物聯(lián)網(wǎng)時代的傳感器和材料創(chuàng)新分析

王會芳 武變霞

摘 要 物聯(lián)網(wǎng)時代，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展起來，傳感器的功能及作用是不可忽視的。中國要適應(yīng)目前的時代發(fā)展需要，就要著力于傳感器技術(shù)的研究，還要對傳感器材料不斷地創(chuàng)新。文章針對物聯(lián)網(wǎng)時代的傳感器和材料創(chuàng)新展開研究。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)時代；傳感器；材料創(chuàng)新

中圖分類號 TP3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）208-0121-02

縱觀信息技術(shù)的發(fā)展歷史，主要經(jīng)歷了3個階段：

第一個階段為計算機數(shù)據(jù)處理階段，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。

第二個階段為智能手機的數(shù)據(jù)傳輸階段，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。

第三個階段為應(yīng)用傳感器進行數(shù)據(jù)信息的采集階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。如果說第一個階段和第二個階段是運用摩爾定律進行單一技術(shù)創(chuàng)新，那么，第三個階段則運用超越摩爾定律進行技術(shù)融合創(chuàng)新。中國的信息通訊技術(shù)快速發(fā)展，當(dāng)進入到智能社會，互聯(lián)網(wǎng)與物相結(jié)合，此即為物聯(lián)網(wǎng)[ 1 ]。物聯(lián)網(wǎng)時代，傳感器是極為重要的，不僅實現(xiàn)了半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新，同時也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。

1 物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器技術(shù)創(chuàng)新的必要性

物聯(lián)網(wǎng)中，半導(dǎo)體是基礎(chǔ)領(lǐng)域，是不可或缺的，因此對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)起到了重要的支撐作用。傳感器的用途是非常廣泛的，在20世紀(jì)的中期，半導(dǎo)體被用于汽車領(lǐng)域中。汽車中有各種傳感器，數(shù)量很多。而中國的汽車工業(yè)發(fā)展速度相對緩慢，汽車?yán)锇惭b的傳感器數(shù)量相對較少。現(xiàn)代的汽車高級輔助駕駛系統(tǒng)中有各種傳感器，對于汽車的運行質(zhì)量都起到了重要的作用。智能手機普及，智能終端就需要使用傳感器，而且對傳感器的需求量非常大[ 2 ]。

目前已經(jīng)進入物聯(lián)網(wǎng)時代，對微電子機械系統(tǒng)傳感器的需求量不斷增加，這個由國外的手機品牌帶動起來的產(chǎn)品，已經(jīng)逐漸被中國的相關(guān)產(chǎn)品所替代，這是因為中國的傳感器技術(shù)在不斷提升。

自2011年以來，微電子機械系統(tǒng)傳感器市場中，中國的手機廠商所占有的份額逐年提升，2011年中國的手機廠商占有市場份額為9%，2012年中國的手機廠商占有市場份額為17%，2013年中國的手機廠商占有市場份額為21%，2014年中國的手機廠商占有市場份額為23%，2015年中國的手機廠商占有市場份額為30%。

智能手機的智能化程度越來越高，對傳感器的技術(shù)要求也越來越高，就需要不斷地創(chuàng)新，從而推動物聯(lián)網(wǎng)智能化。

2 中國微電子機械系統(tǒng)的研究開發(fā)情況

中國微電子機械系統(tǒng)上處于發(fā)展階段。上海微技術(shù)工業(yè)研究院在整個的研發(fā)中起到了中間鏈條的作用，使得研發(fā)的成果用于生產(chǎn)中，產(chǎn)品符合應(yīng)用領(lǐng)域的要求。上海微技術(shù)工業(yè)研究院在研究微電子機械系統(tǒng)方面已經(jīng)有了30多年的歷史，對于此項工作已經(jīng)逐步系統(tǒng)化。

中國的微電子機械系統(tǒng)研究實驗室主要設(shè)立在清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海微技術(shù)工業(yè)研究院。微電子機械系統(tǒng)的設(shè)計單位主要集中在長江三角洲一代。但是，受到這些單位規(guī)模的局限，使得企業(yè)研發(fā)平臺不夠大，難以實現(xiàn)規(guī)模化研發(fā)，因此，需要對企業(yè)的研發(fā)平臺進一步完善，以實現(xiàn)量產(chǎn)化。

從中國目前的微電子機械系統(tǒng)研發(fā)平臺情況來看，蘇州的一家微電子機械系統(tǒng)研發(fā)平臺具有一定的規(guī)模，不僅測試能力比較強，還具備封裝能力。無錫的一家微電子機械系統(tǒng)研發(fā)平臺也具有較大的規(guī)模[3]。上海微技術(shù)工業(yè)研究院是在上海政府的大力支持建立起來的，通過建立8英寸的研發(fā)供給線為研發(fā)微電子機械系統(tǒng)工作起到了重要的技術(shù)支撐作用。

從美國的微電子機械系統(tǒng)研究情況來看，也存在著科研成果向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的問題。從技術(shù)層面來看，從研究院的研發(fā)到最終產(chǎn)品的形成，中間都需要一個橋梁，否則研發(fā)的成果就會被束之高閣。美國的企業(yè)具有生產(chǎn)能力，同時也具備較強的研發(fā)能力。但是，美國依然存在著研發(fā)成果到產(chǎn)品的技術(shù)轉(zhuǎn)化問題，要將轉(zhuǎn)化的橋梁建立起來，就需要如中國的上海微技術(shù)工業(yè)研究院這樣的單位發(fā)揮作用。

當(dāng)微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的研究進入到成熟階段以后，就需要對技術(shù)的可行性進行論證，這就是大學(xué)以及研究所需要承擔(dān)的責(zé)任[4]。要將研究成果轉(zhuǎn)化為可以發(fā)揮應(yīng)用價值的產(chǎn)品，就需要經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，即對微電子機械系統(tǒng)進行技術(shù)驗證，進行子系統(tǒng)的實驗，當(dāng)微電子機械系統(tǒng)的驗證達到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)之后，就要投入生產(chǎn)，變成應(yīng)用領(lǐng)域可用的產(chǎn)品。

上海微技術(shù)工業(yè)研究院在研發(fā)成果和產(chǎn)品之間起到了橋梁作用，加入了工業(yè)聯(lián)盟之后，在上海嘉定還將“物聯(lián)網(wǎng)芯片產(chǎn)業(yè)園”建立起來，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)園的技術(shù)支撐作用，促進傳感器更好地發(fā)展，微能源技術(shù)得以更好地應(yīng)用，推動物聯(lián)網(wǎng)時代更好地發(fā)展。

20世紀(jì)70年代，傳感器技術(shù)被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域中，中國的科學(xué)技術(shù)比較之后，沒有趕上這一技術(shù)浪潮。

進入21世紀(jì)后，中國的智能技術(shù)發(fā)展起來，智能手機時代的到來，使得傳感器技術(shù)以及核心元器件的研發(fā)技術(shù)需要不斷跟進。物聯(lián)網(wǎng)時代，希望中國能夠進入超越摩爾定律階段，實現(xiàn)技術(shù)融合創(chuàng)新[5]。

3 物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器材料的創(chuàng)新

微電子機械系統(tǒng)傳感器中，絕緣層上硅是非常好的襯底材料，也可以用于手機的射頻（Radio Frequency）前端，作為輻射到空間的電磁頻率，就是一種射頻電流，產(chǎn)生高頻交流變化電磁波，頻率的范圍介于300kHz～30MHz之間。傳統(tǒng)的射頻元器件是砷化鎵（gallium arsenide），這種材料在空氣環(huán)境中具有高度穩(wěn)定性，而且不容易被氧化，是重要的半導(dǎo)體材料。中國的手機生產(chǎn)中，已經(jīng)取締了砷化鎵材料，而是使用了絕緣襯底上的硅（silicon on insulator），這是一種新型硅基集成電路材料。在物聯(lián)網(wǎng)中，這種材料的需求量將是非常大的。

伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，材料不斷創(chuàng)新。當(dāng)20納米工藝技術(shù)得以實現(xiàn)時，半導(dǎo)體材料面臨著兩條發(fā)展道路，即三維的鰭式場效應(yīng)晶體管（Fin Field-Effect Transistor），或者是絕緣襯底上的硅二維結(jié)構(gòu)（two-dimensional structure），三維的晶體管結(jié)構(gòu)依然被使用[6]。

中國秉承三維的鰭式場效應(yīng)晶體管發(fā)展道路，并且緊緊跟隨。如果中國要選擇絕緣襯底上的硅二維結(jié)構(gòu)進行發(fā)展，就會走很多的彎路，導(dǎo)致發(fā)展滯后，而且摩爾定律被過于夸大，平面互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor）似乎很難更好地發(fā)揮作用。

如果將平面互補金屬氧化物半導(dǎo)體的制造成本降低，就可以使用22納米工藝技術(shù)或者28納米工藝技術(shù)，其中28納米工藝技術(shù)效果會更好一些。這樣，絕緣襯底上的硅在使用中就會降低功耗，用于物聯(lián)網(wǎng)中效果非常好。

4 結(jié)論

綜上所述，摩爾定律被發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)超過50年了，半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展起來，在應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。上海微技術(shù)工業(yè)研究院與合作伙伴從事超越摩爾定律的技術(shù)融合創(chuàng)新工作，在研發(fā)領(lǐng)域推進半導(dǎo)體差異化方向發(fā)展。對摩爾定律執(zhí)著的追求，就需要大量的資金投入。

從目前來看，中國的半導(dǎo)體技術(shù)還存在著滯后性，要進入到信息技術(shù)的第三個發(fā)展階段，并更好地發(fā)揮傳感器的作用還比較困難的。處于物聯(lián)網(wǎng)時代，將傳感器技術(shù)與信息通訊技術(shù)、能源技術(shù)等相融合，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的需求從技術(shù)層面不斷地創(chuàng)新，以促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能化方向發(fā)展。

參考文獻

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[6]王丁.基于演化博弈的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)作機制研究[D].上海：東華大學(xué)，2016.