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MEMS:物联网核心技术所在(上)

木马童年 2019-7-4 18:00 32 0

  回应“什么是物联网最关键技术”这个问题的答案,应该比有关物联网仁智各见的定义的种类还要多。不错,传感器、无线、通信、云计算、信息安全、电源等技术都可谓是物联网的关键技术。 中国论文网 https://www.xzbu ...

  回应“什么是物联网最关键技术”这个问题的答案,应该比有关物联网仁智各见的定义的种类还要多。不错,传感器、无线、通信、云计算、信息安全、电源等技术都可谓是物联网的关键技术。 中国论文网 https://www.xzbu.com/8/view-8650754.htm  如果笔者说这些都不是物联网最关键的技术,恐怕现如今的物联网人士都会群起而攻之。但如果笔者说在与物联网没有关系的领域,这些技术经过十几年乃至数十年的发展已经比较成熟或者相对成熟,可能反对的声音就不会有那么多了。

这些比较成熟的技术应用到物联网后之所以成为关键技术或者说技术难点,主要原因在于物联网特别是无线传感器网络对物理尺寸的敏感。

尺寸决定成败

十多年前,计算机“2000年问题” 令人十分头痛。内存特别是大型机的内存曾经十分昂贵,因此很多商业应用在表达日期时就把19xx年中的19去掉,只留下后两位,从而省去两个字节的长度。然而,这种缺省只是在1个世纪内有效,跨世纪时则会出现大问题。最终,两个字节长度的节省,给全球商业用户带来了大麻烦。

在无线传感器网络的多数应用特别是军事应用中,人们自然希望传感器节点的尺寸越小越好,这样才能做到隐蔽。而这种微型化的需求,将会把原本在工程实现上不成问题的技术变成了技术障碍。

如果不谈尺寸的限制,我们可以说电源技术发展得很快,而一旦以衡量电源性能的主要指标比能量,即单位体积或重量的电源所给出的能量来衡量的话,电源技术的发展可以说是太过缓慢。今年8月9日,盖茨在一次技术趋势研讨会上也对电池的研究进展很不满意:“电池存在很多物理上的限制,要想在这一行业取得新进展是十分困难的。”

无线传感器节点的微型化与电源容量就变成了一对矛盾。受电源容量所限,节点内的处理器的性能非但难以提高,有时甚至必须间歇工作以节省能耗。而计算性能不高,直接影响到信息安全,因为加密算法对计算资源要求很高。总之,电源容量限制带来的影响将会波及到传感器节点的方方面面。现实中,很多应用又要求传感器网络长期工作,这对传感器节点的能量供给来说又是雪上加霜。

集成电路工业的发展为解决传感器节点微型化和功耗问题提供了借鉴。纵观处理器的发展历史,摩尔定律揭示着芯片集成度的持续提高,从而使同等面积的芯片可以容纳更多的功能,或者实现同样的功能所占用的芯片面积越来越小,从而促进了芯片微型化的发展。与此同时,由于芯片制程的提高,缩短了晶体管之间的引线长度,降低了引线电感,从而使得处理器在执行同样任务时,功耗也比上一代处理器有所下降。

得益于集成电路工艺的进步,传感器节点中芯片微型化已经让位于传感器的微型化,由于传感器家族中绝大部分都是非电量传感器,特别是涉及到机械量的传感器,是很难集成到芯片上的,因此,传感器节点的微型化在很大程度上可以说是传感器的微型化。

MEMS:微观世界的加工技术

微电子机械系统(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)是解决传感器微型化的关键手段,MEMS对于物联网的重要性,与集成电路技术之于IT产业的重要性是一样的。

MEMS的起源可以追溯到半个世纪之前一位名叫理查德费曼的美国物理学家。看过《别闹了,费曼教授》一书的人都会感叹于科学顽童和诺贝尔奖得主这两种身份在他身上的和谐统一。1959年年底,费曼在加州理工学院物理年会上做了题为《在底部还有很大的空间》(There's Plenty of Room at the Bottom)的著名演讲。不仅MEMS的源头在此,而且,纳米技术的历史也是从这里开始的。如今,费曼有关纳米技术的预言大都实现了,费曼也因此次演讲而被人们尊为纳米之父,尽管他的获得诺贝尔奖的研究与之并无直接关系。

但MEMS真正快速地发展还是在20世纪70年代引入了集成电路的加工方式之后的事情。MEMS的制造技术分为两类:“自底向上”法和“自顶向下”法,前者指的是用原子或者分子来搭建传感器,这事儿至少现在听起来还比较玄乎。后者就是费曼教授在演讲中提及的方法,即用较大尺度的工具去构建(加工)较小尺度的产品。

硅、金属、高分子材料都可以成为制造MEMS器件的基底材料,但由于基于硅的集成电路制造技术的发达,加之硅材料遵从胡克定律,即固体材料受力后,其应力与应变之间成线性关系,从而可以测量压力等多种机械量,因此,硅就成为MEMS的常用材料,同时也为将MEMS传感器与节点中其他芯片进行厚膜或者薄膜集成提供了可能。于是,光刻、腐蚀等集成电路制造的十八般技艺也就派上了用场。

上面说的只是使用MEMS的加工技术,微电子机械系统,顾名思义,是对电子机械系统的微型化,因此MEMS不仅仅限于传感器制造。根据百度百科MEMS条目的定义,完整的MEMS是由传感器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,集成于大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

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