如何推动塑料和纸质传感器技术成为主流

如何推动塑料和纸质传感器技术成为主流

这是2028年。星期三晚上8点，你饿坏了。你盯着冰箱里仅剩的食物：一包令人没胃口的灰色香肠。它原本就是这样的吗？还能安全食用吗？在2018年，你只能依靠自己的嗅觉来赌上一把。而在2028年，你只需在包装上方摇动智能手机。智能手机会询问包装内嵌入的传感器，该传感器可测量肉类分解的有关气体浓度。智能手机上会显示“未来20小时内可安全食用”的信息，然后提供一份香肠烹饪食谱。你饿得连菜谱都来不及看，就撕开包装，把香肠扔进煎锅里，扔掉它的包装，以及高技术传感器。

这个用智能手机救场的虚构场景，只是物联网可能出现的诸多应用之一。低成本、低功耗元件，特别是微处理器、蜂窝无线电、Wi-Fi无线电和微机电系统（MEMS）传感器的融合，使物联网今天已经成为可能。此外，聚合消费者行为的物联网数据（即大数据）也是一个经过验证的市场。追踪和分析电子行业的研究公司IHS markit预测，全球物联网设备的数量将增长4倍以上，从2017年的270亿增至2030年的1 250亿。

要说这会刺激半导体行业的发展，这种说法并不准确。这种刺激说法基于一个重要假设——所有这些元件都将使用硅，利用现有的价值10亿美元的芯片工厂（即晶圆工厂）制造。但这种假设是错误的。能够嗅出未来香肠安全性的一次性传感器不会用硅制造。而是会直接印在纸质或塑料包装上。

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目前物联网应用的传感器基于MEMS。MEMS传感器采用最初制造半导体集成电路的方法制作在硅片上，它利用微观机械结构来探测运动、声音、压力、光，甚至特种气体。通过小于100微米（相当于人类头发的直径）的薄膜、悬梁、振动体或迂回通路，对物理刺激作出反应，然后将其转换为电子信号。MEMS传感器连接到无线电和天线后，可以将电子数据以无线形式发送到互联网上。

MEMS传感器芯片的尺寸通常只有1或2毫米，这意味着在直径为200毫米的硅片上可以经济地生产成千上万的芯片。目前，大容量MEMS传感器（如麦克风和陀螺仪）的价格仅为0.10至0.50美元。这使得它们适用于智能手机、健身追踪器和其他售价100美元左右的消费电子产品。

对于食品包装、医疗检测或智能服装等成本低于10美元的一次性产品，从经济性上考虑，传感器成本应降到仅为0.01美元。换句话说，MEMS传感器的价格需要达到目前价格的1/10，才能广泛应用于这种低成本物联网产品。

尽管硅MEMS制造的成本还有很大的降幅空间，但最终还是会受到硅本身成本的限制。目前，在直径200毫米的晶圆片上制作的MEMS传感器尺寸为1毫米×1毫米，包含约0.002美元的半导体级硅成本。

我们通过简单的数学题来阐释这一问题。（如果不想看，可直接跳至下一段。）如果1平方毫米的传感器的售价为0.01美元，那么制造商制造该传感器的成本不应超过0.007美元，因为大多数制造商希望在销售该传感器时至少能获得30%的利润率，即0.003美元的利润。根据当今制造传感器的经验法则，MEMS芯片的成本约为最终传感器成品成本的30%，其余70%的成本用于传感器的包装、测试、电子数据读出和校准。因此， MEMS芯片的成本就只能为0.007美元的30%，即约0.002美元。最后，硅材料大约占未包装MEMS芯片成本的20%。这留给传感器硅的预算仅为0.000 4美元。

换句话说，要制造一个售价为0.01美元的MEMS传感器，硅的成本要只有现在的1/5。纵观硅的历史价格趋势，价格似乎不太可能下跌这么多。（事实上，在2006年至2010年的光伏产业热潮期间，硅的价格比如今高十多倍。）缩小MEMS芯片以达0.01美元的价格目标也不会奏效。由于MEMS设备依赖硅、液体和气体的机械性能，如果把它们大幅缩小，那么大多数MEMS设备都无法工作。相反，我们制造传感器必须用比硅便宜得多的材料。

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综观所有产业，市场力量总是驱使制造商转向使用低成本材料。在汽车中，金属零件被塑料取代；在家具领域，皮革被乙烯树脂取代；在电子产品中，LED的基板从蓝宝石转变为硅。

现在，甚至MEMS传感器也使用塑料和纸质材料。在这些简单的基板上制造电子设备似乎是很激进的新想法，其实不然。这一先例可追溯至近40年前，西屋电器的T. 彼得•布洛迪（T. Peter Brody）与德里克•P. 佩琦（Derrick P. Page）首次在纸质基板上制造出薄膜晶体管（TFT）。他们设想使用精密卷轴对位印刷方法生产电子纸质文件和可植入的医疗器材。 

研究人员多年来一直致力于纸和塑料传感器的研究，降低传感器的成本并不是他们唯一的目的。竞争性的联邦资金引导研究人员探索无须洁净室和特殊工具的微型工艺技术。另外，为了侵入性医疗应用，人们对使用比硅更柔软、可生物降解的材料制造传感器的兴趣也在提升。随着电子产品在世界范围内的普遍应用，发展中国家越来越需要使用最廉价的材料——纸。 

产品工程的一项原则就是，能用铁锤做的，就不要用金锤来做。在物联网应用中，柔韧性、低成本以及用后可丢弃是必需的，但传感指标却不那么严格，塑料和纸质传感器将以诱人的价格出色地完成这项工作。

物联网传感器有两个重要组成部分：一是传感器本身，它可以检测特定的物理或化学事件；二是遥测单元，它可以将传感器的数据传输到互联网。遥测装置可能不需要电池，而是依靠无源天线线圈将数据电感传输到附近的射频识别设备（RFID）或近场通信（NFC）阅读器。该装置也可能有电池、无线发送设备和天线，可以在手机、Wi-Fi或蓝牙频率范围内主动传输数据。

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，由金属和半导体油墨印刷线制成的纸质集成电路正在研究之中。2011年，比利时微电子研究中心（Imec）的工程师利用有机半导体制成的薄膜晶体管，在柔性塑料上制造出一个8位微处理器。去年，他们又在研究一种印刷塑料NFC芯片，使用由铟、镓、锌和氧混合而成的金属氧化物半导体IGZO。尽管这些设计与硅材料相比仍然相当原始和低速，而且由于材料自身的局限性，可能不会有太大的进展，但迄今为止，它们已经被证实能以合适的价格胜任这项工作。

但大多数物联网传感器，尤其是廉价的一次性传感器，将依靠外部电源和智能。这两种方法都非常普遍。例如，所有新款智能手机都能进行近场通信，主要用于非接触式电子支付系统，如苹果支付。这意味着你的手机可能已经具备了为未来香肠新鲜度传感器供电和通话的能力。

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你可看到向柔性及生物可降解性的转变。美国食品药品监督管理局批准的首批可植入MEMS压力传感器中，有一款由CardioMEMS（目前属于St. Jude Medical）制造，它是一个由石英制造的刚性传感器，可植入到支架附近，监测支架维持动脉开放的功效。传感器包括埋在石英中的天线和覆盖空腔的石英薄膜，形成一个电容。当血压挤压薄膜时，电容就会改变，从而改变传感器电路的谐振频率。频率的变化可以由外部阅读器被动测量，外部阅读器用已知频率的射频信号询问传感器，然后与发生改变的返回信号频率进行比较。

石英以及硅制传感器的问题是相对较硬，又很脆。更好的选择是柔韧的材料，可以贴合身体轮廓和狭窄的空间，比如血管内的空间。生物可降解材料是更佳选择，在传感器完成工作后，这些材料可以在体内无害地溶解，无需手术摘除。

随后，CardioMEMS的联合创始人之一，宾夕法尼亚大学的马克•艾伦（Mark Allen）不再制造刚性硅和石英传感器，转而制造柔性生物可降解传感器。艾伦团队的研究生正在设计用聚合物制造传感器和电池，例如聚乳酸（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）和聚己内酯（PCL），可溶解的外科缝合线也用这些聚合物。信号连接线和天线由生物可降解金属镁或锌等构成。利用MEMS微加工技术，如光刻和电镀，学生们研制出了毫米级尺寸、具有与石英传感器同样的无线数据传输能力、可生物降解的压力传感器。

在医学领域之外，生物可降解传感器的应用也很令人振奋。它们对于任何对环境敏感的活动（如精细农业）都极具吸引力。想象一下，一个农民在种植每一株新植物时都安装一个传感器，监测生长期土壤的水分。到收获季节，传感器早已消失，无害地溶解在土壤中。同样，生物可降解传感器也是其他安全的一次性物品的最佳选择，例如可以监测食品新鲜度的包装。

已经有人演示过香肠嗅探传感器的前身。纽约波茨坦克拉克森大学的西尔瓦纳•安德烈斯库（Silvana Andreescu）所带领的小组，制成了一种纸基传感器，可以检测食物是否变质。印刷在纸上的纳米结构无机化学物质与变质释放的气体发生反应；纳米结构可根据气体浓度改变颜色。目前，这种传感器的结果只能是可视读出。我们可以想象，智能手机应用程序可添加电子读出和数据传输手段，使物联网传感器准备就绪。

哈佛大学的乔治•怀特塞兹（George Whitesides）研究团队正在研究一种基于射频的可读纸基医疗诊断传感器的方法。这种纸质传感器可通过变色进行可视化读出，就像家用早孕试纸一样。利用丝网印刷和喷墨印刷等技术沉积蜡和导电油墨，怀特塞兹小组的研究人员已经能够制造出纸质微流体传感器、化学传感器、湿度传感器，甚至力传感器。他们的目标是为发展中国家制造一套人们负担得起的医疗诊断传感器。这些设备可以弯曲、折叠，用完之后，可用火柴点燃，或让它们自然分解。当我们想要数十亿个物联网传感器和产品时，它们分解和回归自然的能力可以避免垃圾填埋场堆满互联网废旧设备。

虽然许多一次性传感器可以利用外部射频能量，但有些仍然需要自身具有电源。这就是为什么艾伦在宾夕法尼亚大学的团队也在探索生物可降解电化学电池，这种电池由制造传感器的聚合物和金属制成。人体内的盐环境提供了电池的电解质，方便地避免了传统电池中使用的有毒酸。

在纽约州立大学宾汉姆顿分校，崔秀润（Seokheun Choi）小组正在开发一种纸基电池，这种电池具有一种非传统的电子来源——细菌。可以在泥坑里找到某些细菌，在代谢食物时产生电子。这些细菌附着在印在纸上的金属电极上，金属电极收集排放出的电子。产生几微安培的电流需要一堆细菌电池，这通过折纸手工很容易实现——只需将纸多折叠几次。

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传感器通常需要严格的尺寸控制，纸质和塑料的柔韧性使得它们很难用于制造传感器。例如，塑料在力或温度的微小变化下就会发生拉伸和变形。在半导体工业中，特征尺寸已经控制在几纳米以内；塑料部件的尺寸可能仅因为温度升高几度而改变几十微米。要实现塑料和纸质传感器的大规模生产，我们需要新的、不同的设计工具和制造设备。

然而，纸加工和塑料加工技术在其他领域的应用已经有几十年，甚至几百年的历史：用于生产报纸和书籍的纸质印刷机和纸质处理机械；用于精密印刷的丝网印刷和喷墨喷嘴；用于生产磁带和边带的精密卷绕对位塑料制造；用于制造米宽液晶电视面板的巨幅光刻和薄膜淀积。

通过改造这些技术，进而满足塑料和纸质电子制造的特殊需求，一个新兴产业可能很快就会诞生。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中心在加州圣何塞启用，美国国防部组织了这个项目，并提供7 500万美元资金，在此推动研发柔性混合电子产品的先进制造方法。该中心的目标是摆脱电子产品的坚硬骨架，即平面印刷电路板，在过去60年，电子系统的设计和制造一直有赖于它。

柔性混合电子是发展纸质和塑料电子产品的垫脚石。它提供了一种实用的折中方案：我们还不能在这些基板上制作出高性能的晶体管和其他元件，但我们可以将厚度小于50微米（因此变得柔软）的传统硅组件嫁接到塑料、织物和纸上。美国国防部希望这种制造技术可在短期内为士兵和军事装备提供轻质和可穿戴的电子产品。

从长远来看，塑料和纸质传感器制造新能力的发展以及随之而来的商业模式，将开启一个新产品世界。与制造芯片的“无厂”模式对比一下。当它在20世纪80年代末出现后，很快随之爆发了一场大规模设计创新。年轻的芯片公司不再负担半导体制造厂的巨额资本支出，它们可以专注于创新设计，同时让代工厂负责制造工作。无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。

塑料和纸质电子产品制造产业可能超越无厂模式。使用简单的材料和方法制造，不需要像半导体制造厂那样复杂的工厂；每个城镇甚至每个家庭都可能有一个工厂。这是一种分布式制造模式。今天，已经可以在爱好者的家庭工作室和专业机器商店中看到3D聚合物打印机。不难想象，在20年内，先进的3D打印机也将可能在家中制造出柔性传感器和电子产品。

当然，并非所有的传感器技术都能应用到塑料或纸质上。许多高性能传感器（如麦克风和陀螺仪）仍要用硅。这是因为它们的物理性能取决于硅的特性，或取决于只有传统的硅微机械加工才能实现的亚微米公差。然而，海量消费级物联网所需的更简单的设备，如温度、光线、气体或压力传感器，将不再使用硅，而是使用塑料甚至是纸张。面向消费者的海量一次性物联网应用，将只需要性能“够用”、价格低廉的传感器。

在传统的硅和新兴的低成本柔性基板之间，我们正走向电子制造的分水岭。新的研究进展、对柔性和低成本传感器不断增长的需求，以及对减少电子制造对环境影响的意识增强，都将有力推动塑料和纸质传感器技术成为主流。

来源：IEEE电气电子工程师学会