這是(shi)2028年。星期三晚上8點，你(ni)(ni)餓壞了。你(ni)(ni)盯著冰箱里僅(jin)剩(sheng)的(de)(de)(de)食物：一包令(ling)人沒胃口的(de)(de)(de)灰色香腸(chang)。它(ta)(ta)原本(ben)就是(shi)這樣的(de)(de)(de)嗎(ma)？還能(neng)(neng)安全(quan)食用嗎(ma)？在(zai)2018年，你(ni)(ni)只能(neng)(neng)依靠(kao)自己的(de)(de)(de)嗅(xiu)覺(jue)來賭上一把。而在(zai)2028年，你(ni)(ni)只需在(zai)包裝(zhuang)上方搖動智(zhi)能(neng)(neng)手(shou)機(ji)。智(zhi)能(neng)(neng)手(shou)機(ji)會詢問包裝(zhuang)內嵌入的(de)(de)(de)傳感器，該(gai)傳感器可測量肉類分解的(de)(de)(de)有關氣體濃(nong)度。智(zhi)能(neng)(neng)手(shou)機(ji)上會顯(xian)示“未來20小時內可安全(quan)食用”的(de)(de)(de)信息，然后提供一份香腸(chang)烹(peng)飪食譜。你(ni)(ni)餓得連菜(cai)譜都來不(bu)及(ji)看，就撕開(kai)包裝(zhuang)，把香腸(chang)扔進煎鍋里，扔掉它(ta)(ta)的(de)(de)(de)包裝(zhuang)，以及(ji)高技術傳感器。
這(zhe)個用智能(neng)手(shou)機救場(chang)的(de)(de)(de)虛(xu)構場(chang)景，只是(shi)物聯網可(ke)能(neng)出現的(de)(de)(de)諸多應用之一(yi)。低成本、低功耗元件(jian)，特別(bie)是(shi)微(wei)處理器、蜂窩(wo)無線電(dian)、Wi-Fi無線電(dian)和微(wei)機電(dian)系統(tong)（MEMS）傳感器的(de)(de)(de)融合(he)，使物聯網今(jin)天已經(jing)成為可(ke)能(neng)。此(ci)外(wai)，聚合(he)消費者(zhe)行為的(de)(de)(de)物聯網數據（即大數據）也是(shi)一(yi)個經(jing)過(guo)驗證的(de)(de)(de)市場(chang)。追蹤和分(fen)析電(dian)子行業的(de)(de)(de)研(yan)究公司IHS markit預測，全(quan)球物聯網設(she)備的(de)(de)(de)數量將增長4倍以上，從2017年的(de)(de)(de)270億(yi)增至2030年的(de)(de)(de)1 250億(yi)。
要說這會刺(ci)激半導(dao)體行業的(de)發展，這種說法并不準確。這種刺(ci)激說法基于一個(ge)重要假設——所有這些元件都將(jiang)使用硅(gui)，利用現有的(de)價值10億美元的(de)芯(xin)片工廠（即晶圓工廠）制造(zao)。但這種假設是錯誤的(de)。能夠嗅(xiu)出(chu)未來(lai)香腸安全(quan)性(xing)的(de)一次性(xing)傳感器(qi)不會用硅(gui)制造(zao)。而是會直接(jie)印在(zai)紙質或塑料包裝上。
目前物聯(lian)網應用(yong)的(de)(de)傳感器(qi)基于(yu)MEMS。MEMS傳感器(qi)采用(yong)最初制造(zao)半(ban)導體集(ji)成電路的(de)(de)方法制作在硅片上(shang)，它利用(yong)微觀(guan)機械結構來探(tan)測運動(dong)、聲音、壓力(li)、光，甚至特種氣體。通過小于(yu)100微米（相(xiang)當(dang)于(yu)人類頭(tou)發的(de)(de)直(zhi)徑）的(de)(de)薄(bo)膜、懸梁、振(zhen)動(dong)體或迂(yu)回(hui)通路，對物理(li)刺激作出反(fan)應，然(ran)后(hou)將其轉(zhuan)換為電子信號。MEMS傳感器(qi)連(lian)接(jie)到無(wu)線電和(he)天線后(hou)，可以將電子數據(ju)以無(wu)線形(xing)式發送(song)到互聯(lian)網上(shang)。
MEMS傳感(gan)器(qi)芯片的尺(chi)寸通常只有1或2毫米(mi)，這意味(wei)著在(zai)直(zhi)徑(jing)為200毫米(mi)的硅片上可以(yi)經濟地生產成千上萬的芯片。目前(qian)，大容量MEMS傳感(gan)器(qi)（如麥(mai)克風和陀(tuo)螺(luo)儀）的價(jia)(jia)格僅為0.10至0.50美(mei)元(yuan)。這使得它(ta)們適用于智能手(shou)機、健身(shen)追蹤器(qi)和其他售價(jia)(jia)100美(mei)元(yuan)左右(you)的消費電子產品(pin)。
對于食品包裝、醫療檢測或智能服裝等成本低于10美元的一次性產品，從經濟性上考慮，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網產品。
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。根據當今制造傳感器的經驗法則，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、電子數據讀出和校準。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(shuo)，要制造一(yi)個售價(jia)為(wei)0.01美元的(de)(de)(de)MEMS傳感器，硅(gui)的(de)(de)(de)成本要只(zhi)有現在的(de)(de)(de)1/5。縱觀(guan)硅(gui)的(de)(de)(de)歷(li)史價(jia)格趨勢，價(jia)格似乎不太(tai)可能(neng)下(xia)跌這么多。（事實上，在2006年至2010年的(de)(de)(de)光伏產(chan)業熱潮(chao)期間(jian)，硅(gui)的(de)(de)(de)價(jia)格比如今(jin)高(gao)十多倍。）縮小MEMS芯片以達(da)0.01美元的(de)(de)(de)價(jia)格目標也不會奏效。由于MEMS設備依賴硅(gui)、液體(ti)和氣(qi)體(ti)的(de)(de)(de)機械性能(neng)，如果把(ba)它們大幅縮小，那么大多數(shu)MEMS設備都無法工作。相反，我們制造傳感器必須用比硅(gui)便(bian)宜得(de)多的(de)(de)(de)材料(liao)。
綜觀所有產業，市場力量總是驅使制造商轉向使用低成本材料。在汽車中，金屬零件被塑料取代；在家具領域，皮革被乙烯樹脂取代；在電子產品中，LED的基板從藍寶石轉變為硅。
現在，甚至MEMS傳感器也使用塑料和紙質材料。在這些簡單的基板上制造電子設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）首次在紙質基板上制造出薄膜晶體管（TFT）。他們設想使用精密卷軸對位印刷方法生產電子紙質文件和可植入的醫療器材。
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。另外，為了侵入性醫療應用，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。隨著電子產品在世界范圍內的普遍應用，發展中國家越來越需要使用最廉價的材料——紙。
產品工程的一項原則就是，能用鐵錘做的，就不要用金錘來做。在物聯網應用中，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，塑料和紙質傳感器將以誘人的價格出色地完成這項工作。
物聯網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據傳輸到互聯網。遙測裝置可能不需要電池，而是依靠無源天線線圈將數據電感傳輸到附近的射頻識別設備（RFID）或近場通信（NFC）閱讀器。該裝置也可能有電池、無線發送設備和天線，可以在手機、Wi-Fi或藍牙頻率范圍內主動傳輸數據。
物(wu)聯(lian)網傳(chuan)感器甚至(zhi)可能(neng)具有(you)一(yi)(yi)定的(de)(de)智能(neng)或數據解釋能(neng)力。為此(ci)，由(you)(you)(you)金屬和(he)半(ban)導體(ti)(ti)油墨印刷線制(zhi)(zhi)成(cheng)(cheng)的(de)(de)紙質集成(cheng)(cheng)電路正在(zai)研(yan)究(jiu)(jiu)之中。2011年(nian)，比利時微電子研(yan)究(jiu)(jiu)中心（Imec）的(de)(de)工(gong)程師(shi)利用有(you)機半(ban)導體(ti)(ti)制(zhi)(zhi)成(cheng)(cheng)的(de)(de)薄膜晶體(ti)(ti)管(guan)，在(zai)柔性塑(su)料(liao)上制(zhi)(zhi)造出一(yi)(yi)個8位微處理器。去年(nian)，他們又在(zai)研(yan)究(jiu)(jiu)一(yi)(yi)種印刷塑(su)料(liao)NFC芯(xin)片，使用由(you)(you)(you)銦、鎵、鋅和(he)氧混合而(er)成(cheng)(cheng)的(de)(de)金屬氧化物(wu)半(ban)導體(ti)(ti)IGZO。盡(jin)管(guan)這些(xie)設計與硅材料(liao)相比仍然(ran)相當原始和(he)低速，而(er)且由(you)(you)(you)于材料(liao)自身(shen)的(de)(de)局限性，可能(neng)不會有(you)太大(da)的(de)(de)進展(zhan)，但(dan)迄今(jin)為止，它們已經被證實能(neng)以合適的(de)(de)價格(ge)勝(sheng)任(ren)這項工(gong)作。
但大多(duo)數(shu)物聯網(wang)傳感(gan)器，尤其是(shi)廉價的(de)一次性傳感(gan)器，將依靠外部電(dian)源和(he)智(zhi)能(neng)。這(zhe)兩種(zhong)方(fang)法都非常普遍。例如(ru)，所有新(xin)款智(zhi)能(neng)手(shou)機都能(neng)進行近場(chang)通信，主要用于非接(jie)觸式電(dian)子(zi)支(zhi)付系統，如(ru)蘋果(guo)支(zhi)付。這(zhe)意味著你的(de)手(shou)機可能(neng)已經具備了為未來(lai)香腸新(xin)鮮度傳感(gan)器供電(dian)和(he)通話(hua)的(de)能(neng)力。
你(ni)可看到(dao)向柔性及生物可降解性的(de)(de)轉變(bian)。美國食品藥品監督管理局批準的(de)(de)首批可植(zhi)入(ru)MEMS壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器(qi)中，有(you)一款由CardioMEMS（目前屬于(yu)St. Jude Medical）制造，它(ta)是(shi)一個由石英(ying)制造的(de)(de)剛性傳(chuan)感(gan)器(qi)，可植(zhi)入(ru)到(dao)支架附近，監測支架維持動脈開放(fang)的(de)(de)功效(xiao)。傳(chuan)感(gan)器(qi)包(bao)括埋在石英(ying)中的(de)(de)天線和覆蓋(gai)空腔的(de)(de)石英(ying)薄膜(mo)，形成一個電(dian)(dian)容。當血壓(ya)擠壓(ya)薄膜(mo)時，電(dian)(dian)容就會改(gai)變(bian)，從而(er)改(gai)變(bian)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)(dian)路的(de)(de)諧振頻率(lv)。頻率(lv)的(de)(de)變(bian)化可以由外(wai)部閱(yue)讀(du)(du)器(qi)被(bei)動測量，外(wai)部閱(yue)讀(du)(du)器(qi)用已知頻率(lv)的(de)(de)射頻信號(hao)詢問傳(chuan)感(gan)器(qi)，然后與發生改(gai)變(bian)的(de)(de)返(fan)回信號(hao)頻率(lv)進行比較(jiao)。
石英(ying)以及(ji)硅制(zhi)傳感器的(de)問題(ti)是相對較硬，又很(hen)脆。更(geng)好(hao)的(de)選擇是柔韌的(de)材料，可(ke)以貼合身體輪廓和狹窄的(de)空間，比如血管(guan)內的(de)空間。生物可(ke)降(jiang)解材料是更(geng)佳選擇，在傳感器完(wan)成工作后，這(zhe)些材料可(ke)以在體內無害地(di)溶解，無需(xu)手(shou)術摘除(chu)。
隨后，CardioMEMS的聯合創始人之一，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，轉而制造柔性生物可降解傳感器。艾倫團隊的研究生正在設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成。利用MEMS微加工技術，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據傳輸能力、可生物降解的壓力傳感器。
在醫學領域之外，生物可降解傳感器的應用也很令人振奮。它們對于任何對環境敏感的活動（如精細農業）都極具吸引力。想象一下，一個農民在種植每一株新植物時都安裝一個傳感器，監測生長期土壤的水分。到收獲季節，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，例如可以監測食品新鮮度的包裝。
已經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）所帶領的小組，制成了一種紙基傳感器，可以檢測食物是否變質。印刷在紙上的納米結構無機化學物質與變質釋放的氣體發生反應；納米結構可根據氣體濃度改變顏色。目前，這種傳感器的結果只能是可視讀出。我們可以想象，智能手機應用程序可添加電子讀出和數據傳輸手段，使物聯網傳感器準備就緒。
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療診斷傳感器的方法。這種紙質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。利用絲網印刷和噴墨印刷等技術沉積蠟和導電油墨，懷特塞茲小組的研究人員已經能夠制造出紙質微流體傳感器、化學傳感器、濕度傳感器，甚至力傳感器。他們的目標是為發展中國家制造一套人們負擔得起的醫療診斷傳感器。這些設備可以彎曲、折疊，用完之后，可用火柴點燃，或讓它們自然分解。當我們想要數十億個物聯網傳感器和產品時，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網廢舊設備。
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。人體內的鹽環境提供了電池的電解質，方便地避免了傳統電池中使用的有毒酸。
在紐約州立大(da)學賓漢姆頓分(fen)校，崔秀潤（Seokheun Choi）小組正(zheng)在開發一(yi)種紙基電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，這種電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)具有一(yi)種非傳統的電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)來源——細菌。可以在泥坑里找(zhao)到某些(xie)(xie)細菌，在代謝食物時產生電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)。這些(xie)(xie)細菌附(fu)著在印在紙上(shang)的金屬電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)上(shang)，金屬電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)收集排放出(chu)的電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)。產生幾(ji)(ji)微安培(pei)的電(dian)(dian)(dian)(dian)流需要一(yi)堆細菌電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，這通過折紙手工(gong)很容易實現——只需將紙多(duo)折疊幾(ji)(ji)次。
傳感器通常需要嚴格的尺寸控制，紙質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生拉伸和變形。在半導體工業中，特征尺寸已經控制在幾納米以內；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。要實現塑料和紙質傳感器的大規模生產，我們需要新的、不同的設計工具和制造設備。
然而，紙加工和塑料加工技術在其他領域的應用已經有幾十年，甚至幾百年的歷史：用于生產報紙和書籍的紙質印刷機和紙質處理機械；用于精密印刷的絲網印刷和噴墨噴嘴；用于生產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，進而滿足塑料和紙質電子制造的特殊需求，一個新興產業可能很快就會誕生。美國國防部已經開始推動這種新的制造基礎設施。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，在此推動研發柔性混合電子產品的先進制造方法。該中心的目標是擺脫電子產品的堅硬骨架，即平面印刷電路板，在過去60年，電子系統的設計和制造一直有賴于它。
柔性混合電子是發展紙質和塑料電子產品的墊腳石。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可在短期內為士兵和軍事裝備提供輕質和可穿戴的電子產品。
從長遠來看，塑料和紙質傳感器制造新能力的發展以及隨之而來的商業模式，將開啟一個新產品世界。與制造芯片的“無廠”模式對比一下。當它在20世紀80年代末出現后，很快隨之爆發了一場大規模設計創新。年輕的芯片公司不再負擔半導體制造廠的巨額資本支出，它們可以專注于創新設計，同時讓代工廠負責制造工作。無廠制造模式加速了無數消費電子產品的發展，如智能手機、平板電腦和游戲機。
塑料和紙質電子產品制造產業可能超越無廠模式。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，已經可以在愛好者的家庭工作室和專業機器商店中看到3D聚合物打印機。不難想象，在20年內，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品。
當然，并非所有的傳感器技術都能應用到塑料或紙質上。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，或取決于只有傳統的硅微機械加工才能實現的亞微米公差。然而，海量消費級物聯網所需的更簡單的設備，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網應用，將只需要性能“夠用”、價格低廉的傳感器。
在傳(chuan)(chuan)統的(de)(de)硅(gui)和新興的(de)(de)低成(cheng)本(ben)柔性基板之間，我們正走向(xiang)電子制造的(de)(de)分水嶺。新的(de)(de)研(yan)究進展(zhan)、對柔性和低成(cheng)本(ben)傳(chuan)(chuan)感(gan)器不斷增長的(de)(de)需求(qiu)，以及對減少電子制造對環境影響(xiang)的(de)(de)意識(shi)增強，都將有(you)力(li)推動塑料和紙質(zhi)傳(chuan)(chuan)感(gan)器技(ji)術成(cheng)為主流。