王會芳 武變霞

摘 要 物聯(lián)網(wǎng)時代，計算機技術和網(wǎng)絡技術快速發(fā)展起來，傳感器的功能及作用是不可忽視的。中國要適應目前的時代發(fā)展需要，就要著力于傳感器技術的研究，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 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）208-0121-02

縱觀信息技術的發(fā)展歷史，主要經歷了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)技術發(fā)揮著重要的作用。

第三個階段為應用傳感器進行數(shù)據(jù)信息的采集階段，物聯(lián)網(wǎng)技術發(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創(chuàng)新，那么，第三個階段則運用超越摩爾定律進行技術融合創(chuàng)新。中國的信息通訊技術快速發(fā)展，當進入到智能社會，互聯(lián)網(wǎng)與物相結合，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)了半導體技術的創(chuàng)新，同時也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎。

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

物聯(lián)網(wǎng)中，半導體是基礎領域，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世紀的中期，半導體被用于汽車領域中。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，汽車里安裝的傳感器數(shù)量相對較少?，F(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品，已經逐漸被中國的相關產品所替代，這是因為中國的傳感器技術在不斷提升。

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)的成果用于生產中，產品符合應用領域的要求。上海微技術工業(yè)研究院在研究微電子機械系統(tǒng)方面已經有了30多年的歷史，對于此項工作已經逐步系統(tǒng)化。

中國的微電子機械系統(tǒng)研究實驗室主要設立在清華大學、北京大學、上海微技術工業(yè)研究院。微電子機械系統(tǒng)的設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品轉化的問題。從技術層面來看，從研究院的研發(fā)到最終產品的形成，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)成果到產品的技術轉化問題，要將轉化的橋梁建立起來，就需要如中國的上海微技術工業(yè)研究院這樣的單位發(fā)揮作用。

當微電子機械系統(tǒng)技術的研究進入到成熟階段以后，就需要對技術的可行性進行論證，這就是大學以及研究所需要承擔的責任[4]。要將研究成果轉化為可以發(fā)揮應用價值的產品，就需要經過中間環(huán)節(jié)，即對微電子機械系統(tǒng)進行技術驗證，進行子系統(tǒng)的實驗，當微電子機械系統(tǒng)的驗證達到預期的技術指標之后，就要投入生產，變成應用領域可用的產品。

上海微技術工業(yè)研究院在研發(fā)成果和產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)芯片產業(yè)園”建立起來，發(fā)揮產業(yè)園的技術支撐作用，促進傳感器更好地發(fā)展，微能源技術得以更好地應用，推動物聯(lián)網(wǎng)時代更好地發(fā)展。

20世紀70年代，傳感器技術被應用于汽車領域中，中國的科學技術比較之后，沒有趕上這一技術浪潮。

進入21世紀后，中國的智能技術發(fā)展起來，智能手機時代的到來，使得傳感器技術以及核心元器件的研發(fā)技術需要不斷跟進。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，是重要的半導體材料。中國的手機生產中，已經取締了砷化鎵材料，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。

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

中國秉承三維的鰭式場效應晶體管發(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構進行發(fā)展，就會走很多的彎路，導致發(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體的制造成本降低，就可以使用22納米工藝技術或者28納米工藝技術，其中28納米工藝技術效果會更好一些。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 結論

綜上所述，摩爾定律被發(fā)現(xiàn)至今已經超過50年了，半導體技術快速發(fā)展起來，在應用領域中發(fā)揮著重要的作用。上海微技術工業(yè)研究院與合作伙伴從事超越摩爾定律的技術融合創(chuàng)新工作，在研發(fā)領域推進半導體差異化方向發(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，中國的半導體技術還存在著滯后性，要進入到信息技術的第三個發(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，將傳感器技術與信息通訊技術、能源技術等相融合，根據(jù)應用領域的需求從技術層面不斷地創(chuàng)新，以促進物聯(lián)網(wǎng)技術智能化方向發(fā)展。

參考文獻

[1]陳亮.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡綜述[J].電腦迷，2016（8）：215-227.

[2]錢歡，施偉斌.基于Android的無線傳感器網(wǎng)絡代碼更新系統(tǒng)設計[J].軟件導刊，2016，16（12）：125-127.

[3]彭芬.分布式網(wǎng)絡傳感器綜述及其在無線局域網(wǎng)中應用的問題探討[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2016（5）：84.

[4]李耀兵.基于能量最優(yōu)的無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋問題的研究[D].北京：北京理工大學，2016.

[5]李宓.無線傳感器網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[D].沈陽：沈陽師范大學，2016.

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