- 尺寸決定成敗
- MEMS：微觀世界的加工技術(shù)
當(dāng)筆者要說這些都不是物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的技術(shù)時(shí)，恐怕現(xiàn)如今的物聯(lián)網(wǎng)人士都會(huì)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(duì)成熟，可能反對(duì)的聲音就不會(huì)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(diǎn)，主要原因在于物聯(lián)網(wǎng)特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理尺寸的敏感。
尺寸決定成敗
十多年前，計(jì)算機(jī)“2000年問題” 令人十分頭痛。內(nèi)存特別是大型機(jī)的內(nèi)存曾經(jīng)十分昂貴，因此很多商業(yè)應(yīng)用在表達(dá)日期時(shí)就把19xx年中的19去掉，只留下后兩位，從而省去兩個(gè)字節(jié)的長度。然而，這種缺省只是在1個(gè)世紀(jì)內(nèi)有效，跨世紀(jì)時(shí)則會(huì)出現(xiàn)大問題。最終，兩個(gè)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(diǎn)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(huì)把原本在工程實(shí)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(biāo)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(huì)上也對(duì)電池的進(jìn)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(jìn)展是十分困難的。”
無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化與電源容量就變成了一對(duì)矛盾。受電源容量所限，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的處理器的性能非但難以提高，有時(shí)甚至必須間歇工作以節(jié)省能耗。而計(jì)算性能不高，直接影響到信息安全，因?yàn)榧用芩惴▽?duì)計(jì)算資源要求很高。總之，電源容量限制帶來的影響將會(huì)波及到傳感器節(jié)點(diǎn)的方方面面。
現(xiàn)實(shí)中，很多應(yīng)用又要求傳感器網(wǎng)絡(luò)長期工作，這對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)微型化和功耗的問題提供了借鑒?？v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(shí)現(xiàn)同樣的功能所占用的芯片面積越來越小，從而促進(jìn)了微型化的發(fā)展。與此同時(shí)，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(shí)，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(jìn)步，傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)械量的傳感器，是很難集成到芯片上的，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)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(duì)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(gè)世紀(jì)之前一位名叫理查德·費(fèi)曼的美國物理學(xué)家?？催^《別鬧了，費(fèi)曼教授》一書的人都會(huì)感嘆于科學(xué)頑童和諾貝爾獎(jiǎng)得主這兩種身份在他身上的和諧統(tǒng)一。1959年年底，費(fèi)曼在加州理工學(xué)院物理年會(huì)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(fèi)曼有關(guān)納米技術(shù)的預(yù)言大都實(shí)現(xiàn)了，費(fèi)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(jiǎng)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(jì)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(fèi)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(dá)，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(jī)械量，因此，硅就成為MEMS的常用材料，同時(shí)也為將MEMS傳感器與節(jié)點(diǎn)中其他芯片進(jìn)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(jī)械系統(tǒng)，顧名思義，是對(duì)電子機(jī)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(hào)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(biāo)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(dòng)化、智能化和可靠性水平。
