這是2028年。星(xing)期(qi)三晚上(shang)8點，你(ni)(ni)餓(e)壞(huai)了。你(ni)(ni)盯著冰箱里僅剩的食(shi)物：一包令(ling)人沒胃(wei)口(kou)的灰(hui)色香腸。它(ta)原本就是這樣(yang)的嗎？還能安全食(shi)用嗎？在2018年，你(ni)(ni)只能依靠(kao)自己的嗅(xiu)覺來賭上(shang)一把(ba)。而(er)在2028年，你(ni)(ni)只需(xu)在包裝(zhuang)上(shang)方搖(yao)動智(zhi)能手機。智(zhi)能手機會詢問包裝(zhuang)內(nei)嵌入的傳(chuan)感器(qi)，該(gai)傳(chuan)感器(qi)可測量肉類分解的有關氣(qi)體濃度(du)。智(zhi)能手機上(shang)會顯示(shi)“未來20小時內(nei)可安全食(shi)用”的信息，然后(hou)提供一份香腸烹飪食(shi)譜。你(ni)(ni)餓(e)得連菜譜都來不及看，就撕開(kai)包裝(zhuang)，把(ba)香腸扔進煎(jian)鍋里，扔掉它(ta)的包裝(zhuang)，以(yi)及高技術(shu)傳(chuan)感器(qi)。
這個用智能手機救場的虛構場景，只是物聯網可能出現的諸多應用之一。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（MEMS）傳感器的融合，使物聯網今天已經成為可能。此外，聚合消費者行為的物聯網數據（即大數據）也是一個經過驗證的市場。追蹤和分析電子行業的研究公司IHS
markit預測，全球物聯網設備的數量將增長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的發展，這種說法并不準確。這種刺激說法基于一個重要假設——所有這些元件都將使用硅，利用現有的價值10億美元的芯片工(gong)廠（即晶圓工(gong)廠）制(zhi)造(zao)。但這種假設是錯(cuo)誤的(de)。能夠嗅出未(wei)來香腸(chang)安全性的(de)一次性傳感器不會用硅制(zhi)造(zao)。而是會直(zhi)接印在紙(zhi)質(zhi)或塑(su)料包裝上。
目前物聯網應用的傳感器基于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，它利用微觀機械結構來探測運動、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，可以將電子數據以無線形式發送到互聯網上。
MEMS傳(chuan)感(gan)器芯片的尺寸(cun)通常只有(you)1或2毫米，這意味著在直(zhi)徑為200毫米的硅(gui)片上可以經濟(ji)地生產(chan)成千上萬的芯片。目前(qian)，大容(rong)量MEMS傳(chuan)感(gan)器（如麥克(ke)風(feng)和(he)陀螺儀）的價(jia)格僅為0.10至0.50美元。這使得(de)它們適(shi)用于智能手(shou)機、健身追(zhui)蹤(zong)器和(he)其他售價(jia)100美元左右的消費電(dian)子(zi)產(chan)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(hua)說，要制造一個售價(jia)為0.01美元的(de)MEMS傳(chuan)感(gan)器，硅的(de)成本要只有現在(zai)的(de)1/5。縱觀硅的(de)歷史價(jia)格(ge)趨(qu)勢，價(jia)格(ge)似(si)乎不太可能下跌這么多。（事實上(shang)，在(zai)2006年至2010年的(de)光伏產業(ye)熱潮期(qi)間，硅的(de)價(jia)格(ge)比如今(jin)高十多倍。）縮(suo)小(xiao)MEMS芯片以達0.01美元的(de)價(jia)格(ge)目標(biao)也不會奏效。由于MEMS設(she)備依賴硅、液體(ti)和氣體(ti)的(de)機械性(xing)能，如果把它們大幅縮(suo)小(xiao)，那么大多數MEMS設(she)備都無法工作。相反(fan)，我們制造傳(chuan)感(gan)器必(bi)須用比硅便宜得(de)多的(de)材(cai)料。
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。
物聯(lian)網傳感器甚至可(ke)(ke)能具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)智能或(huo)數據(ju)解(jie)釋能力(li)。為(wei)此，由金(jin)屬(shu)和半(ban)導體(ti)(ti)油墨印(yin)(yin)刷(shua)線(xian)制成(cheng)(cheng)的(de)(de)紙質集成(cheng)(cheng)電路正在研究之中。2011年(nian)，比利時微電子研究中心（Imec）的(de)(de)工(gong)程師利用有(you)機半(ban)導體(ti)(ti)制成(cheng)(cheng)的(de)(de)薄膜晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)，在柔性塑(su)料上制造(zao)出一(yi)個8位微處理器。去(qu)年(nian)，他們(men)又在研究一(yi)種印(yin)(yin)刷(shua)塑(su)料NFC芯片(pian)，使用由銦、鎵、鋅和氧混(hun)合(he)而成(cheng)(cheng)的(de)(de)金(jin)屬(shu)氧化物半(ban)導體(ti)(ti)IGZO。盡管(guan)這些設計與硅材料相(xiang)比仍(reng)然相(xiang)當原始和低(di)速(su)，而且由于材料自身的(de)(de)局限性，可(ke)(ke)能不(bu)會(hui)有(you)太大的(de)(de)進(jin)展，但迄(qi)今為(wei)止，它們(men)已(yi)經被證實(shi)能以合(he)適的(de)(de)價格勝(sheng)任這項工(gong)作(zuo)。
但(dan)大多(duo)數(shu)物聯網傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，尤其是廉價的一次性傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，將依(yi)靠外部電(dian)源和(he)智能(neng)。這兩種方法都(dou)非(fei)常普遍。例如，所有新(xin)款智能(neng)手(shou)(shou)機都(dou)能(neng)進行(xing)近場通信，主(zhu)要(yao)用于非(fei)接觸式(shi)電(dian)子支付系(xi)統，如蘋果支付。這意(yi)味著(zhu)你(ni)的手(shou)(shou)機可能(neng)已經(jing)具備了(le)為未來香腸新(xin)鮮度傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)供電(dian)和(he)通話的能(neng)力(li)。
你(ni)可看(kan)到(dao)向柔(rou)性(xing)及生物(wu)可降解性(xing)的轉變(bian)(bian)。美國食品藥品監(jian)督管理(li)局批準(zhun)的首批可植(zhi)入(ru)MEMS壓力傳(chuan)感(gan)器(qi)中(zhong)，有一(yi)(yi)款由(you)CardioMEMS（目前屬于St. Jude Medical）制造，它是一(yi)(yi)個由(you)石英(ying)制造的剛性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)，可植(zhi)入(ru)到(dao)支(zhi)架(jia)附近，監(jian)測(ce)支(zhi)架(jia)維持(chi)動脈開放的功效。傳(chuan)感(gan)器(qi)包括埋在石英(ying)中(zhong)的天線和覆蓋空腔的石英(ying)薄膜，形成一(yi)(yi)個電(dian)容(rong)(rong)。當血壓擠壓薄膜時，電(dian)容(rong)(rong)就會改(gai)(gai)變(bian)(bian)，從而(er)改(gai)(gai)變(bian)(bian)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)路的諧振(zhen)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)。頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)的變(bian)(bian)化可以由(you)外(wai)部(bu)閱讀(du)器(qi)被(bei)動測(ce)量，外(wai)部(bu)閱讀(du)器(qi)用已知頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)的射(she)頻(pin)(pin)信號詢(xun)問傳(chuan)感(gan)器(qi)，然后與發生改(gai)(gai)變(bian)(bian)的返回信號頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)進行(xing)比(bi)較。
石英以(yi)及硅制傳感器的(de)問題是(shi)相對較硬，又很脆。更好的(de)選擇是(shi)柔(rou)韌的(de)材(cai)料，可(ke)(ke)以(yi)貼合身體輪(lun)廓和(he)狹窄的(de)空間，比(bi)如血管(guan)內(nei)的(de)空間。生物可(ke)(ke)降(jiang)解材(cai)料是(shi)更佳選擇，在(zai)傳感器完成(cheng)工作后，這(zhe)些(xie)材(cai)料可(ke)(ke)以(yi)在(zai)體內(nei)無害地溶解，無需手術摘除。
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(zai)紐(niu)約州(zhou)立大學賓漢姆頓分校，崔(cui)秀(xiu)潤（Seokheun Choi）小組正在(zai)開發一(yi)種紙基電(dian)池，這(zhe)種電(dian)池具有一(yi)種非(fei)傳統的(de)電(dian)子(zi)來源——細菌。可以在(zai)泥坑里(li)找到某些細菌，在(zai)代謝食物(wu)時產生(sheng)電(dian)子(zi)。這(zhe)些細菌附著(zhu)在(zai)印(yin)在(zai)紙上(shang)的(de)金屬(shu)電(dian)極(ji)上(shang)，金屬(shu)電(dian)極(ji)收集排(pai)放出的(de)電(dian)子(zi)。產生(sheng)幾(ji)微安培的(de)電(dian)流(liu)需(xu)要一(yi)堆細菌電(dian)池，這(zhe)通過折紙手工很容易實(shi)現——只需(xu)將(jiang)紙多(duo)折疊(die)幾(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)統的(de)(de)硅(gui)和(he)(he)新(xin)(xin)興的(de)(de)低(di)(di)成本(ben)柔性基板之(zhi)間，我們正走向電(dian)子制(zhi)造的(de)(de)分水嶺(ling)。新(xin)(xin)的(de)(de)研(yan)究進展(zhan)、對柔性和(he)(he)低(di)(di)成本(ben)傳(chuan)感(gan)器不斷增(zeng)長的(de)(de)需求(qiu)，以及對減少電(dian)子制(zhi)造對環境影(ying)響的(de)(de)意識增(zeng)強，都將有力推動塑(su)料和(he)(he)紙質傳(chuan)感(gan)器技術(shu)成為主流。
