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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，當時他剛拿到麻省理工學院電氣工程專業的博士學位，在位于美國加州的IBM阿爾瑪登研究中心工作。他是該中心光學研究小組的一員。不過，他時常覺得很無聊，有一天，他漫步于巨大的建筑群中，然后發現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。
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。最后他發現，這塊污漬是由溢出的墨水形成的。這是一家研發噴墨打印機噴嘴的實驗室，研發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硅基微型加速器的廣告。突然間，一個更大的場景浮現在他的腦海中：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（MEMS）。彼得森也想制造MEMS。
于是，他開啟了全新的職業道路——專攻MEMS技術，包括現在用來掃描美國境內所有郵寄信件以防炭疽病菌的裝置，并創建了MEMS企業。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。
發現那灘墨漬后不久，彼得森開始閱讀他能找到的所有有關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）、《應用物理學快報》（Applied Physics Letters）和《電化學會會雜志》（Journal of the Electrochemical Society）。當時這類裝置還沒有具體的名稱，市場上也只有幾種MEMS產品。他發現“世界各地有很多人已經用硅制成了不同的機械裝置，但是還沒有形成相關群體。研究這類裝置的大部分人相互之間并不了解。”
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、獨立且非常細的二氧化硅柱。我就想，這些微小的機械結構也許可以四處移動。它們也許能讓光轉向，我可以做一個調光器。”他的研發過程與今天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節器，每個調節器長約100微米，厚約0.5微米。他將這些調節器帶到配有IBM掃描電子顯微鏡的實驗室，那里的一位技術人員幫他安好了電線，然后他給這些裝置接通了電源，觀察它們的運轉情況。
“她都著迷了。”彼得森回憶道，“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。他離開光學研究小組，進入了一家特別定制實驗室，只能容納他和一名實習生。
根據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于新興技術的內部報告。“很多機械結構對IBM而言可能都有價值。”他說，比如光學和機械磁盤驅動器的讀寫頭以及更復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的關鍵業務。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分支。
這篇論文涉及的內容很全面，對集成電路材料的機械性能以及將這類材料蝕刻成相應形狀和結構的各種方式都進行了論述。“文章對未來可能出現的事物進行了推斷，例如深反應離子刻蝕（DRIE），這項技術為該領域帶來了徹底變革。”他說，“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產生了濃厚興趣。”
“讀研究生時我們就都讀過這篇文章。”現任斯坦福國際研究院首席技術官的格雷格?科瓦奇（Greg Kovacs）說，該研究院位于美國加州門洛帕克。“他在MEMS領域發揮了巨大作用。他所完成的工作比開創這一領域更為重要，他推動了這一領域的發展。于我而言，他是一位超級英雄。”
《IEEE會報》論文一經發表，彼得森就被邀請到世界各地的會議上發言，而且研究員紛紛來阿爾瑪登想一睹作者尊容。“進行各種瘋狂研究的人都會以某種方式與我取得聯系，比如微流體低溫致冷器的研究人員。”他說。他似乎在一夜之間變成了MEMS技術掌門人。
這一領域在20世紀80年代一直穩步發展。彼得森的論文發表時，全球約有三四十個人在研究這項技術。到1990年，他估計研究這項技術的人約有600名。市場上出現了用于一次性血壓監測儀和新型燃油控制化油器的壓力傳感器。航天工業中也開始采用基于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。當時出現了很多創業公司，它們渴望與這項技術一起發展。彼得森說，1987年美國國家科學基金會研討會對該領域進行了正式命名。
不出所料，有幾家公司聯系了彼得森。最后他接受了邀請，于1982年與吉姆?克紐蒂（Jim Knutti）聯合創建了Transensory Devices公司，進行MEMS裝置的研發與制造。
他回憶說，放棄企業內穩定的研究工作讓他感覺“緊張不安”。他有兩個年幼的兒子，因此經濟保障很重要。約100萬美元的創業資金最后來自外州的石油投資商，而非硅谷投資商。“當時硅谷也有一些創業公司，但完全不是今天這個樣子。那時候籌資是件很困難的事情。”他說。
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備，包括用于封裝和保護硅晶圓的晶片鍵合設備。他們與大公司簽訂合同，為其生產樣品，包括彼得森在IBM制作的那種調光器。同時，他們開始研發自己的MEMS裝置。
“我們當時論證了很多裝置，”彼得森說，“但是都沒有投入生產。”有一次，用于卡車運輸業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。彼得森認為，正是由于自己和克紐蒂都缺乏制造經驗，他們的研究成果才沒有能夠實現商業化。
合同制生產使Transensory公司運轉平穩，但是彼得森仍希望將自己的MEMS裝置推向市場。他認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）一起創建了NovaSensor公司，500萬美元的啟動資金來自油田服務巨頭斯倫貝謝。布瑞澤克之前與人合辦過兩家研發MEMS壓力傳感器的公司。“詹科斯基和他的合伙人擁有生產和制造經驗”，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，另有一種用于石油工業，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。“我們發現了一種運用MEMS工藝將電阻器與基質隔離的方法。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。”彼得森說。他認為此款傳感器是首款硅晶絕緣體設備，這種設備從那以后得到了普遍運用。
1991年，盧卡斯工業有限公司收購了NovaSensor，此舉使彼得森躋身“MEMS百萬富翁”之列。NovaSensor公司的生產線現在由安費諾公司銷售。
隨后的幾年內，彼得森所持股權份額繼續增加。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備的照片。
MEMS先生的微機電系統
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)采用硅熱鍵合技術制成的導管端壓力傳感器，大約在1990年由Nova-Sensor公司制造;互補金屬氧化物半導體/MEMS集成加速器，在IBM研究中心制成;采用深反應離子刻蝕技術制成的原型微流體結構，大約在1993年由NovaSensor制造;質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構，大約1993年在No- vaSensor公司內展示。
1995年彼得森離開NovaSensor時，MEMS壓力傳感器已在多種系統中得到了廣泛應用，包括潛水設備和暖通控制系統，MEMS加速器則剛開始用于汽車安全氣囊中的碰撞感知系統。
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式反應（PCR），PCR是一種相對較新的復制DNA序列的方法。彼得森妻子的朋友、從事生物技術領域工作的比爾?麥克米倫（Bill McMillan）確認了PCR的發展前景。隨后，彼得森開始著手擬定一項降低PCR機械體積和成本的計劃，目標是制造出醫生在辦公室內就能使用的手持設備。
他和麥克米倫在帕洛阿爾托的白玉蘭咖啡廳共進午餐。“我給他大概介紹了一下我的想法，他就開始在紙質餐墊上描繪商業計劃。”彼得森說。他至今仍保存著那個餐墊。
彼得森1982年發表的論文中就暗示了深反應離子刻蝕的可能性，與傳統的芯片生產流程相比，這一技術能夠在硅材料中刻出更深的孔洞和凹槽。他開始將深反應離子刻蝕應用在微流體芯片中，將微量液體送入精確的通道內。
“我們當時有個想法，可以利用MEMS技術和微流體快速加熱和冷卻樣品，以制成體積小但響應快的PCR設備，讓醫生可以在辦公室內用它進行診斷。”彼得森說。
為實現技術的商業化，彼得森在1996年與他人共同創辦了Cepheid公司，并從勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室獲得了基礎技術的許可。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出生物武器探測器。Cepheid公司研發的第一個設備叫Smart Cycler，它采用MEMS結構實現了幾微升液體的快速加熱和冷卻，同時利用熒光傳感器監測反應的進度。它不是手持設備，但這并不是問題。更重要的是，它使PCR過程實現了自動化。
Cepheid公司的第二個產品是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。”彼得森說。
通過公開發售股票，該公司獲得了足夠的資金，團隊將Smart Cycler投入生產。2001年夏季接近尾聲時，該公司已經完成80套設備的發貨。在2001年12月第一臺樣機產生后，GeneXpert的研發工作仍在逐步推進。
后來美國發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，最終導致20多人感染，5人喪生。
當時，Cepheid公司已經確定其技術能夠快速檢測炭疽細菌，于是一夜成名。“我們和桑賈伊?古普塔（ Sanjay Gupta）博士一起通過《早安美國》節目和美國有線電視新聞網進行了現場PCR試驗。”彼得森回憶道。
美國郵政部門擔心未來再出現信件攜帶的生物襲擊，于是邀請所有掌握生物傳感器技術的公司展示其產品。Cepheid公司的裝置于2001年12月通過測試。“當時運行完美。，”彼得森說。
經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。現在，該公司的系統主要用于鏈球菌、諾瓦克病毒、流感、衣原體等相關的醫療診斷。該公司所銷售的經美國食品藥品監督管理局批準且適用于Cepheid機器的測試超過20項。
到了2003年，彼得森已經做好了開啟事業新篇章的準備。這次，他想開發硅質諧振器，這種設備能夠產生恒定頻率，可用于精確定時。“在IBM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。“他們采用單晶硅制造諧振器，這是世界上最完美的材料。”彼得森說，“多晶材料受到壓力時會在晶界處產生微小的移位。隨時間的推移，即便只有一兩個原子產生位移，也會導致機械性能發生變化。”而單晶硅不會隨時間發生改變，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，再次在紙質餐墊上起草了一份商業計劃。羅伯特?博世股份有限公司擁有部分核心知識產權，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，以獲得技術許可。
“在斯圖加特，我與他們的董事會召開了一次大型會議。”他說，“我告訴他們，‘我做的事就是這些。我創辦了公司，我們公司的設備負責全美國所有信件的炭疽篩查。’他們的董事會不僅同意了技術許可，還對我們公司進行了重大投資。”
新公司SiTime成立于2004年12月，目標是將定時行業所用的數十億美元的材料從石英變為硅。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備及其他電子儀器的定時系統。
2008年，正當SiTime經營良好的時候，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業想法：研發一種可植入式連續血糖監測儀。“人們已經為之努力了30年，但是沒有人獲得成功。”彼得森說。一旦傳感器植入身體內部，“身體就會使用膠原將其隔離，最終阻止血糖接觸傳感器。”他解釋說。
因此，麥克米倫與杜克大學的研究員納塔利?維斯尼斯基（Natalie Wisniewski）合作，并提出了一種解決方案：使用結構化水凝膠來避免異物反應，并采用熒光讀數的方式測量血糖濃度。彼得森利用之前所學的光學知識為該產品的開發提供了幫助，并在創業公司Profusa呆了一年。這家公司現在約有30名員工，資金總額為1億美元。
彼得森說，經營這家公司將成為他的最后一份全職工作。“我只是不想繼續處理公司的日常業務。我開始進行天使投資，這更有意思。”
他也無法抗拒再建一個團隊的誘惑。伯克利分校的兩名學生開發了MEMS諧振器相關技術，但是一直苦于無法實現該技術的商業化。彼得森和K.G. 加納帕蒂（K.G. Ganapathi）加入了這兩名學生的公司，之后，該公司改名為Verreon，彼得森擔任公司的首席技術官，幫助協調該公司2010年針對高通的銷售業務。
這是彼得森第三次擔任首席技術官或類似職務。在他所有的創業公司中，他只在SiTime公司擔任過首席執行官。“在NovaSensor公司時，其他兩個人想做董事長。”該公司的營銷顧問羅杰?格雷斯（Roger Grace）說，“庫爾特并不在乎，他擔任了首席技術官。他不是個自以為是的人。”
“在MEMS領域，人們都對庫爾特稱贊有加，他非常和藹、體貼、樂于助人。”格雷斯說，“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。”
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。”
目前，彼得森又回到了天使投資的大業中，他的投資目標是MEMS公司、醫療器械和生物技術領域。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，能夠察覺出有發展前景的產品。一種產品需要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。”加納帕蒂說。
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。現在，他是該組織硬件分部的負責人。同時，他還是兩家公司的董事，并在其他幾十家公司擔任顧問。他每天會與數名前來咨詢的人會面，并與加拿大及美國東部沿海地區的公司電話聯系。
彼得森今年已經71歲，但他并沒有要退休的意思。“企業家們富有活力、充滿干勁并且雄心勃勃，與他們打交道是一件樂事。”他說。
作者：Tekla S. Perry
審核編輯：黃飛
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