现在是2028年星期三晚上8点，你饥肠辘辘地盯着冰箱里唯一剩下的东西：一包灰溜溜的香肠，看上去让人没食欲。但香肠都是这样的吗？这还能吃吗？在2018年，你必须依靠你的嗅觉来赌这包灰色的香肠到底能不能吃。但在2028年，你可能只需要将智能手机放在包装纸上，智能手机会和香肠包装纸里的嵌入式传感器连接，该传感器通过测量与肉类分解相关的气体浓度来判断香肠是否过期，并在智能手机上显示“在接下来的20小时内安全食用”的信息，还提供了一份烹饪香肠的食谱清单。但你饿得没时间看食谱，直接撕开包装纸，扔掉包装纸以及上面的传感器，将香肠扔进煎锅。
这个靠智能手机解决生活麻烦的想象场景只是物联网众多应用之一。由于低成本、低功耗组件特别是微处理器，和蜂窝无线电、Wi-Fi无线传输技术和MEMS传感器的出现，物联网技术现在是可以实现的。对于整合消费者行为的物联网数据，也有一个大家都看好的市场，称为大数据。IHS Markit是一家跟踪和分析电子行业的研究公司，它预测未来全球物联网设备数量将翻两番，从2017年的270亿台连接设备增加到2030年的1250亿台。
听到这个消息半导体行业兴奋到极点。他们的兴奋主要是基于一个主要假设——利用现有的数十亿美元称为代工厂（fabs）的芯片工厂，所有这些物联网器件都由硅制造。但这个假设是错误的。检测香肠安全性的一次性传感器不会用硅制造。相反，它们将直接印在纸上或塑料包装上。
目前可用于物联网的传感器是基于微机电系统（MEMS）。使用最初开发用于制造半导体集成电路的方法在硅晶片上制造微机电系统，该系统使用微观机械结构来检测运动、声音、压力、光甚至气体种类。其工作原理是利用尺寸在100微米（人类头发的直径）以下的隔膜、悬臂、振动质量或迂回管道对外界物理刺激作出响应，然后将其转换为电子信号。当其耦合到无线电和天线时，微机电系统传感器可以将电子数据通过无线发送到互联网。
微机电系统传感器芯片的侧面尺寸通常只有为1到2毫米，这意味着可以在200毫米直径的硅晶片上经济地生产数万个这样的微机电系统传感器。今天，大容量微机电系统传感器（如麦克风和陀螺仪）里每个传感器的价格低到0.10美元至0.50美元，这使得它们可以用在价格约为100美元的智能手机、健身追踪器和其他消费电子产品。
对于一次性使用的食品包装、医学测试或智能服装，产品价格需要低于10美元，从经济学考虑，传感器的成本必须低到一分钱。换句话说，微机电系统传感器的价格必须最多是目前这种广泛使用的低成本物联网产品的十分之一。
虽然硅的微机电系统制造有节省成本的空间，但最终会受到硅本身成本的限制。今天，在200毫米直径硅片上制造尺寸为1毫米×1毫米的微机电系统传感器需要约0.002美元的半导体级硅。
让我们做一些简单的数学来说明问题。（如果你不愿意的话，请直接跳到下一段。）1平方毫米的传感器要卖一分钱（0.01美元），制造商的成本不应超过0.007美元，因为大多数制造商希望传感器的利润率至少为30％，或者说利润应该要达到0.003美元。按照今天传感器制造的经验法则，微机电系统芯片的成本约为成品传感器成本的30％，其余70％的成本来自封装、测试、读数器件和传感器校准。因此，单独使用微机电系统芯片的成本仅为0.007美元的30％，即0.002美元。最后，硅材料占未封装微机电系统芯片成本的大约20％，这使我们的传感器芯片预算仅为0.0004美元。换句话说，要制造一个价格便宜的微机电系统传感器，硅的价格必须是现在成本的五分之一。 从历史上硅价走势来看，价格似乎不太可能下跌那么多。（事实上，在2006-2010年光伏产业飙升期间，硅的价格比今天的价格上涨了十倍以上。）缩小微机电系统芯片以达到1美分的价格目标也无济于事。 由于依赖于硅、流体和气体的机械特性，如果大幅缩小它们的尺寸，大多数微机电系统设备将无法工作。 相反，我们必须使用比硅便宜得多的材料制造传感器。
在所有行业中，市场力量总是促使制造商选择成本较低的原材料。在汽车行业中，塑料优于金属；在家具行业中，乙烯树脂胜于皮革；在电子行业中，LED从蓝宝石衬底变成硅。
现在，甚至微机电系统传感器都在朝塑料和纸张方向发展。虽然在这些简单的基板上制作电子设备似乎是一个全新的想法，但事实并非如此。这一先例可以追溯到近40年，当时Westinghouse的T. Peter Brody和Derrick P. Page首先在纸质基板上制造薄膜晶体管（TFT）。他们设想使用卷式打印方法来处理电子纸质文档和植入式医疗设备等产品。
多年来研究人员一直致力于纸张和塑料传感器的研究，降低传感器成本并不是他们唯一的动力。联邦基金的竞争促使研究人员在没有洁净室和其他先进工具的情况下寻找微制造技术的方法。然后，人们对利用比硅更灵活并且可生物降解的材料上构建传感器的兴趣日益增加，这种传感器可以用于侵入性医疗领域。随着电子应用遍及整个世界，发展中国家越来越需要使用最终的低成本材料——纸。
从产品设计的角度出发，用铁锤能做的事就不需要动用金锤。在需要灵活性、低成本和可处理性但物理传感要求不那么严格的物联网应用中，塑料和纸张传感器将以极具吸引力的价格得到广泛应用。
物联网传感器有两个重要组成部分：用于检测特定的物理或化学事件的传感器本身和将传感器的数据传输到互联网的遥测单元。遥测单元可以不需要电池，而依靠无源天线线圈将数据感应传输到附近的射频识别设备（RFID）或
近场通信（NFC）读取器。或者，该设备可以配备电池、收音机和天线，以便手机通过Wi-Fi或蓝牙主动传输数据。
物联网传感器甚至可以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仍在研发中。 2011年，比利时研究公司Imec的工程师用有机半导体制造的薄膜晶体管在柔性塑料上构建了一个8位微处理器。他们去年采用了印刷塑料近场通信芯片，该芯片采用IGZO（一种金属氧化物半导体，是铟、镓、锌和氧的混合物。）制成。虽然这些设计与硅基器件相比运行缓慢，仍然相当原始，并且由于这些材料的限制可能不会有进一步发展，但到目前为止这些器件都有价格上的优势。
但大多数物联网传感器，特别是廉价的一次性传感器，都依赖外部电源和智能，而这两者都广泛可用。例如，所有最新的智能手机都能够进行近场通信，近场通信主要用于非接触式电子支付系统，例如Apple Pay。这意味着你的手机已配备电源并能与未来的香肠新鲜度传感器通信。
你已经可以看到传感器领域侧重灵活性和生物降解性。由CardioMEMS（现为圣犹达医疗公司）创建的传感器，作为美国食品和药物管理局批准的首批可植入MEMS压力传感器之一，是由石英制成，可放在心脏植入支架附近，以监测支架保持动脉开放的状态。埋在石英内的天线和覆盖空腔的薄石英膜之间形成电容器，当血液的压力压在膜上时，它会改变电容，从而改变传感器电路的谐振频率，并通过外部读取器被动地测量频率的变化，该外部读取器利用已知频率的无线电信号询问传感器，然后将其与返回信号的改变频率进行比较。
石英传感器以及由硅制成的传感器的问题在于它们相对刚性且非常脆。使用更灵活的材料会更好，这些材料可以符合身体的轮廓和狭窄的空间，例如血管内的空间。可生物降解的材料就更好了，在传感器完成工作后可以无害地溶解在体内，避免任何手术切除的需要。
CardioMEMS的共同创始人之一，宾夕法尼亚大学的Mark Allen，研究重点从刚性硅和石英传感器转向制造柔性和可生物降解的传感器。艾伦集团的研究生现在正在设计传感器，甚至是聚合物，如聚（乳酸共-羟基乙酸）（PLGA），聚乙烯醇（PVA）和聚己内酯（PCL），这些材料与可溶性手术缝合线相同。互连和天线由诸如镁或锌的生物降解金属形成。使用MEMS微加工技术，如光刻和电镀，学生们展示了可生物降解的毫米级压力传感器，其石英祖先具有相同的无线数据传输能力。
可生物降解的传感器非常适合医疗领域以外的应用。在任何环境敏感活动（如精准农业）中使用它们极具吸引力。想象一下，农民在每个新植物上种植传感器，以便在生长季节监测土壤水化。到收获时间，传感器将会消失，无害地溶解到土壤中。同样，可生物降解的传感器将是任何其他人类安全的一次性物品的最佳选择，例如可以监控食物新鲜度的包装。
人们已经研制出香肠嗅探传感器的初始版本。位于纽约州波茨坦的克拉克森大学的Silvana Andreescu课题组制作了一种纸质传感器，可以检测食物腐败。由印刷在纸上的无机化学物质制成的纳米结构与分解食物释放的气体反应，然后纳米结构会按照气体浓度成比例地改变颜色。此时我们就可以直观地读取传感器的结果。如果添加电子读数和数据传输手段，就会是一个物联网传感器，可以实现开篇我们想象中的应用。
哈佛大学的乔治George Whitesides）课题组正在通过调整基于纸张的医学诊断传感器来实现这一目标，这些传感器可以改变颜色，因此我们可以直观地读取结果，就像家用的怀孕测试纸条那样，基于无线电频率的读出方法。使用丝网印刷和喷墨印刷等技术沉积蜡和导电油墨，Whitesides课题组的研究人员已经创建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的人们提供一套医疗诊断传感器。人们可以弯曲、折叠这些传感器来适应检测需要，当这些传感器检测结束时，我们可以点燃它们或者让它们自然分解。当我们考虑数十亿物联网传感器和产品时，它们分解和回归自然的能力可以防止垃圾填埋场溢出废弃的物联网设备。
虽然许多一次性传感器可以利用外部射频能量，但有些传感器仍然需要有自己的电源。这就是为什么艾伦在宾夕法尼亚大学的团队也在研究可生物降解的电化学电池，这些电池由他们用来构建传感器的相同聚合物和金属制成。人体内的盐水环境可以作为电池的电解质，这有效地避免了传统电池中使用的有毒酸。
在纽约州立大学宾厄姆顿分校，Seokheun Choi的团队正在开发一种纸质电池，其中含有非常规的电子来源：细菌。一些细菌——你可以在任何泥泞的水坑中找到——在它们代谢食物时会产生电子。这些细菌被固定在印刷在纸上的金属电极上，而电极会收集细菌产生的电子。如果要创建微电流我们需要堆积一系列细菌电池，并且可以通过折纸轻松实现：只需将纸张折叠多次。
纸和塑料的灵活性使得它们难以被加工成传感器，因为传感器通常需要严格的尺寸控制。例如，塑料在力或温度的轻微变化下会伸展和变形。在半导体行业，我们已经学会将尺寸控
然而，纸张和塑料加工技术在其他应用中已经建立了数十年甚至数百年的历史：用于制作报纸和书籍的纸张印刷机和纸张处理机器；用于精密印刷的丝网印刷和喷墨喷嘴；用于制造胶带和织带的卷对卷塑料制造技术；用于制造米数量级宽度液晶电视面板的大幅面光刻和薄膜沉积技术。
通过改进这些技术以满足塑料和纸张电子制造的特定需求，一个新的行业很快就会诞生。美国国防部已经开始推动这一新的基础设施制造业。 2016年9月，NextFlex中心在加利福尼亚州圣何塞开业。国防部组织了这项计划，并承诺提供7500万美元的资金，以促进研发混合电子产品的先进制造方法。该中心的目标是摆脱电子设备的坚固骨架，即平面印刷电路板，电子系统的设计和制造在过去的60年里都依赖于此。
灵活的混合电子设备为纸张和塑料电子产品提供了基础，它是一个折衷方案：我们尚未掌握在这些基板上制造高性能晶体管和其他元件的技术，但我们可以将传统的硅元件移植到塑料、织物和纸张上，这些元件的厚度小于50微米（因此可以制成柔性） 。在短期内，国防部预计这种制造技术将实现他们为士兵和军事装备寻找的轻型和可穿戴电子设备。
从长远来看，制造塑料和纸张传感器的新功能以及随附的商业模式的开发将可能开辟一整套新产品。将其与制作芯片的“无工厂”模型进行比较；当它在20世纪80年代后期成立时，很快就出现了设计创新的爆炸式增长。年轻的芯片公司，不再担心芯片厂的巨额资本支出，可以专注于创新设计，同时让代工厂进行制造工作。无芯片厂制造模式加速了无数消费电子产品的开发，例如智能手机、平板电脑和游戏机。
塑料和纸张电子制造业可能让工业超越无芯片厂模型(fabless model)。当制造使用简单的材料和方法时，它不需要发生在几乎像芯片厂一样复杂的设施中;每个城镇甚至每个家庭都可能有工厂。这是一个分布式制造模型。今天，你可以在业余爱好者的家庭作坊和专业机械加工厂中找到3D聚合物打印机。想象在20年内，先进的3D打印机还可以在家中制造灵活的传感器和电子设备，这难道不是一个巨大的飞跃吗？
当然，并非所有传感器都可以转向塑料或纸张。许多高性能传感器（如麦克风和陀螺仪）必须保留在硅片上，因为它们的物理性能取决于硅的特性，或者只有传统硅微加工才能满足亚微米公差的制造要求。然而，大量消费者需要的物联网设备并不复杂，例如温度、光、气体或压力传感器，是可以从硅转移到塑料甚至纸张。面向消费者的大量一次性物联网传感器只需要有“足够好”的性能和足够低的价格。
我们正在走向电子制造的分叉口，在传统硅制造和新兴低成本、灵活的基底材料之间进行选择。新的研究进展和人们对柔性和低成本传感器的需求不断增长，以及人们对减少制造电子设备对环境影响这一日益增强的认识，正是最终将塑料和纸张传感器技术大众化的关键动力。
这篇文章以“一次性使用的互联网”发表在2018年12月份的印刷版。
译注：
微机电系统（MEMS，MicroElectromechanical System）：指尺寸在毫米级或毫米级一下的高科技装置，内部结构在微米或纳米级，融合了光刻、腐蚀、硅微加工和精密机械加工等技术，在传感器、自动控制、医疗等领域应用广泛。
射频识别（RFID,Radio frequency identification）:一种通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与识别目标之间建立机械或光学接触的通信技术，适用于短距离识别通信，主要用于门禁系统、食品安全、物流管理和生产控制等领域。
近场通信（NFC，nearfield communication）:是在射频识别技术和互连互通技术整合演变而来，是一种短距离高频无线通信技术，通过在芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信，主要用于移动支付、电子票务、身份识别等领域。
圣犹达医疗公司（St. Jude Medical)：创立于1976年，总部位于美国明尼苏达州圣保罗市，是一家医疗设备生产商，其产品主要针对心律调节管理、心脏病手术、心脏瓣膜疾病管理等市场。2017年1月4号被Abbott收购。
乔治·怀特塞德斯（George Whitesides）：哈佛大学化学教授，是世界上被引用次数最高的化学家，研究领域涉及物理和有机化学、材料科学、生物物理、表面科学、自组装和微流控、微纳加工，致力于用微流控技术制造低成本的纸芯片。
无芯片厂模型（fabless model）：指公司只设计芯片电路，并把芯片生产外包给代工厂的一种商业模式，由Xilinx的Bernie Vonderschmitt和芯片技术公司的Gordon A. Campbel提出，芯片设计和制造过程独立。这种商业模式直接面向终端应用，减少了芯片制造流水线工艺的成本。相对的商业模式是IDM，指公司集芯片设计和生产于一体。
作者信息
Alissa M. Fitzgerald是位于加利福尼亚州Burlingame的MEMS设计公司A. M. Fitzgerald＆Associates的创始人和管理成员。
翻译：黄静
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