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MEMS:物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)所在

發(fā)布時間:2010-08-24 來源:中華工控網(wǎng)

機遇與挑戰(zhàn):
  • 尺寸決定成敗
  • MEMS:微觀世界的加工技術(shù)
回應(yīng)“什么是物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵技術(shù)”這個問題的答案,應(yīng)該比有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)仁智各見的定義的種類還要多。不錯,傳感器、無線、通信、云計算、信息安全、電源等技術(shù)都可謂是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

當筆者要說這些都不是物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的技術(shù)時,恐怕現(xiàn)如今的物聯(lián)網(wǎng)人士都會群起而攻之。但如果筆者說在與物聯(lián)網(wǎng)沒有關(guān)系的領(lǐng)域,這些技術(shù)經(jīng)過十幾年乃至數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟或者相對成熟,可能反對的聲音就不會有那么多了。

這些比較成熟的技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)后之所以成為關(guān)鍵技術(shù)或者說技術(shù)難點,主要原因在于物聯(lián)網(wǎng)特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理尺寸的敏感。

尺寸決定成敗
十多年前,計算機“2000年問題” 令人十分頭痛。內(nèi)存特別是大型機的內(nèi)存曾經(jīng)十分昂貴,因此很多商業(yè)應(yīng)用在表達日期時就把19xx年中的19去掉,只留下后兩位,從而省去兩個字節(jié)的長度。然而,這種缺省只是在1個世紀內(nèi)有效,跨世紀時則會出現(xiàn)大問題。最終,兩個字節(jié)長度的節(jié)省,給全球商業(yè)用戶帶來的麻煩可就太大了。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多數(shù)應(yīng)用特別是軍事應(yīng)用中,自然希望傳感器節(jié)點的尺寸越小越好,這樣才能做到隱蔽。而這種微型化的需求,將會把原本在工程實現(xiàn)上不成問題的技術(shù)變成了技術(shù)障礙。

如果不談尺寸的限制,我們可以說電源技術(shù)發(fā)展的很快,而一旦以衡量電源性能的主要指標比能量,即單位體積或重量的電源所給出的能量來衡量的話,電源技術(shù)的發(fā)展太過緩慢。今年8月9日,蓋茨在一次技術(shù)趨勢研討會上也對電池的進展很不滿意:“電池存在很多物理上的限制,要想在這一行業(yè)取得新進展是十分困難的。”

無線傳感器節(jié)點的微型化與電源容量就變成了一對矛盾。受電源容量所限,節(jié)點內(nèi)的處理器的性能非但難以提高,有時甚至必須間歇工作以節(jié)省能耗。而計算性能不高,直接影響到信息安全,因為加密算法對計算資源要求很高。總之,電源容量限制帶來的影響將會波及到傳感器節(jié)點的方方面面。

現(xiàn)實中,很多應(yīng)用又要求傳感器網(wǎng)絡(luò)長期工作,這對傳感器節(jié)點的能量供給來說又是雪上加霜。

集成電路工業(yè)的發(fā)展為解決傳感器節(jié)點微型化和功耗的問題提供了借鑒。縱觀處理器的發(fā)展歷史,摩爾定律揭示著芯片集成度的持續(xù)提高,從而使得同等面積的芯片可以容納更多的功能,或者,實現(xiàn)同樣的功能所占用的芯片面積越來越小,從而促進了微型化的發(fā)展。與此同時,由于芯片制程的提高,縮短了晶體管之間的引線長度,降低了引線電感,從而使得處理器在執(zhí)行同樣任務(wù)時,功耗也將比上一代處理器有所下降。

得益于集成電路工藝的進步,傳感器節(jié)點中芯片微型化已經(jīng)讓位于傳感器的微型化,由于傳感器家族中絕大部分都是非電量傳感器,特別是涉及到機械量的傳感器,是很難集成到芯片上的,因此,傳感器節(jié)點的微型化在很大程度上可以說是傳感器的微型化。

MEMS:微觀世界的加工技術(shù)
微電子機械系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)是解決傳感器微型化的關(guān)鍵手段,MEMS對于物聯(lián)網(wǎng)的重要,與集成電路技術(shù)之于IT產(chǎn)業(yè)的重要是一樣的。

MEMS的起源可以追溯到半個世紀之前一位名叫理查德·費曼的美國物理學(xué)家??催^《別鬧了,費曼教授》一書的人都會感嘆于科學(xué)頑童和諾貝爾獎得主這兩種身份在他身上的和諧統(tǒng)一。1959年年底,費曼在加州理工學(xué)院物理年會上做了題為《在底部還有很大的空間》(There’s Plenty of Room at the Bottom)的著名演講。不僅MEMS的源頭在此,而且,納米技術(shù)的歷史也是從這里開始的。如今,費曼有關(guān)納米技術(shù)的預(yù)言大都實現(xiàn)了,費曼也因此次演講而被人們尊為納米之父,盡管他的獲得諾貝爾獎的研究與之并無直接關(guān)系。

但MEMS真正快速地發(fā)展還是在20世紀70年代引入了集成電路的加工方式之后的事情。

MEMS的制造技術(shù)分為兩類:“自底向上”法和“自頂向下”法,前者指的是用原子或者分子來搭建傳感器,這事兒至少現(xiàn)在聽起來還比較玄乎。后者就是費曼教授在演講中提及的方法,即用較大尺度的工具去構(gòu)建(加工)較小尺度的產(chǎn)品。

硅、金屬、高分子材料都可以成為制造MEMS器件的基底材料,但由于基于硅的集成電路制造技術(shù)的發(fā)達,加之硅材料遵從胡克定律,即固體材料受力后,其應(yīng)力與應(yīng)變之間成線性關(guān)系,從而可以測量壓力等多種機械量,因此,硅就成為MEMS的常用材料,同時也為將MEMS傳感器與節(jié)點中其他芯片進行厚膜或者薄膜集成提供了可能。于是,光刻、腐蝕等集成電路制造的十八般技藝也就派上了用場。

上面說的只是使用MEMS的加工技術(shù),微電子機械系統(tǒng),顧名思義,是對電子機械系統(tǒng)的微型化,因此MEMS不僅僅限于傳感器制造。根據(jù)百度百科MEMS條目的定義,完整的MEMS是由傳感器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起,組成具有多功能的微型系統(tǒng),集成于大尺寸系統(tǒng)中,從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。
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