物联网时代的传感器和材料创新分析

王会芳 武变霞

摘 要 物联网时代，计算机技术和网络技术快速发展起来，传感器的功能及作用是不可忽视的。中国要适应目前的时代发展需要，就要着力于传感器技术的研究，还要对传感器材料不断地创新。文章针对物联网时代的传感器和材料创新展开研究。

关键词 物联网时代；传感器；材料创新

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）208-0121-02

纵观信息技术的发展历史，主要经历了3个阶段：

第一个阶段为计算机数据处理阶段，互联网技术发挥着重要的作用。

第二个阶段为智能手机的数据传输阶段，移动互联网技术发挥着重要的作用。

第三个阶段为应用传感器进行数据信息的采集阶段，物联网技术发挥着重要的作用。如果說第一个阶段和第二个阶段是运用摩尔定律进行单一技术创新，那么，第三个阶段则运用超越摩尔定律进行技术融合创新。中国的信息通讯技术快速发展，当进入到智能社会，互联网与物相结合，此即为物联网[ 1 ]。物联网时代，传感器是极为重要的，不仅实现了半导体技术的创新，同时也是物联网发展的基础。

1 物联网时代传感器技术创新的必要性

物联网中，半导体是基础领域，是不可或缺的，因此对物联网系统起到了重要的支撑作用。传感器的用途是非常广泛的，在20世纪的中期，半导体被用于汽车领域中。汽车中有各种传感器，数量很多。而中国的汽车工业发展速度相对缓慢，汽车里安装的传感器数量相对较少。现代的汽车高级辅助驾驶系统中有各种传感器，对于汽车的运行质量都起到了重要的作用。智能手机普及，智能终端就需要使用传感器，而且对传感器的需求量非常大[ 2 ]。

目前已经进入物联网时代，对微电子机械系统传感器的需求量不断增加，这个由国外的手机品牌带动起来的产品，已经逐渐被中国的相关产品所替代，这是因为中国的传感器技术在不断提升。

自2011年以来，微电子机械系统传感器市场中，中国的手机厂商所占有的份额逐年提升，2011年中国的手机厂商占有市场份额为9%，2012年中国的手机厂商占有市场份额为17%，2013年中国的手机厂商占有市场份额为21%，2014年中国的手机厂商占有市场份额为23%，2015年中国的手机厂商占有市场份额为30%。

智能手机的智能化程度越来越高，对传感器的技术要求也越来越高，就需要不断地创新，从而推动物联网智能化。

2 中国微电子机械系统的研究开发情况

中国微电子机械系统上处于发展阶段。上海微技术工业研究院在整个的研发中起到了中间链条的作用，使得研发的成果用于生产中，产品符合应用领域的要求。上海微技术工业研究院在研究微电子机械系统方面已经有了30多年的历史，对于此项工作已经逐步系统化。

中国的微电子机械系统研究实验室主要设立在清华大学、北京大学、上海微技术工业研究院。微电子机械系统的设计单位主要集中在长江三角洲一代。但是，受到这些单位规模的局限，使得企业研发平台不够大，难以实现规模化研发，因此，需要对企业的研发平台进一步完善，以实现量产化。

从中国目前的微电子机械系统研发平台情况来看，苏州的一家微电子机械系统研发平台具有一定的规模，不仅测试能力比较强，还具备封装能力。无锡的一家微电子机械系统研发平台也具有较大的规模[3]。上海微技术工业研究院是在上海政府的大力支持建立起来的，通过建立8英寸的研发供给线为研发微电子机械系统工作起到了重要的技术支撑作用。

从美国的微电子机械系统研究情况来看，也存在着科研成果向产品转化的问题。从技术层面来看，从研究院的研发到最终产品的形成，中间都需要一个桥梁，否则研发的成果就会被束之高阁。美国的企业具有生产能力，同时也具备较强的研发能力。但是，美国依然存在着研发成果到产品的技术转化问题，要将转化的桥梁建立起来，就需要如中国的上海微技术工业研究院这样的单位发挥作用。

当微电子机械系统技术的研究进入到成熟阶段以后，就需要对技术的可行性进行论证，这就是大学以及研究所需要承担的责任[4]。要将研究成果转化为可以发挥应用价值的产品，就需要经过中间环节，即对微电子机械系统进行技术验证，进行子系统的实验，当微电子机械系统的验证达到预期的技术指标之后，就要投入生产，变成应用领域可用的产品。

上海微技术工业研究院在研发成果和产品之间起到了桥梁作用，加入了工业联盟之后，在上海嘉定还将“物联网芯片产业园”建立起来，发挥产业园的技术支撑作用，促进传感器更好地发展，微能源技术得以更好地应用，推动物联网时代更好地发展。

20世纪70年代，传感器技术被应用于汽车领域中，中国的科学技术比较之后，没有赶上这一技术浪潮。

进入21世纪后，中国的智能技术发展起来，智能手机时代的到来，使得传感器技术以及核心元器件的研发技术需要不断跟进。物联网时代，希望中国能够进入超越摩尔定律阶段，实现技术融合创新[5]。

3 物联网时代传感器材料的创新

微电子机械系统传感器中，绝缘层上硅是非常好的衬底材料，也可以用于手机的射频（Radio Frequency）前端，作为辐射到空间的电磁频率，就是一种射频电流，产生高频交流变化电磁波，频率的范围介于300kHz～30MHz之间。传统的射频元器件是砷化镓（gallium arsenide），这种材料在空气环境中具有高度稳定性，而且不容易被氧化，是重要的半导体材料。中国的手机生产中，已经取缔了砷化镓材料，而是使用了绝缘衬底上的硅（silicon on insulator），这是一种新型硅基集成电路材料。在物联网中，这种材料的需求量将是非常大的。

伴随着半导体技术的发展，材料不断创新。当20纳米工艺技术得以实现时，半导体材料面临着两条发展道路，即三维的鳍式场效应晶体管（Fin Field-Effect Transistor），或者是绝缘衬底上的硅二维结构（two-dimensional structure），三维的晶体管结构依然被使用[6]。

中国秉承三维的鳍式场效应晶体管发展道路，并且紧紧跟随。如果中国要选择绝缘衬底上的硅二维结构进行发展，就会走很多的弯路，导致发展滞后，而且摩尔定律被过于夸大，平面互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor）似乎很难更好地发挥作用。

如果将平面互补金属氧化物半导体的制造成本降低，就可以使用22纳米工艺技术或者28纳米工艺技术，其中28纳米工艺技术效果会更好一些。这样，绝缘衬底上的硅在使用中就会降低功耗，用于物联网中效果非常好。

4 结论

综上所述，摩尔定律被发现至今已经超过50年了，半导体技术快速发展起来，在应用领域中发挥着重要的作用。上海微技术工业研究院与合作伙伴从事超越摩尔定律的技术融合创新工作，在研发领域推进半导体差异化方向发展。对摩尔定律执着的追求，就需要大量的资金投入。

从目前来看，中国的半导体技术还存在着滞后性，要进入到信息技术的第三个发展阶段，并更好地发挥传感器的作用还比较困难的。处于物联网时代，将传感器技术与信息通讯技术、能源技术等相融合，根据应用领域的需求从技术层面不断地创新，以促进物联网技术智能化方向发展。

参考文献

[1]陈亮.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电脑迷，2016（8）：215-227.

[2]钱欢，施伟斌.基于Android的无线传感器网络代码更新系统设计[J].软件导刊，2016，16（12）：125-127.

[3]彭芬.分布式网络传感器综述及其在无线局域网中应用的问题探讨[J].现代制造技术与装备，2016（5）：84.

[4]李耀兵.基于能量最优的无线传感器网络覆盖问题的研究[D].北京：北京理工大学，2016.

[5]李宓.无线传感器网络实时数据采集与监控系统[D].沈阳：沈阳师范大学，2016.

[6]王丁.基于演化博弈的无线传感器网络节点协作机制研究[D].上海：东华大学，2016.