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研究中心的光學部門。有一天，當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，關于在硅片上制造微型加速度計的一項研究。他意識到當時已經(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。現(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（包括現(xiàn)在為美國郵寄的每一封信件進行炭疽篩查的MEMS設備），創(chuàng)辦MEMS初創(chuàng)公司。為了表彰他對MEMS領域的貢獻，Petersen獲得了2019年度IEEE榮譽獎章。

在遇到他的“真命天子——油墨”之后，Petersen開始研讀所有關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。當時，這個技術類別甚至沒有自己的名稱，市場上只有少數(shù)幾種MEMS類型的產品。他發(fā)現(xiàn)，“當時全世界只有數(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領域的交流圈，做這項研究工作的人并不了解其他人的研究情況。”

然后，Petersen開始構建自己的第一個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構可以運動起來。也許它們可以偏轉光線，我可以利用它們打造一款光調制器！”他采用了類似當今MEMS產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制器，每個調制器長約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。他從光學小組出來搬進了一個定制化設計的實驗室，這個實驗室正好可以容納他和一位實習生。

基于對文獻的深入挖掘和自己的研究，Petersen撰寫了一份關于這項新興技術的內部報告。“有許多微型機械結構可能會引起IBM的興趣，”他說，例如光學和機械磁盤驅動器讀寫頭，以及更復雜的噴墨打印頭。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)務的關鍵需求。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成為了一種技術分支。

文章內容很全面，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構的各種方法。“文章還推測了后來的技術發(fā)展，比如深反應離子刻蝕，該技術真正徹底改變了這個領域，”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產生了濃厚的興趣。”

“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)任首席技術官（CTO）Greg Kovacs說道，“他在MEMS領域做出了巨大的貢獻。比開創(chuàng)這個領域更重要的是，他指引了這個領域的發(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。“全世界做各種各樣新奇研究的人（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技術的傳道者。

該技術領域在整個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。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。一批創(chuàng)業(yè)公司開始出現(xiàn)，渴望與該技術一起發(fā)展。Petersen說，該技術在1987年美國國家科學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。當時，Petersen有兩個年幼的兒子，所以財務穩(wěn)定是一個需要考慮的問題。這家初創(chuàng)公司的資金當時不到100萬美元，最終來自州外的石油行業(yè)，而非硅谷投資者。“當時，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)獲得合同來生產樣品，包括像Petersen在IBM時期制造的那些光調制器。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。”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。其它產品甚至都沒有能夠接近商業(yè)化，Petersen把這一問題歸結為他和Knutti都沒有量產制造經(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所缺乏的生產和制造DNA。”

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業(yè)，另一種用于石油產業(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。“我們找到了一種使用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，以獲取他的股份權益。在此期間，他專注于熔融鍵合技術研究，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)建極其復雜的器件，例如MEMS陀螺儀。下圖展示的板簧結構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管尖端壓力傳感器，于1990年左右在NovaSensor制造；在IBM Research時期構建的CMOS/MEMS集成加速度計；采用深反應離子蝕刻制成的微流控結構原型，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構，于1993年在NovaSensor制造。

當Petersen于1995年離開NovaSensor時，MEMS壓力傳感器已被廣泛應用于各種系統(tǒng)，包括水肺潛水設備和暖通空調（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年被生命科學巨頭丹納赫（Danaher）以40億美元收購

當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（PCR），這在當時是一種相對很新的復制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，他開始將深反應離子刻蝕應用于微流控芯片，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和微流控技術來非常快速地加熱、冷卻樣品，有可能使PCR設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）獲得了基礎技術的授權。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推出的第一款設備Smart Cycler，采用了一種MEMS結構快速加熱、冷卻微升級的液體，并使用熒光傳感器監(jiān)測反應進程。不過，這還不是一款手持設備，但這并不重要。自動化PCR過程，更為重要。

Cepheid的下一款產品名為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，然后添加相關測試所需要的試劑。

2000年6月，正當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，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)技術的人員也可以在各種環(huán)境下進行復雜的分子檢測。

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，并導致5人死亡。

Cepheid之前就已經(jīng)確定，炭疽病毒為其技術可以快速檢測的物質之一，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的公司來展示他們的產品。2001年12月，Cepheid對其設備完成了測試。“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，該產品于2003年推出，如今美國所有的郵件仍在利用Cepheid公司的設備進行炭疽篩查。現(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）批準的診斷測試產品。

再出發(fā)！打造全球MEMS時鐘解決方案領導者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生恒定的頻率。“當我還在IBM時，我已經(jīng)構建了第一批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。多晶材料在受到應力時會在晶界處產生輕微的位移。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。關于這項技術，行業(yè)巨頭羅伯特博世（Robert Bosch）擁有一些核心知識產權，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該技術。

“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該技術，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)十億美元的時鐘產業(yè)從石英轉向硅。SiTime于2007年出貨了首款硅諧振器。如今，其MEMS振蕩器已廣泛應用于各類移動設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（Duke University）研究員Natalie Wisniewski合作，提出了一種解決方案，使用結構化水凝膠來避免異物反應，并利用熒光讀數(shù)來測量葡萄糖濃度。于是，Petersen重拾他的光學老本行，幫助產品開發(fā)，并在這家名為Profusa的創(chuàng)業(yè)公司待了一年。現(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，轉型天使投資人

Petersen說，這應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）的學生開發(fā)出了一種用于MEMS諧振器的新技術，他們正在努力將其商業(yè)化。Petersen和K.G. Ganapathi加入了這兩位學生的公司，公司后來更名為Verreon，Petersen擔任了首席技術官，幫助協(xié)調該公司在2010年出售給高通（Qualcomm）。

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

“在MEMS領域，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。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)在領導著硬件小組。他還在兩家公司的董事會任職，并擔任其他十幾家公司的顧問導師。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。“企業(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。