這是2028年。星期三晚上8點，你餓壞了。你盯著冰箱里僅剩的食物：一包令人沒胃口的灰色香腸。它原本就是這樣的嗎？還能安全食用嗎？在2018年，你只能依靠自己的嗅覺來賭上一把。而在2028年，你只需在包裝上方搖動智能手機。智能手機會詢問包裝內(nèi)嵌入的傳感器，該傳感器可測量肉類分解的有關(guān)氣體濃度。智能手機上會顯示“未來20小時內(nèi)可安全食用”的信息，然后提供一份香腸烹飪食譜。你餓得連菜譜都來不及看，就撕開包裝，把香腸扔進煎鍋里，扔掉它的包裝，以及高技術(shù)傳感器。
這個用智能手機救場的虛構(gòu)場景，只是物聯(lián)網(wǎng)可能出現(xiàn)的諸多應用之一。低成本、低功耗元件，特別是微處理器、蜂窩無線電、Wi-Fi無線電和微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的融合，使物聯(lián)網(wǎng)今天已經(jīng)成為可能。此外，聚合消費者行為的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（即大數(shù)據(jù)）也是一個經(jīng)過驗證的市場。追蹤和分析電子行業(yè)的研究公司IHS markit預測，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將增長4倍以上，從2017年的270億增至2030年的1 250億。
要說這會刺激半導體行業(yè)的發(fā)展，這種說法并不準確。這種刺激說法基于一個重要假設(shè)——所有這些元件都將使用硅，利用現(xiàn)有的價值10億美元的芯片工廠（即晶圓工廠）制造。但這種假設(shè)是錯誤的。能夠嗅出未來香腸安全性的一次性傳感器不會用硅制造。而是會直接印在紙質(zhì)或塑料包裝上。
目前物聯(lián)網(wǎng)應用的傳感器基于MEMS。MEMS傳感器采用最初制造半導體集成電路的方法制作在硅片上，它利用微觀機械結(jié)構(gòu)來探測運動、聲音、壓力、光，甚至特種氣體。通過小于100微米（相當于人類頭發(fā)的直徑）的薄膜、懸梁、振動體或迂回通路，對物理刺激作出反應，然后將其轉(zhuǎn)換為電子信號。MEMS傳感器連接到無線電和天線后，可以將電子數(shù)據(jù)以無線形式發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。
MEMS傳感器芯片的尺寸通常只有1或2毫米，這意味著在直徑為200毫米的硅片上可以經(jīng)濟地生產(chǎn)成千上萬的芯片。目前，大容量MEMS傳感器（如麥克風和陀螺儀）的價格僅為0.10至0.50美元。這使得它們適用于智能手機、健身追蹤器和其他售價100美元左右的消費電子產(chǎn)品。
對于食品包裝、醫(yī)療檢測或智能服裝等成本低于10美元的一次性產(chǎn)品，從經(jīng)濟性上考慮，傳感器成本應降到僅為0.01美元。換句話說，MEMS傳感器的價格需要達到目前價格的1/10，才能廣泛應用于這種低成本物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。
盡管硅MEMS制造的成本還有很大的降幅空間，但最終還是會受到硅本身成本的限制。目前，在直徑200毫米的晶圓片上制作的MEMS傳感器尺寸為1毫米×1毫米，包含約0.002美元的半導體級硅成本。
我們通過簡單的數(shù)學題來闡釋這一問題。（如果不想看，可直接跳至下一段。）如果1平方毫米的傳感器的售價為0.01美元，那么制造商制造該傳感器的成本不應超過0.007美元，因為大多數(shù)制造商希望在銷售該傳感器時至少能獲得30%的利潤率，即0.003美元的利潤。根據(jù)當今制造傳感器的經(jīng)驗法則，MEMS芯片的成本約為最終傳感器成品成本的30%，其余70%的成本用于傳感器的包裝、測試、電子數(shù)據(jù)讀出和校準。因此， MEMS芯片的成本就只能為0.007美元的30%，即約0.002美元。最后，硅材料大約占未包裝MEMS芯片成本的20%。這留給傳感器硅的預算僅為0.000 4美元。
換句話說，要制造一個售價為0.01美元的MEMS傳感器，硅的成本要只有現(xiàn)在的1/5?？v觀硅的歷史價格趨勢，價格似乎不太可能下跌這么多。（事實上，在2006年至2010年的光伏產(chǎn)業(yè)熱潮期間，硅的價格比如今高十多倍。）縮小MEMS芯片以達0.01美元的價格目標也不會奏效。由于MEMS設(shè)備依賴硅、液體和氣體的機械性能，如果把它們大幅縮小，那么大多數(shù)MEMS設(shè)備都無法工作。相反，我們制造傳感器必須用比硅便宜得多的材料。
綜觀所有產(chǎn)業(yè)，市場力量總是驅(qū)使制造商轉(zhuǎn)向使用低成本材料。在汽車中，金屬零件被塑料取代；在家具領(lǐng)域，皮革被乙烯樹脂取代；在電子產(chǎn)品中，LED的基板從藍寶石轉(zhuǎn)變?yōu)楣琛?br/>
現(xiàn)在，甚至MEMS傳感器也使用塑料和紙質(zhì)材料。在這些簡單的基板上制造電子設(shè)備似乎是很激進的新想法，其實不然。這一先例可追溯至近40年前，西屋電器的T. 彼得?布洛迪（T. Peter Brody）與德里克?P. 佩琦（Derrick P. Page）首次在紙質(zhì)基板上制造出薄膜晶體管（TFT）。他們設(shè)想使用精密卷軸對位印刷方法生產(chǎn)電子紙質(zhì)文件和可植入的醫(yī)療器材。
研究人員多年來一直致力于紙和塑料傳感器的研究，降低傳感器的成本并不是他們唯一的目的。競爭性的聯(lián)邦資金引導研究人員探索無須潔凈室和特殊工具的微型工藝技術(shù)。另外，為了侵入性醫(yī)療應用，人們對使用比硅更柔軟、可生物降解的材料制造傳感器的興趣也在提升。隨著電子產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)的普遍應用，發(fā)展中國家越來越需要使用最廉價的材料——紙。
產(chǎn)品工程的一項原則就是，能用鐵錘做的，就不要用金錘來做。在物聯(lián)網(wǎng)應用中，柔韌性、低成本以及用后可丟棄是必需的，但傳感指標卻不那么嚴格，塑料和紙質(zhì)傳感器將以誘人的價格出色地完成這項工作。
物聯(lián)網(wǎng)傳感器有兩個重要組成部分：一是傳感器本身，它可以檢測特定的物理或化學事件；二是遙測單元，它可以將傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。遙測裝置可能不需要電池，而是依靠無源天線線圈將數(shù)據(jù)電感傳輸?shù)礁浇纳漕l識別設(shè)備（RFID）或近場通信（NFC）閱讀器。該裝置也可能有電池、無線發(fā)送設(shè)備和天線，可以在手機、Wi-Fi或藍牙頻率范圍內(nèi)主動傳輸數(shù)據(jù)。
物聯(lián)網(wǎng)傳感器甚至可能具有一定的智能或數(shù)據(jù)解釋能力。為此，由金屬和半導體油墨印刷線制成的紙質(zhì)集成電路正在研究之中。2011年，比利時微電子研究中心（Imec）的工程師利用有機半導體制成的薄膜晶體管，在柔性塑料上制造出一個8位微處理器。去年，他們又在研究一種印刷塑料NFC芯片，使用由銦、鎵、鋅和氧混合而成的金屬氧化物半導體IGZO。盡管這些設(shè)計與硅材料相比仍然相當原始和低速，而且由于材料自身的局限性，可能不會有太大的進展，但迄今為止，它們已經(jīng)被證實能以合適的價格勝任這項工作。
但大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，尤其是廉價的一次性傳感器，將依靠外部電源和智能。這兩種方法都非常普遍。例如，所有新款智能手機都能進行近場通信，主要用于非接觸式電子支付系統(tǒng)，如蘋果支付。這意味著你的手機可能已經(jīng)具備了為未來香腸新鮮度傳感器供電和通話的能力。
你可看到向柔性及生物可降解性的轉(zhuǎn)變。美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的首批可植入MEMS壓力傳感器中，有一款由CardioMEMS（目前屬于St. Jude Medical）制造，它是一個由石英制造的剛性傳感器，可植入到支架附近，監(jiān)測支架維持動脈開放的功效。傳感器包括埋在石英中的天線和覆蓋空腔的石英薄膜，形成一個電容。當血壓擠壓薄膜時，電容就會改變，從而改變傳感器電路的諧振頻率。頻率的變化可以由外部閱讀器被動測量，外部閱讀器用已知頻率的射頻信號詢問傳感器，然后與發(fā)生改變的返回信號頻率進行比較。
石英以及硅制傳感器的問題是相對較硬，又很脆。更好的選擇是柔韌的材料，可以貼合身體輪廓和狹窄的空間，比如血管內(nèi)的空間。生物可降解材料是更佳選擇，在傳感器完成工作后，這些材料可以在體內(nèi)無害地溶解，無需手術(shù)摘除。
隨后，CardioMEMS的聯(lián)合創(chuàng)始人之一，賓夕法尼亞大學的馬克?艾倫（Mark Allen）不再制造剛性硅和石英傳感器，轉(zhuǎn)而制造柔性生物可降解傳感器。艾倫團隊的研究生正在設(shè)計用聚合物制造傳感器和電池，例如聚乳酸（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）和聚己內(nèi)酯（PCL），可溶解的外科縫合線也用這些聚合物。信號連接線和天線由生物可降解金屬鎂或鋅等構(gòu)成。利用MEMS微加工技術(shù)，如光刻和電鍍，學生們研制出了毫米級尺寸、具有與石英傳感器同樣的無線數(shù)據(jù)傳輸能力、可生物降解的壓力傳感器。
在醫(yī)學領(lǐng)域之外，生物可降解傳感器的應用也很令人振奮。它們對于任何對環(huán)境敏感的活動（如精細農(nóng)業(yè)）都極具吸引力。想象一下，一個農(nóng)民在種植每一株新植物時都安裝一個傳感器，監(jiān)測生長期土壤的水分。到收獲季節(jié)，傳感器早已消失，無害地溶解在土壤中。同樣，生物可降解傳感器也是其他安全的一次性物品的最佳選擇，例如可以監(jiān)測食品新鮮度的包裝。
已經(jīng)有人演示過香腸嗅探傳感器的前身。紐約波茨坦克拉克森大學的西爾瓦納?安德烈斯庫（Silvana Andreescu）所帶領(lǐng)的小組，制成了一種紙基傳感器，可以檢測食物是否變質(zhì)。印刷在紙上的納米結(jié)構(gòu)無機化學物質(zhì)與變質(zhì)釋放的氣體發(fā)生反應；納米結(jié)構(gòu)可根據(jù)氣體濃度改變顏色。目前，這種傳感器的結(jié)果只能是可視讀出。我們可以想象，智能手機應用程序可添加電子讀出和數(shù)據(jù)傳輸手段，使物聯(lián)網(wǎng)傳感器準備就緒。
哈佛大學的喬治?懷特塞茲（George Whitesides）研究團隊正在研究一種基于射頻的可讀紙基醫(yī)療診斷傳感器的方法。這種紙質(zhì)傳感器可通過變色進行可視化讀出，就像家用早孕試紙一樣。利用絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等技術(shù)沉積蠟和導電油墨，懷特塞茲小組的研究人員已經(jīng)能夠制造出紙質(zhì)微流體傳感器、化學傳感器、濕度傳感器，甚至力傳感器。他們的目標是為發(fā)展中國家制造一套人們負擔得起的醫(yī)療診斷傳感器。這些設(shè)備可以彎曲、折疊，用完之后，可用火柴點燃，或讓它們自然分解。當我們想要數(shù)十億個物聯(lián)網(wǎng)傳感器和產(chǎn)品時，它們分解和回歸自然的能力可以避免垃圾填埋場堆滿互聯(lián)網(wǎng)廢舊設(shè)備。
雖然許多一次性傳感器可以利用外部射頻能量，但有些仍然需要自身具有電源。這就是為什么艾倫在賓夕法尼亞大學的團隊也在探索生物可降解電化學電池，這種電池由制造傳感器的聚合物和金屬制成。人體內(nèi)的鹽環(huán)境提供了電池的電解質(zhì)，方便地避免了傳統(tǒng)電池中使用的有毒酸。
在紐約州立大學賓漢姆頓分校，崔秀潤（Seokheun Choi）小組正在開發(fā)一種紙基電池，這種電池具有一種非傳統(tǒng)的電子來源——細菌?？梢栽谀嗫永镎业侥承┘毦?，在代謝食物時產(chǎn)生電子。這些細菌附著在印在紙上的金屬電極上，金屬電極收集排放出的電子。產(chǎn)生幾微安培的電流需要一堆細菌電池，這通過折紙手工很容易實現(xiàn)——只需將紙多折疊幾次。
傳感器通常需要嚴格的尺寸控制，紙質(zhì)和塑料的柔韌性使得它們很難用于制造傳感器。例如，塑料在力或溫度的微小變化下就會發(fā)生拉伸和變形。在半導體工業(yè)中，特征尺寸已經(jīng)控制在幾納米以內(nèi)；塑料部件的尺寸可能僅因為溫度升高幾度而改變幾十微米。要實現(xiàn)塑料和紙質(zhì)傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)，我們需要新的、不同的設(shè)計工具和制造設(shè)備。
然而，紙加工和塑料加工技術(shù)在其他領(lǐng)域的應用已經(jīng)有幾十年，甚至幾百年的歷史：用于生產(chǎn)報紙和書籍的紙質(zhì)印刷機和紙質(zhì)處理機械；用于精密印刷的絲網(wǎng)印刷和噴墨噴嘴；用于生產(chǎn)磁帶和邊帶的精密卷繞對位塑料制造；用于制造米寬液晶電視面板的巨幅光刻和薄膜淀積。
通過改造這些技術(shù)，進而滿足塑料和紙質(zhì)電子制造的特殊需求，一個新興產(chǎn)業(yè)可能很快就會誕生。美國國防部已經(jīng)開始推動這種新的制造基礎(chǔ)設(shè)施。2016年9月，NextFlex中心在加州圣何塞啟用，美國國防部組織了這個項目，并提供7 500萬美元資金，在此推動研發(fā)柔性混合電子產(chǎn)品的先進制造方法。該中心的目標是擺脫電子產(chǎn)品的堅硬骨架，即平面印刷電路板，在過去60年，電子系統(tǒng)的設(shè)計和制造一直有賴于它。
柔性混合電子是發(fā)展紙質(zhì)和塑料電子產(chǎn)品的墊腳石。它提供了一種實用的折中方案：我們還不能在這些基板上制作出高性能的晶體管和其他元件，但我們可以將厚度小于50微米（因此變得柔軟）的傳統(tǒng)硅組件嫁接到塑料、織物和紙上。美國國防部希望這種制造技術(shù)可在短期內(nèi)為士兵和軍事裝備提供輕質(zhì)和可穿戴的電子產(chǎn)品。
從長遠來看，塑料和紙質(zhì)傳感器制造新能力的發(fā)展以及隨之而來的商業(yè)模式，將開啟一個新產(chǎn)品世界。與制造芯片的“無廠”模式對比一下。當它在20世紀80年代末出現(xiàn)后，很快隨之爆發(fā)了一場大規(guī)模設(shè)計創(chuàng)新。年輕的芯片公司不再負擔半導體制造廠的巨額資本支出，它們可以專注于創(chuàng)新設(shè)計，同時讓代工廠負責制造工作。無廠制造模式加速了無數(shù)消費電子產(chǎn)品的發(fā)展，如智能手機、平板電腦和游戲機。
塑料和紙質(zhì)電子產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)可能超越無廠模式。使用簡單的材料和方法制造，不需要像半導體制造廠那樣復雜的工廠；每個城鎮(zhèn)甚至每個家庭都可能有一個工廠。這是一種分布式制造模式。今天，已經(jīng)可以在愛好者的家庭工作室和專業(yè)機器商店中看到3D聚合物打印機。不難想象，在20年內(nèi)，先進的3D打印機也將可能在家中制造出柔性傳感器和電子產(chǎn)品。
當然，并非所有的傳感器技術(shù)都能應用到塑料或紙質(zhì)上。許多高性能傳感器（如麥克風和陀螺儀）仍要用硅。這是因為它們的物理性能取決于硅的特性，或取決于只有傳統(tǒng)的硅微機械加工才能實現(xiàn)的亞微米公差。然而，海量消費級物聯(lián)網(wǎng)所需的更簡單的設(shè)備，如溫度、光線、氣體或壓力傳感器，將不再使用硅，而是使用塑料甚至是紙張。面向消費者的海量一次性物聯(lián)網(wǎng)應用，將只需要性能“夠用”、價格低廉的傳感器。
在傳統(tǒng)的硅和新興的低成本柔性基板之間，我們正走向電子制造的分水嶺。新的研究進展、對柔性和低成本傳感器不斷增長的需求，以及對減少電子制造對環(huán)境影響的意識增強，都將有力推動塑料和紙質(zhì)傳感器技術(shù)成為主流。