- 尺寸決定成敗
- MEMS：微觀世界的加工技術
當筆者要說這些都不是物聯(lián)網最關鍵的技術時，恐怕現(xiàn)如今的物聯(lián)網人士都會群起而攻之。但如果筆者說在與物聯(lián)網沒有關系的領域，這些技術經過十幾年乃至數(shù)十年的發(fā)展已經比較成熟或者相對成熟，可能反對的聲音就不會有那么多了。
這些比較成熟的技術應用到物聯(lián)網后之所以成為關鍵技術或者說技術難點，主要原因在于物聯(lián)網特別是無線傳感器網絡對物理尺寸的敏感。
尺寸決定成敗
十多年前，計算機“2000年問題” 令人十分頭痛。內存特別是大型機的內存曾經十分昂貴，因此很多商業(yè)應用在表達日期時就把19xx年中的19去掉，只留下后兩位，從而省去兩個字節(jié)的長度。然而，這種缺省只是在1個世紀內有效，跨世紀時則會出現(xiàn)大問題。最終，兩個字節(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。
在無線傳感器網絡的多數(shù)應用特別是軍事應用中，自然希望傳感器節(jié)點的尺寸越小越好，這樣才能做到隱蔽。而這種微型化的需求，將會把原本在工程實現(xiàn)上不成問題的技術變成了技術障礙。
如果不談尺寸的限制，我們可以說電源技術發(fā)展的很快，而一旦以衡量電源性能的主要指標比能量，即單位體積或重量的電源所給出的能量來衡量的話，電源技術的發(fā)展太過緩慢。今年8月9日，蓋茨在一次技術趨勢研討會上也對電池的進展很不滿意：“電池存在很多物理上的限制，要想在這一行業(yè)取得新進展是十分困難的。”
無線傳感器節(jié)點的微型化與電源容量就變成了一對矛盾。受電源容量所限，節(jié)點內的處理器的性能非但難以提高，有時甚至必須間歇工作以節(jié)省能耗。而計算性能不高，直接影響到信息安全，因為加密算法對計算資源要求很高?？傊?，電源容量限制帶來的影響將會波及到傳感器節(jié)點的方方面面。
現(xiàn)實中，很多應用又要求傳感器網絡長期工作，這對傳感器節(jié)點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，實現(xiàn)同樣的功能所占用的芯片面積越來越小，從而促進了微型化的發(fā)展。與此同時，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)行同樣任務時，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步，傳感器節(jié)點中芯片微型化已經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，特別是涉及到機械量的傳感器，是很難集成到芯片上的，因此，傳感器節(jié)點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
微電子機械系統(tǒng)（Micro-Electro Mechanical Systems，MEMS）是解決傳感器微型化的關鍵手段，MEMS對于物聯(lián)網的重要，與集成電路技術之于IT產業(yè)的重要是一樣的。
MEMS的起源可以追溯到半個世紀之前一位名叫理查德·費曼的美國物理學家。看過《別鬧了，費曼教授》一書的人都會感嘆于科學頑童和諾貝爾獎得主這兩種身份在他身上的和諧統(tǒng)一。1959年年底，費曼在加州理工學院物理年會上做了題為《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，納米技術的歷史也是從這里開始的。如今，費曼有關納米技術的預言大都實現(xiàn)了，費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的研究與之并無直接關系。
但MEMS真正快速地發(fā)展還是在20世紀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。后者就是費曼教授在演講中提及的方法，即用較大尺度的工具去構建（加工）較小尺度的產品。
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的發(fā)達，加之硅材料遵從胡克定律，即固體材料受力后，其應力與應變之間成線性關系，從而可以測量壓力等多種機械量，因此，硅就成為MEMS的常用材料，同時也為將MEMS傳感器與節(jié)點中其他芯片進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，微電子機械系統(tǒng)，顧名思義，是對電子機械系統(tǒng)的微型化，因此MEMS不僅僅限于傳感器制造。根據百度百科MEMS條目的定義，完整的MEMS是由傳感器、信號處理和控制電路、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)的自動化、智能化和可靠性水平。
