如何推動塑料和紙質(zhì)傳感器技術(shù)成為主流

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(jī)。智能手機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)救場的虛構(gòu)場景，只是物聯(lián)網(wǎng)可能出現(xiàn)的諸多應(yīng)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(jī)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(yù)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(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，這種說法并不準(zhǔn)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。

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目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的傳感器基于MEMS。MEMS傳感器采用最初制造半導(dǎo)體集成電路的方法制作在硅片上，它利用微觀機(jī)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(dāng)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(yīng)，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(jì)地生產(chǎn)成千上萬的芯片。目前，大容量MEMS傳感器（如麥克風(fēng)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(jī)、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(jì)性上考慮，傳感器成本應(yīng)降到僅為0.01美元。換句話說，MEMS傳感器的價格需要達(dá)到目前價格的1/10，才能廣泛應(yīng)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(dǎo)體級硅成本。

我們通過簡單的數(shù)學(xué)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(yīng)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(dāng)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(zhǔn)。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(yù)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(dá)0.01美元的價格目標(biāo)也不會奏效。由于MEMS設(shè)備依賴硅、液體和氣體的機(jī)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。

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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(lán)寶石轉(zhuǎn)變?yōu)楣琛?/p>

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(jìn)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用中，柔韌性、低成本以及用后可丟棄是必需的，但傳感指標(biāo)卻不那么嚴(yán)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(xué)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?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/105/" target="_blank">射頻識別設(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(jī)、Wi-Fi或藍(lán)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(dǎo)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(jī)半導(dǎo)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(dǎo)體IGZO。盡管這些設(shè)計與硅材料相比仍然相當(dāng)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(jìn)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(jī)都能進(jìn)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(jī)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。

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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(zhǔn)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(dāng)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(jìn)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(xué)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(tuán)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(xué)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(xué)領(lǐng)域之外，生物可降解傳感器的應(yīng)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(xì)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(xué)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(jī)化學(xué)物質(zhì)與變質(zhì)釋放的氣體發(fā)生反應(yīng)；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(jī)應(yīng)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(zhǔn)備就緒。

哈佛大學(xué)的喬治?懷特塞茲（George Whitesides）研究團(tuán)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(jìn)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(dǎo)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(xué)傳感器、濕度傳感器，甚至力傳感器。他們的目標(biāo)是為發(fā)展中國家制造一套人們負(fù)擔(dān)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(dāng)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(xué)的團(tuán)隊也在探索生物可降解電化學(xué)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(xué)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(xì)菌。可以在泥坑里找到某些細(xì)菌，在代謝食物時產(chǎn)生電子。這些細(xì)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(xì)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。

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傳感器通常需要嚴(yán)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(dǎo)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(yīng)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(jī)和紙質(zhì)處理機(jī)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(jìn)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(jìn)制造方法。該中心的目標(biāo)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(yuǎn)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(dāng)它在20世紀(jì)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(fù)擔(dān)半導(dǎo)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(fù)責(zé)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(jī)、平板電腦和游戲機(jī)。

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(dǎo)體制造廠那樣復(fù)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(jī)器商店中看到3D聚合物打印機(jī)。不難想象，在20年內(nèi)，先進(jìn)的3D打印機(jī)也將可能在家中制造出柔性傳感器和電子產(chǎn)品。

當(dāng)然，并非所有的傳感器技術(shù)都能應(yīng)用到塑料或紙質(zhì)上。許多高性能傳感器（如麥克風(fēng)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(jī)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(yīng)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(jìn)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。