS器件。

他回憶說，放棄穩(wěn)定的大公司研究工作還是有些“后怕”的。當(dāng)時，Petersen有兩個年幼的兒子，所以財務(wù)穩(wěn)定是一個需要考慮的問題。這家初創(chuàng)公司的資金當(dāng)時不到100萬美元，最終來自州外的石油行業(yè)，而非硅谷投資者?！爱?dāng)時，硅谷有創(chuàng)業(yè)公司，但跟現(xiàn)在的環(huán)境可不一樣，那時獲得投資很困難，”他說。

其創(chuàng)業(yè)團隊搬進了一座位于加州弗里蒙特（Fremont, Calif.）占地280平方米的制造廠，并興建了一些自己的設(shè)備，包括用于封裝和保護硅晶圓的晶圓鍵合機。他們從大企業(yè)獲得合同來生產(chǎn)樣品，包括像Petersen在IBM時期制造的那些光調(diào)制器。此外，他們還開始開發(fā)自己的MEMS器件。

“我們展示了很多MEMS器件，”Petersen說，“但都沒有投入量產(chǎn)。”一款用于卡車運輸業(yè)的輪胎壓力傳感器已經(jīng)接近尾聲，但一起工作的主管卻去世了。其它產(chǎn)品甚至都沒有能夠接近商業(yè)化，Petersen把這一問題歸結(jié)為他和Knutti都沒有量產(chǎn)制造經(jīng)驗。

Transensory的訂單可以維持公司的運營，但Petersen希望將他自己的MEMS器件推向市場，是時候二次創(chuàng)業(yè)了。

梅開二度，創(chuàng)辦NovaSensor，成為“百萬富翁”

1985年，Petersen、Janusz Bryzek和Joseph Mallon從油田服務(wù)業(yè)巨頭斯倫貝謝（Schlumberger）獲得了500萬美元資金創(chuàng)辦了NovaSensor公司。Bryzek此前曾聯(lián)合創(chuàng)辦過兩家開發(fā)MEMS壓力傳感器的公司。Petersen說，“Janusz及其合作伙伴擁有Transensory所缺乏的生產(chǎn)和制造DNA?！?/p>

NovaSensor開始著手打造三種類型的MEMS壓力傳感器：一種用于航空航天產(chǎn)業(yè)，另一種用于石油產(chǎn)業(yè)，以及一種沒有特定市場的高溫壓力傳感器。后來證明，最后一款器件最成功，它甚至進入了航天飛機的輪胎?！拔覀冋业搅艘环N使用MEMS工藝將電阻與基板隔離的方法，”Petersen回憶稱。他認為這個壓力傳感器是全球第一款絕緣體上硅（SOI）MEMS器件，后來這種技術(shù)才開始逐漸普及。

Lucas Industries于1991年收購了NovaSensor，這次收購使Petersen成為了“MEMS百萬富翁”。中間幾經(jīng)易手，NovaSensor的產(chǎn)品線現(xiàn)在由安費諾（Amphenol）銷售。

后來，Petersen繼續(xù)留任多年，以獲取他的股份權(quán)益。在此期間，他專注于熔融鍵合技術(shù)研究，該工藝涉及蝕刻具有不同圖案的兩個晶圓然后將它們鍵合在一起。該工藝可以創(chuàng)建極其復(fù)雜的器件，例如MEMS陀螺儀。下圖展示的板簧結(jié)構(gòu)便是用這個工藝制造的第一款器件，Petersen的名片上一直放著這款器件。

上圖展示了Kurt Petersen或他創(chuàng)辦的公司制造的MEMS器件，從上左順時針看分別是用硅熔融鍵合工藝制成的導(dǎo)管尖端壓力傳感器，于1990年左右在NovaSensor制造；在IBM Research時期構(gòu)建的CMOS/MEMS集成加速度計；采用深反應(yīng)離子蝕刻制成的微流控結(jié)構(gòu)原型，于1993年在NovaSensor制造；用于流量傳感器的加熱橋元件，于1984年在Transensory Devices制造；由單晶硅制成的板簧結(jié)構(gòu)，于1993年在NovaSensor制造。

當(dāng)Petersen于1995年離開NovaSensor時，MEMS壓力傳感器已被廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)，包括水肺潛水設(shè)備和暖通空調(diào)（HVAC）控制系統(tǒng)等，而MEMS加速度計也已經(jīng)開始出現(xiàn)在汽車安全氣囊的碰撞傳感系統(tǒng)中。

跨界微流控，創(chuàng)辦Cepheid，2016年被生命科學(xué)巨頭丹納赫（Danaher）以40億美元收購

當(dāng)Petersen離開NovaSensor時他還沒有計劃好接下來的安排。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究員Allen Northrup向他建議，MEMS器件或能大幅加速聚合酶鏈反應(yīng)（PCR），這在當(dāng)時是一種相對很新的復(fù)制DNA序列的方法。Petersen妻子的好友Bill McMillan曾在生物科技公司工作，他證實了PCR的前景。為此，Petersen開始草擬一項計劃，以縮減PCR設(shè)備的尺寸和成本，旨在制造一款可以放在每個醫(yī)生辦公室的手持設(shè)備。

他和McMillan在帕洛阿爾托（Palo Alto）的加州咖啡館共進了午餐。Petersen說：“我給了他一些想法，他便開始在紙墊上繪制了商業(yè)計劃書。”現(xiàn)在Petersen還保留著這份“商業(yè)計劃書”。

Petersen于1982年發(fā)表的論文暗示了深反應(yīng)離子刻蝕的可能性，可以在硅中創(chuàng)建比傳統(tǒng)芯片制造工藝更深的孔和溝槽。于是，他開始將深反應(yīng)離子刻蝕應(yīng)用于微流控芯片，這種微流控芯片可以使微量的液體沿著微通道精確地傳送。

“我們的想法是利用MEMS和微流控技術(shù)來非常快速地加熱、冷卻樣品，有可能使PCR設(shè)備變得足夠小而且快速，以至于可以在每個醫(yī)生的辦公室用它進行診斷，”Petersen說。

為了使該技術(shù)商業(yè)化，Petersen于1996年共同創(chuàng)立了Cepheid公司，并從利弗莫爾實驗室（Livermore Labs）獲得了基礎(chǔ)技術(shù)的授權(quán)。1997年，Cepheid公司從美國國防部（U.S. Department of Defense）獲得了320萬美元資金，美國國防部急需一種生物武器探測器。Cepheid推出的第一款設(shè)備Smart Cycler，采用了一種MEMS結(jié)構(gòu)快速加熱、冷卻微升級的液體，并使用熒光傳感器監(jiān)測反應(yīng)進程。不過，這還不是一款手持設(shè)備，但這并不重要。自動化PCR過程，更為重要。

Cepheid的下一款產(chǎn)品名為GeneXpert，旨在使PCR變得更加簡單。它可以自動從生物樣本中提取DNA，然后添加相關(guān)測試所需要的試劑。

2000年6月，正當(dāng)美國科技泡沫破滅之際，Cepheid公司成功上市。Petersen說：“我們是市場萎縮之前，最后成功上市的科技公司之一。”

憑借公司上市獲得的資金，該團隊將Smart Cycler投入量產(chǎn)，到2001年夏季末，他們已經(jīng)交付了大約80套系統(tǒng)。GeneXpert仍在繼續(xù)開發(fā)，第一臺原型機于2001年12月推出。

GeneXpert是世界上第一個將樣品制備、擴增與檢測完全整合的定量PCR儀，使得即使不具備專業(yè)技術(shù)的人員也可以在各種環(huán)境下進行復(fù)雜的分子檢測。

后來，美國發(fā)生了炭疽襲擊。2001年9月底和10月，含有炭疽孢子的信件被郵寄給美國新聞媒體和美國參議院成員，最終感染20多人，并導(dǎo)致5人死亡。

Cepheid之前就已經(jīng)確定，炭疽病毒為其技術(shù)可以快速檢測的物質(zhì)之一，這使該公司突然成為新聞熱門。Petersen回憶說：“我們與Sanjay Gupta博士在‘早安美國（Good Morning America）’和CNN進行了現(xiàn)場PCR檢測。”

美國郵政局擔(dān)心未來再次發(fā)生通過郵件的生物攻擊，邀請所有擁有生物探測技術(shù)的公司來展示他們的產(chǎn)品。2001年12月，Cepheid對其設(shè)備完成了測試。“它的表現(xiàn)非常完美，”Petersen說。

經(jīng)過數(shù)月的額外測試，Cepheid與諾斯洛普·格魯門公司（Northrop Grumman）合作打造了一款PCR生物檢測器，可以很容易地連接到郵件分揀機。Petersen說，該產(chǎn)品于2003年推出，如今美國所有的郵件仍在利用Cepheid公司的設(shè)備進行炭疽篩查?，F(xiàn)在，Cepheid公司的系統(tǒng)主要用于醫(yī)療診斷，包括鏈球菌、諾如病毒、流感和衣原體等。Cepheid公司正在銷售20多款經(jīng)美國食品和藥物管理局（FDA）批準的診斷測試產(chǎn)品。

再出發(fā)！打造全球MEMS時鐘解決方案領(lǐng)導(dǎo)者SiTime

到了2003年，Petersen已經(jīng)為下一步規(guī)劃做好了準備。這次，他想探索硅諧振器，這些器件可以為精確時鐘產(chǎn)生恒定的頻率?！爱?dāng)我還在IBM時，我已經(jīng)構(gòu)建了第一批MEMS諧振器，但它們還不夠好，無法與石英晶體振蕩器競爭，”他說。

Tom Kenny、Markus Lutz和Aaron Partridge三位研究人員，開發(fā)了一種更好的方案。Petersen說：“這些家伙用單晶硅制造諧振器，這是世界上最完美的材料。多晶材料在受到應(yīng)力時會在晶界處產(chǎn)生輕微的位移。即使只是一個或兩個原子隨時間的移動也會引起機械性能的變化。單晶硅不會隨時間變化，但其共振頻率會隨溫度而變化，因此挑戰(zhàn)在于如何消除溫度依賴性。”

有意思的是，Petersen、Kenny、Lutz、Partridge和Joe Brown（曾在Transensory和NovaSensor與Petersen合作的IBM前同事），又一次來到了加州咖啡館用餐，并在另一張紙墊上起草了新的商業(yè)計劃書。關(guān)于這項技術(shù)，行業(yè)巨頭羅伯特博世（Robert Bosch）擁有一些核心知識產(chǎn)權(quán)，因此除了引進投資者外，Petersen不得不說服德國的博世高管授權(quán)該技術(shù)。

“我去德國斯圖加特與博世集團董事會舉行了一次大型會議，”Petersen說，“我告訴他們，‘這就是我要做的，創(chuàng)業(yè)我很有經(jīng)驗。我最近創(chuàng)辦的公司正在為全美所有的郵件篩查炭疽病毒’”。最后，博世董事會不僅同意授權(quán)該技術(shù)，還同意進行大筆投資。

新公司SiTime于2004年12月成立，旨在推動數(shù)十億美元的時鐘產(chǎn)業(yè)從石英轉(zhuǎn)向硅。SiTime于2007年出貨了首款硅諧振器。如今，其MEMS振蕩器已廣泛應(yīng)用于各類移動設(shè)備及許多其他電子儀器。

2008年，SiTime的運營情況很順利，這時Petersen的Cepheid公司聯(lián)合創(chuàng)始人之一McMillan，帶著另一個創(chuàng)業(yè)想法找到了Petersen，希望一起打造一款植入式連續(xù)血糖監(jiān)測儀。Petersen說：“30多年來，人們一直在努力實現(xiàn)植入式連續(xù)血糖監(jiān)測，但是還沒有人成功。一旦植入傳感器，人體會開始用膠原蛋白將其隔離，最終阻止血液中的葡萄糖到達傳感器。”

為此，McMillan與杜克大學(xué)（Duke University）研究員Natalie Wisniewski合作，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)，并利用熒光讀數(shù)來測量葡萄糖濃度。于是，Petersen重拾他的光學(xué)老本行，幫助產(chǎn)品開發(fā)，并在這家名為Profusa的創(chuàng)業(yè)公司待了一年?，F(xiàn)在，該公司大約有30名員工，2018年8月剛剛完成了4500萬美元C輪融資。

從成功的連續(xù)創(chuàng)業(yè)者，轉(zhuǎn)型天使投資人

Petersen說，這應(yīng)該是他最后一次全職出場，“我只是不想再做日常的公司事務(wù)了。我開始做天使投資，這個工作更有意思。”

科技天使：現(xiàn)在Petersen致力于為初創(chuàng)公司提供投資和建議，“每天都與幾位創(chuàng)業(yè)者見面溝通，這很有意思，”他說。

不過，后來又有一支新團隊，他似乎無法拒絕。兩位來自伯克利（Berkeley）的學(xué)生開發(fā)出了一種用于MEMS諧振器的新技術(shù)，他們正在努力將其商業(yè)化。Petersen和K.G. Ganapathi加入了這兩位學(xué)生的公司，公司后來更名為Verreon，Petersen擔(dān)任了首席技術(shù)官，幫助協(xié)調(diào)該公司在2010年出售給高通（Qualcomm）。

這是Petersen第三次擔(dān)任首席技術(shù)官或同等職位。在他所有的創(chuàng)業(yè)公司中，他只在SiTime擔(dān)任過一次首席執(zhí)行官（CEO）。“在NovaSensor，另兩位想擔(dān)任總裁，”與該公司合作的營銷顧問Roger Grace說，“Kurt并不在意，他擔(dān)任了首席技術(shù)官。他不是一個以自我為導(dǎo)向的人。”

“在MEMS領(lǐng)域，所有人對Kurt都是稱頌有加，因為他是如此善良、有思想且樂于助人，”Grace評價說，“聰明的人很多，但Kurt是獨一無二的，他非常成功卻又如此謙遜。在他身邊，就像穿著最舒適的鞋那樣讓人舒心。”

Ganapathi完全同意Grace的觀點，他說：“通常情況下，你找不到像Kurt那樣成功并且非常受歡迎的人。”

如今，Petersen又回歸天使投資，瞄準MEMS以及醫(yī)療器械和生物技術(shù)。他表示，他已經(jīng)投資了大約70家公司，其中近一半已經(jīng)證明是成功的，他的投資已經(jīng)獲得了350%的回報。這一數(shù)字著實非常驚人。根據(jù)最近的一項研究，擁有廣泛投資組合的長期天使投資人，他們的典型回報率約為250%。

“這家伙有一種不可思議的能力，能夠敏銳地嗅出什么項目最終能成為可商業(yè)化的產(chǎn)品。盡管可能還需要3年甚至15年的培育，但他就是有這個判斷能力，”Ganapathi說。

Petersen于2012年加入Silicon Valley Band of Angels，這是一個僅限邀請的投資集團，約有200名投資者，他們會定期碰頭交流并分享信息。他現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)著硬件小組。他還在兩家公司的董事會任職，并擔(dān)任其他十幾家公司的顧問導(dǎo)師。他每天都會和他的幾位顧問會面，通過電話與加拿大和東海岸的公司保持聯(lián)系。

71歲的Petersen現(xiàn)在還看不到什么時候會退休?！捌髽I(yè)家們總是精力充沛，充滿活力，雄心壯志，圍繞他們工作太有趣了！”Petersen如是說。