说半导体行业很兴奋还远远不够。这种兴奋的背后是一个主要的假设——所有这些组件都将使用硅来制造，利用现有的数十亿美元的芯片工厂。但这种假设是错误的。未来可以嗅出香肠是否安亚博排列五投注网站全的一次性传感器不会由硅材料制成。相反，它们将直接打印在纸张或塑料包装上。
可用的传亚博排列五投注网站感器当今的物联网应用都是基于MEMS(微机电系统)。MEMS传感器采用最初用于制造半导体ic的方法在硅晶圆上制造，使用微观机械结构来检测运动、声音、压力、光，甚至气体种类。亚博排列五投注网站微小的横膈膜、悬臂梁、振动质量或迂回通道，通常小于100微米(人类头发的直径)，对物理刺激做出反应，然后将其转化为电子信号。当与无线电和天线耦合时，MEMS传感器可以将电子数据无线发送到互联网。亚博排列五投注网站
说话很便宜:柔性塑料传感器可以询问包裹里的东西，并使用近场通信技亚博排列五投注网站术来传输数据，这种技术已经在今天的智能手机中使用了。照片:Imec
MEMS传感器芯片的单面尺寸通常只有1到2毫米，这意味着可以在直径为200毫米的硅片上经济地生产数万个。如今，大容量MEMS传感器(如麦克风和陀螺仪)的价格仅为每个传感器0.亚博排列五投注网站10美元至0.50美元。这使得它们适用于智能手机、健身追踪器和其他价格约为100美元的消费电子产品。亚博技术支持专业彩票平台
对于一次性应用于食品包装、医疗测试或智能服装的产品，其成本可能不到10美元，从经济学角度来说，传感器的成本几乎不到一美分。亚博排列五投注网站换句话说，MEMS传感器的价格最多需要达到目前价格的十分之一，才能广泛应用于这种低成本的物联网产品。
尽管硅MEMS的制造还有更多的成本要降低，但潜在的节省最终还是受到硅本身成本的限制。如今，在直径为200毫米的晶圆上制作的1mm × 1mm的MEMS传感器包含价值约0.002美元的半导体级硅。
让我们做一些简单的数学来说明这个问题。(如果你不愿意，可以跳到下一段。)要以1美分(0.01美元)的价格出售1平方毫米的传感器，制造商的制造成本不应超过0.007美元，因为大多数制造商希望通过销售传感器获得至少30%的利润率，或0.003美元的利润。根据当今传感器制造的经验法则，MEMS芯片的成本约占最终传感器成本的30%，其余70%的成本来自传感器的包装、测试、读出电子器件和校准。因此，仅MEMS芯片的成本就剩下0.007美元的30%，即0.002美元。最后，硅材料约占未封装MEMS芯片成本的20%。这样我们就只剩下0.0004美元的预算用于传感器的硅。
不可能的任务
用硅制造一个0.01美元的MEMS传感器的成本很快就会发现，硅本身的成本太高了。图表:图片来源此处
换句话说，要制造一个成本只有一分钱的MEMS传感器，硅就必须要有成本五分之一今天的成本。从硅的历史价格趋势来看，价格似乎不太可能跌那么多。(事实上，硅的价格上涨了十倍以上高于2006年至2010年光伏行业高峰期间的价格。)将MEMS芯片缩小到1美分的目标价格也行不通。由于依赖于硅、流体和气体的机械性能，如果大幅度缩小，大多数MEMS设备将无法工作。相反，我们必须用比硅便宜得多的材料来制造传感器。亚博排列五投注网站
细菌电池:Seokheun Choi在纽约州立大学宾汉姆顿分校的研究小组正在利用细菌代谢产生的电子制造纸质电池。照片:Seokheun Choi
在所有行业中，市场力量总是促使制造商转向成本更低的材料。在汽车领域，金属零件被塑料零件取代;在家具方面，皮革让位于乙烯基;在电子领域，led从蓝宝石衬底迁移到硅衬底。
现在即使是MEMS传感器也在亚博排列五投注网站转向塑料和纸张。虽然在这些简单的衬底上制造电子设备看起来像是一个激进的新想法，但事实并非如此。这种先例可以追溯到近40年前，当时西屋电气的T. Peter Brody和Derrick P. Page第一次在纸基板上制造薄膜晶体管(TFTs)。他们设想在电子纸质文件和植入式医疗设备等产品上使用卷对卷印刷方法。
多年来，研究人员一直在研究纸质和塑料传感器，降低传感器的成本并不是他们的唯一动力。亚博排列五投注网站对联邦基金的竞争促使研究人员寻求在没有洁净室和其他奇异工具的情况下制造微技术的方法。此外，人们对用比硅更灵活、更可生物降解的材料制造传感器越来越感兴趣，以用于侵入性医疗应用。亚博排列五投注网站随着电子应用在全世界的普及，发展中国家对纸张这种终极低成本材料的需求越来越大。
产品工程要求你不要在铁锤可以的地方使用金锤。在物联网应用中，需要灵活性、低成本或一次性，但传感需求不那么严格，塑料和纸质传感器将以有吸引力的价格完成工作。亚博排列五投注网站
物联网传感器有两个重要组成部分:传感器本身，用于检测特定的物理或化学事件，以及遥测单元，用于将传感器的数据传输到互联网。遥测单元可能不需要电池，而是依靠无源天线线圈将数据电感式传输到附近的射频识别设备(RFID)或近场通信(NFC)阅读器。或者该设备可能有电池、收音机和天线，以手机、Wi-Fi或蓝牙频率主动传输数据。
物联网传感器甚至可能具有一定的智能或数据解释能力。为此，由金属和半导体墨水印制而成的纸质集成电路正在研究中。2011年，比利时研究公司Imec的工程师们建造了一个柔性塑料上的8位微处理器使用有机半导体制成的薄膜晶体管。去年他们又推出了印刷塑料近场fcigzo是一种金属氧化物半导体，由铟、镓、锌和氧混合而成。尽管与硅材料相比，这些设计仍然相当原始和缓慢，而且由于这些材料的局限性，可能不会有太大的进步，但到目前为止，它们已经证明自己足够好，可以以合适的价格完成这项工作。
但大多数物联网传感器，尤其亚博排列五投注网站是廉价和一次性传感器，将依赖于外部电源和智能。两者都很常见。例如，所有新的智能手机都能够进行近场通信，这主要用于非接触式电子支付系统，如Apple Pay。这意味着你的手机可能已经具备了与未来的香肠新鲜度传感器供电和通话的能力。
你可以看到移动已经朝着灵活性和生物可降解性的方向发展了。美国食品和药物管理局批准的首批可植入MEMS压力传感器之一，由亚博排列五投注网站CardioMEMS(现在属于St. Jude Medical)是一种由石英制成的刚性传感器，被设计用于植入支架附近，以监测支架保持动脉畅通的功效。传感器包括埋在石英内的天线和覆盖腔体的石英薄膜，从而形成电容器。当血液的压力压在膜上时，它改变了电容，从而改变了传感器电路的谐振频率。频率的变化可以通过外部读取器被动测量，读取器用已知频率的射频信号询问传感器，然后将其与返回信号的频率变化进行比较。
石英传感器的问题是，它们相对坚硬，而且很脆。最好是使用更灵活的材料，可以符合身体的轮廓和狭窄的空间，如血管内的空间。更好的是生物可降解材料，在传感器完成工作后，这种材料可以在体内无害地溶解，避免了任何手术移除的需要。
生物可降解气压计:MEMS压力传感器可以由与外科缝合线相同的可溶解材料制成。亚博排列五投注网站图片来源:Mandy Luo/宾夕法尼亚大学
CardioMEMS的联合创始人之一宾夕法尼亚大学的Mark Allen说随后，该公司从坚硬的硅和石英传感器转向制造柔性和可生物降解的传感器。亚博排列五投注网站Allen小组的研究生们现在正在用聚乳酸共乙醇酸(PLGA)、聚乙烯醇(PVA)和聚己内酯(PCL)等聚合物制亚博排列五投注网站造传感器，甚至电池，这些材料与可溶解性手术缝合线中使用的材料相同。互连和天线是由生物降解金属如镁或锌形成的。利用MEMS微加工技术，如光刻和电镀，学生们展示了可生物降解的毫米大小的压力传感器，具有与石英祖先相同的无线数据传输能力。亚博排列五投注网站
生物可降解传感器在医疗领域之亚博排列五投注网站外的应用令人兴奋。对于任何对环境敏感的活动，比如精准农业，它们都具有很高的吸引力。想象一下，一个农民在每棵新植物上都种植一个传感器，以监测生长季节的土壤水化情况。到收获的时候，传感器早就消失了，无害地溶解在土壤中。同样，生物可降解传感器将是任何其他对人类安全的一次亚博排列五投注网站性物品的最佳选择，比如可以监测食物新鲜度的包装。
香肠嗅探传感器的前身已经被展示出来。位于纽约波茨坦市克拉克森大学的西尔瓦娜·安德莱斯库的研究小组制作了一种基于纸张的传感器，可以检测食物变质。打印在纸上的无机化学物质制成的纳米结构与分解释放的气体发生反应;纳米结构的颜色会随着气体浓度的变化而变化。目前，传感器的结果必须以可视方式读取。对于我们想象中的智能手机应用，添加电子读数和数据传输手段将使传感器物联网做好准备。
哈佛大学George Whitesides的小组通过调整纸质医学诊断传感器来实现这一目标，这种传感器可以改变颜色，并像家用验孕试纸一样可以直观地读取，并采用基于射频的读取方亚博排列五投注网站法。通过使用丝网印刷和喷墨印刷等技术来沉积蜡和导电墨水，怀特赛德斯的研究人员已经能够创建纸张微流体传感器、化学传感器、湿度传感器，甚至力传感器。亚博排列五投注网站他们的目标是研制出一套发展中国家人民能够负担得起的医疗诊断传感器。亚博排列五投注网站你可以弯曲、弯曲和折叠这些设备来适应目的，当它们完成了它们的职责时，你可以用火柴点燃它们，或者让它们自然分解。当我们考虑数十亿的物联网传感器和产品时，它们的分解和回归自然的能力可亚博排列五投注网站能会防止垃圾填埋场充斥着废旧物互联网的设备。
虽然许多一次性传感器可以使用外部射频能量，但有亚博排列五投注网站些仍然需要自己的电源。这就是为什么艾伦在宾夕法尼亚大学的研究小组也在探索生物可降解的电化学电池，这种电池是由他们用来制造传感器的聚合物和金属制成的。亚博排列五投注网站人体内部的盐水环境提供了电池的电解质，方便地避免了典型电池中使用的有毒酸。
在宾厄姆顿的纽约州立大学，Seokheun Choi的团队正在发展一个纸基电池带有一种非传统的电子来源:细菌．你可以在任何泥泞的水坑中找到一些细菌，它们在代谢食物时产生电子．这些细菌附着在打印在纸上的金属电极上，这些电极收集发射的电子。你需要一系列堆叠的细菌电池来产生微安的电流，这很容易通过折纸来排列:只需要将纸张折叠多次。
非常灵活纸张和塑料的大量使用使得它们难以制造成传感器，这通常需要严格的尺寸控制。亚博排列五投注网站例如，塑料在力或温度的轻微变化下会拉伸和变形。在半导体行业，我们已经学会了将特征尺寸控制到几纳米;只要温度升高几度，塑料部件的尺寸就会改变几十微米。我们需要新的和不同的设计工具和制造设备来大规模生产塑料和纸基传感器。亚博排列五投注网站
血腥廉价:纸质电化学传感器测量血液样本中的葡萄糖，并与读取设备通信。图片来源:Whitesides实验室/哈佛大学
然而，纸张和塑料的加工技术在其他领域已经发展了几十年，甚至几个世纪:用于印刷报纸和书籍的纸张印刷机和纸张处理机械;精密印刷用丝网印刷和喷墨喷嘴;卷对卷塑料制造，用于制造胶带和织带;用于制造米宽液晶电视面板。
通过修改这些技术来满足塑料和纸电子制造的特定需求，一个新的行业很快就会诞生。美国国防部已经开始推动这种新的制造基础设施。2016年9月，NextFlex中心在加利福尼亚州圣何塞开幕。国防部组织了该计划，并承诺提供7500万美元资金，以促进柔性混合电子设备先进制造方法的研发。该中心的目标是摆脱电子产品坚固的骨架——平面印刷电路板，在过去60年里，电子系统的设计和制造一直依赖于平面印刷电路板。
柔性混合电子技术为纸张和塑料电子技术的发展提供了一个跳板。它提供了一种实际的妥协:我们还没有掌握在这些衬底上制造高性能晶体管和其他元件的技术，但我们可以将传统的硅元件减薄到小于50 μm(因此变得灵活)到塑料、织物和纸张上。在短期内，国防部预计这种制造技术将为其士兵和军事装备带来轻便和可穿戴电子设备。
从长远来看，塑料和纸张传感器制造新能力的发展，以及随之而来的商业模式，将开辟出一种全新的产品可能性。亚博排列五投注网站将其与制造芯片的“无晶圆厂”模式进行比较;当它在20世纪80年代末站稳脚跟时，设计创新很快就爆发了。年轻的芯片公司不再背负拥有晶圆厂的巨额资本支出，可以专注于创新设计，同时让晶圆厂完成他们的制造工作。无晶圆厂制造模式加速了无数消费电子产品的发展，如智能手机、平板电脑和游戏机。亚博技术支持专业彩票平台
塑料和纸质电子产品制造有可能让行业超越无晶圆厂模式。当制造使用简单的材料和方法时，它不需要发生在像fab一样复杂的设施中;每个城镇甚至每个家庭都可能有工厂。这是一种分布式制造模式。今天，你可以在业余爱好者的家庭车间和专业机器商店找到3D聚合物打印机。不难想象，在20年内，先进的3D打印机也可以在家里制造柔性传感器和电子产品。亚博排列五投注网站
当然，并不是所有的传感器技术都能应用到塑料或纸张上。许多高性能传感器，如麦克风和陀螺仪，必须留亚博排列五投注网站在硅上，因为它们的物理性能取决于硅的性质或只能通过传统硅微加工实现的亚微米公差。然而，高容量消费物联网所需的简单设备，如温度、光、气体或压力传感器，将从硅迁移到塑料甚至纸张。亚博排列五投注网站面向消费者的大批量、一次性物联网应用只需要性能“足够好”、价格足够低的传感器。亚博排列五投注网站
在电子制造领域，我们正朝着传统硅方法和新兴的低成本、灵活的基板方法之间的分化前进。新的研究进展，对柔性和低成本传感器的需求不断增长，以及人们越来越意识到需要减少电子制造对环境的影响，这些都为最终将塑料和纸质传感器技术亚博排列五投注网站引入主流创造了关键动力。
本文以“一次性物品的互联网”为题发表在2018年12月的印刷版上。
作者简介
Alissa M. Fitzgerald是MEMS设计公司的创始人和管理成员A. M.菲茨杰拉德公司该公司位于加州伯林盖姆。
