Интернет потребительских вещей с бумажными и пластиковыми датчиками

Интернет потребительских вещей с бумажными и пластиковыми датчиками
(автор статьи, опубликованной в декабре 2018 года — г-жа Алиса Фитцжеральд — основатель и член правления компании)

Год 2028. 8 часов вечера, в среду, и Вы — проголодались. Вы начинаете сожалеть о единственном
продукте, оставшемся в вашем холодильнике: пачке колбасок в неаппетитной серой упаковке. Ох.
Они всегда так выглядели? Можно ли их ещё есть? В 2018 году Вы должны полагаться на ваше
собственное обоняние и риск. Но в 2028 году Вы могли бы провести вашим смартфоном над
упаковкой. Смартфон активирует встроенный датчик, измеряющий концентрацию газов при
разложении мяса. Смартфон высветит сообщение: «безопасно съесть в течении следующих 20
часов», предлагая перечень рецептов для приготовления с колбасками. Будучи слишком
голодным, чтобы следовать рецепту, Вы открываете упаковку, бросаете колбаски в сковороду, и
выбрасываете упаковку вместе с её датчиком.

Эта воображаемая сцена перекусить с помощью смартфона охватывает только одно из многих
ожидаемых использований интернета вещей (IoT). Интернет вещей возможен уже сейчас
благодаря сближению недорогих, маломощных компонентов, особенно микропроцессоров,
спутникового и Wi-Fi радио, а также датчиков MEMS. Существует также проверенный рынок
собранных данных IoT о поведении потребителей, известный как большие данные.

Исследовательская фирма «HIS Markit», отслеживающая и анализирующая электронную
промышленность, предсказывает, мировой объём устройств IoT вырастит в четыре раза, с 27 млрд.
связанных устройств в 2017 году до 125 млрд. — в 2030 году.
Сказать, что промышленность полупроводников взволнована, было бы огромным
преуменьшением. В основе этого переживания лежит предположение — все эти компоненты будут
изготовлены с использованием кремния на существующих производствах стоимостью в миллиард
долларов по изготовлению микросхем, известные как Fab. Но, это предположение — неверно.
Одноразовые датчики, сохраняющие безопасность ваших будущих колбасок не должны быть на
кремнии. Вместо этого, они будут прямо печататься на бумаге или пластиковой упаковке.

Датчики IoT, доступные сегодня, основаны на MEMS (микроэлектромеханических устройствах).
Сформированные на кремниевых пластинах, с использованием методов, разработанных для
производства полупроводниковых интегральных схем, в датчиках MEMS используются
механические микроструктуры для фиксации движения, звука, давления, света или даже частиц
газа. Тонкие диафрагмы, кронштейны, вибрирующие массы или скруглённые каналы, которые
обычно размером менее 100 мкм (диаметр человеческого волоса) отвечают за физическое
стимулирование и последующую передачу электронного сигнала. При спаривании с антенной или
радио датчики MEMS могут отправить электронные данные в интернет без проводов.

Гибкие пластиковые датчики могут фиксировать содержимое упаковки и используя технологии ближней
радиосвязи, уже существующие в современных смартфонах, передавать свои данные.
Чипы датчиков MEMS имеют обычно размер по стороне только 1−2 мм, что означает возможность
экономичного производства десяти тысяч датчиков на полупроводниковых пластинах диаметром
200 мм. Сегодня цена датчиков MEMS, например, микрофонов и гироскопов, в крупных серийных
производствах только 0.10−0.50 дол. США/шт. Это позволяет их использовать в смартфонах,
фитнес устройствах и другой потребительской электронике, стоимостью около 100 долларов.

Для одноразового использования в пищевой упаковке, медицинских анализах или в умной одежде,
стоящих менее 10 долларов, экономика потребует стоимости датчиков в районе пенни. Иными
словами, цена датчика MEMS должна быть почти 1/10 от сегодняшней для широкого
использования в таких недорогих IoT продуктах.

Хотя ещё есть много затрат, которые можно сократить в производстве кремниевых MEMS,
потенциал сохранения ограничен, к сожалению, стоимостью самого кремния. Сегодня датчик
MEMS характеризуется размером 1×1 мм на пластине диаметром 200 мм при стоимости примерно
0.002 дол. США от полупроводникового кремния. Давайте сделаем простой подсчёт для
иллюстрации проблемы. (Перескочите к следующему разделу, если торопитесь). Для продажи
датчика размером 1 мм² за пенни (0.01 дол. США), затраты производителя должны быть не более,
чем 0.07 дол. США, так как большинство производителей надеются получить, по крайней мере,
30% прибыли или 0.03 дол. США на проданный датчик. По сегодняшнему правилу большого
пальца в проиводстве датчиков, стоимость чипа MEMS составляет грубо 30% от готового, с
оставшимися 70%, складывающимися из упаковки, тестирования, электронного считывания и
калибровки. Таким образом, это оставляет 30% от 0.07 дол. США на стоимость самого чипа MEMS
или 0.02 дол.США. Окончательно, стоимость самого кремния грубо составляет 20% стоимости
неупакованного чипа MEMS. Остающийся бюджет на кремний датчика — только 0.0004 дол.США.

Миссия невозможна

Быстрая оценка стоимости производства датчика MEMS стоимостью 0.01 дол. США из кремния показывает,
что стоимость самого кремния гораздо выше.

Другими словами, чтобы сделать датчик MEMS стоимостью в один пенни, кремний должен стоить
1/5 от сегодняшней стоимости. Рассматривая историческую тенденцию в цене кремния, кажется
маловероятным, что цены смогут когда-либо упасть так низко. (Фактически, цена кремния
поднялась более, чем на порядок, относительно сегодняшней в период роста солнечной индустрии
в 2006—2010 годах). Задача сокращения стоимости чипа MEMS до 1 цента не сработает. При
зависимости от механических свойств кремния, жидкостей и газов большинство устройств MEMS
не будут работать при таком резком сокращении. Вместо этого, необходимо изготавливать
датчики из материалов, стоящих гораздо меньше, чем кремний.

Группа «Seokheum Choi» из SUNY Бингхэмптон делает батареи на бумажной основе, использующие
электроны, производимые в бактериальном метаболизме.
По всей промышленности рыночные условия всегда настраивают изготовителей переходить на
менее затратные материалы. В автомобилях металлические части открыли путь пластику; в
будущем, кожа откроет путь винилу; а в электронике светодиоды (LED) перейдут с сапфировых
подложек на кремний.

Сегодня, даже датчики MEMS движутся в направлении пластика и бумаги. В то время, когда
электронные устройства на этих простых материалах могут показаться радикальной, новой идеей,
это — не так. Прецедент отбрасывает взгляд почти на 40 лет назад, когда Петер Броуди и Деррик
Пэйдж из компании Вестингхауз впервые сделали тонкоплёночные транзисторы (TFT) на
бумажной основе. Они представляли использование методов рулонной печати для производства
электронной бумаги и имплантируемых медицинских устройств.

Исследователи работали над бумажными и пластиковыми датчиками многие годы, а снижение
стоимости датчиков не было единственной мотивацией. Конкуренция федеральных фондов
привела исследователей к поиску путей микротехнологии без чистых комнат и другого
экзотического инструментария. Далее, растёт интерес к созданию датчиков из материалов более
гибких и биоразрушаемых, чем кремний, для применения в инвазивной медицине. А так как
применение электроники охватывает весь мир, то имеется рост заинтересованности
развивающихся стран в применении принципиально дешёвых материалов — бумаги.
Промышленные инженеры требует не использовать золотой молоток там, где будет работать
железный. В использовании IoT, где требуются гибкость, низкая стоимость или утилизируемость,
а необходимая чувствительность не столь значительна, пластиковые и бумажные датчики будут
выполнять задачу при разумной цене.

Датчик IoT имеет два существенных компонента: сам датчик, фиксирующий специфичное
физическое или химическое событие, и устройство телеметрии, передающее данные с датчика в
интернет. Устройству телеметрии может не требоваться батарея, полагаясь на пассивную антенну
для индукционной передачи данных на близлежащее радиочастотное идентификационное
устройство (RFID) или ближайший коммутационный считыватель (NFC). Или устройство может
иметь батарею, радио и антенну для активной передачи данных на мобильный телефон, по Wi-Fi
или Bluetooth частотам.

Датчик IoT может обладать определённым количеством знаний или возможностью интерпретации
данных. Для этого, изучаются встроенные в бумагу схемы из печатных металлических
проводников и полупроводниковых чернил. В 2011 году инженеры бельгийской
исследовательской фирмы Imec создали 8-ми битовый процессор на гибком пластике, используя
тонкоплёночный транзистор из органического полупроводника. Они придерживались этого до
прошлого года, когда сделали печатный пластиковый чип NFC, используя IGZO — металл-окисный
полупроводник из смеси индия, галлия, цинка и кислорода. Хотя эти разработки всё ещё
примитивны и медленны по сравнению с их кремниевыми собратьями и не могут продвинуться
далее из-за ограничений в этих материалах, они достаточно хорошо улучшились сами для работы
в разумных ценах.

Но большинство датчиков IoT, особенно дешёвых и утилизируемых, полагаются на внешнее
питание и интеллект, которые широко доступны. Например, все новые смартфоны способны на
близлежащее взаимодействие, которое преимущественно используется для бесконтактных
электронных систем оплаты таких, как Apple Pay. Это означает, что ваш телефон, вероятно, уже
оснащён способностью к общению с будущим датчиком свежести колбасок.
Вы можете уже видеть стремление к гибкости и биоразлагаемости. Один из первых
имплантируемых MEMS датчиков давления, созданный CardioMEMS (в настоящее время —
медчасть Св. Иудея) и усовершенствованный американской администрацией питания и лекарств —
жёсткий датчик на кварце, созданный для имплантирования около стента, чтобы отслеживать
эффективность его работы в поддержании открытости артерии. Датчик имеет заглублённую
антенну в кварц и тонкую мембрану кварца, закрывающую полость, создающую ёмкость. Когда
давление крови на мембрану падает, то оно меняет ёмкость и резонансную частоту датчика схемы.
Изменение частоты может пассивно фиксироваться внешним приёмником, который
взаимодействует с датчиком заданным радиочастотном сигналом и сравнивает его частоту с
обратным сигналом.

Проблема кварцевого датчика, и сделанных также из кремния, в том, что они относительно
жёсткие и очень хрупкие. Было бы лучше использовать более гибкие материалы, повторяющие
контуры тела и вписывающиеся в более узкие пространства такие, как внутри кровеносных
сосудов. Даже лучшие, должны быть разлагаемыми материалами, которые могут безвредно
растворяться в организме после окончания своей работы, снимая необходимость в хирургическом
удалении.

Биоразлагаемый барометр: датчики давления MEMS могут быть сделаны из такого же растворяемого
материала, как и хирургические швы.

Один из основателей CardioMEMS, из университета Пенсильвании — г-н Марк Ален, впоследствии
переключился с жёстких кремниевых и кварцевых датчиков на гибкие и биоразлагаемые.
Студенты-выпускники в группе Алена разрабатывают сейчас датчики и даже батареи из
полимеров таких, как поли (молочно-гликолевая) кислота (PLGA), поливиниловый спирт (PVA) и
поликапролактон (PCL), тот же материал, что и для растворимых хирургических швов.
Межсоединения и антенны формируются из биоралагаемых металлов таких, как магний или цинк.
Используя микротехнологии MEMS такие, как фотолитография и электрохимия, студенты
продемонстрировали биоразлагаемые, милиметрового размера датчики давления с теми же
возможностями беспроводной передачи данных, что и их кварцевые предки.

Биоразлагаемые датчики интересны для применения за пределами медицинской сферы. Они
должны быть сильно привлекательны для использования в любой активности относительно
окружающей среды такой, как точное сельское хозяйство. Представьте себе, что фермер
высаживает датчик с каждым растением для того, чтобы отслеживать влажность почвы во время
периода роста. Во время сбора урожая, датчик должен уже исчезнуть, полностью растворившись в
почве. Подобно, биоразлагаемые датчики должны быть наилучшим выбором для любой другой
человеческой деятельности, полностью растворяясь, как упаковка, которая могла бы
контролировать свежесть продуктов.

Предшественник датчика контроля колбасок уже рассматривался. Группа Сильваны Андриеску из
университета Кларксона в Потсдаме, Нью-Йорк, сделала датчик на бумажной основе, который
может отслеживать порчу продуктов. Наноструктуры, полученные печатью неорганических
химикатов на бумаге, реагируют с газами, выделяемыми при разложении; далее наноструктуры
изменяют цвет в пропорции к концентрации газа. В этот момент показания датчика могут
считываться визуально. Для нашего воображаемого приложения для смартфона добавление
средств электронного считывания и передачи данных обеспечит готовность датчика IoT.
Группа Джоджа Вайтсайда из Гарвардского университета занимается только тем, что адаптирует
медицинские диагностические датчики на бумаге, которые меняют цвет и считываются визуально,
как домашние полоски контроля на беременность, для считывания, базируясь на радиоволнах.
Используя технологии такие, как сеткография и струйная печать для осаждения восков и
проводящих чернил, исследователи Вайтсайда могут создать бумажный микрожидкостные
датчики, химические датчики, датчики влажности и даже датчики усилий. Их задача — набор
медицинских диагностических датчиков, которые люди в развивающихся странах могут себе
позволить. Их можно огибать, сгибать и складывать эти устройства в соответствии с назначением,
и когда они выполнили свой задачу, Вы можете зажечь их спичкой или просто позволить им
разложиться естественным образом. Поскольку мы рассматриваем миллиарды датчиков и
продуктов IoT, их способность разрушаться и возвращаться к природе может предотвратить
переполнение свалок устройствами из Интернета израсходованных вещей (IUsed-UpT).
Хотя многие разлагаемые датчики могут работать от внешних радиоволн, некоторые, всё ещё,
требуют собственных источников питания. Вот почему группа Аллена из Пенсильвании также
использует биоразлагаемые электрохимические батареи, сделанные из тех же полимеров и
металлов, используемых ими для создания датчиков. Солевое окружение внутри тела человека
создаёт электролит батареи, постоянно избегая вредных кислот, используемых в обычных
батареях.

В государственном университете Нью-Йорка в Бингхэмптоне группа «Seokheun Choi» разработала
батарею на основе бумаги с непостоянным источником электронов: бактериями. Некоторые
бактерии, которые могут быть найдены в любой грязной луже, генерируют электроны при
переваривании пищи. Эти бактерии прикрепляются к металлическим электродам, напечатанным
на бумаге, а эти электроды собирают испущенные электроны. Вам необходимо штабелировать
ячейки бактериальной батареи для создания микроампера тока, а это легко достигается, используя
оригами: только сгибая саму бумагу несколько раз.

Очень гибкие бумага и пластик затрудняют производство датчиков из них, которое обычно
требует чёткого контроля размеров. Пластики, например, растягиваются и деформируются при
незначительных изменениях силы и температуры. В полупроводниковой промышленности мы
выучились контролировать размер структур до нескольких нанометров; размер пластиков может
меняться на десятки микрон при увеличении температуры на несколько градусов. Нам необходим
новый и разнообразный набор дизайнерского инструментария, а также — производственного
оборудования для массовой продукции датчиков на основе пластика и бумаги.

Чип крови: бумажный электрохимический датчик измеряет глюкозу в крови и взаимодействует со
считывающим устройством.

Технологии обработки бумаги и пластика, тем не менее, на протяжении десятилетий и даже
столетий широко используются в других областях: для изготовления печатных машин и обработки
бумаги, для печати газет и книг; трафаретной и струйной точной печати; для рулонного
производства пластиков, изготовления лент; широкоформатной, метровой литографии и нанесения
тонких пленок, для изготовления крупноформатных ЖК-телевизионных панелей.
Модифицируя эти технологии для специфических нужд пластикового и бумажного электронного
производства, могут создаваться вскоре новые производства. Департамент обороны США уже
начал подталкивать к этому новую инфраструктуру производства. В сентябре 2016 года открылся
центр NextFlex в Сан-Хосе, Калифорния. Департамент Обороны инициировал и профинансировал
на 75 млн.дол.США для проведения исследований и разработки улучшенных методов
производства гибкой, гибридной электроники. Задачей центра является избавление электроники от
её прочной основы, плоской печатной платы, от которой в течение последних 60 лет зависел
конструктив и производство электронных систем.

Гибкая гибридная электроника создаёт трамплин для бумажной и пластиковой электроники. Она
обеспечивает практический компромисс: мы ещё не овладели мастерством изготовления
высококачественных транзисторов и других компонентов на их основе, но мы можем
трасплантировать традиционные кремниевые компоненты толщиной менее 50 мкм (и поэтому,
гибкие) на пластик, ткань и бумагу. В ближайшее время Департамент Обороны ожидает, что эта
технология производства приведёт к легковесной и носимой электронике, как видится это для их
солдат и военного оборудования.

В долгосрочной перспективе разработка новых возможностей производства пластиковых и
бумажных датчиков, и сопутствующих моделей бизнеса, откроют универсальные возможности
нового продукта. Сравните это с моделью «fabless» производства чипов; как это было на
протяжении 1980-х — скоро случится взрыв инновационных разработок. Молодые чиповые
компании, более не обременённые огромными капитальными затратами на владение фабрикой,
могут сфокусироваться на инновационных разработках, позволяя производствам делать свою
работу. Модель Fabless производства может быть передана для ускорения разработки
бесчисленных продуктов бытовой электроники, таких как смартфоны, планшеты и игровые
приставки.

Производство пластиковой и бумажной электроники потенциально могло бы дать скачок
промышленности компонентов fabless. Когда производство использует простые материалы и
методы, то ему не требуется наличия рядом сложного подразделения, как fab; это может быть
производство в каждом городе или даже в каждом домохозяйстве. Это модель распространённого
производства. Уже сегодня Вы можете найти 3D принтеры пластиков как в домашней мастерской,
как хобби, так и — в продаже профессиональных установок. Не так трудно представить, что в
течении 20 лет усовершенствованные 3D принтеры смогут также производить гибкие датчики и
электронику дома.

Конечно, не всю технологию датчиков можно переместить на пластик и бумагу. Многие сложные
датчики, как микрофоны и гироскопы, должны оставаться на кремнии, так как их физические
параметры зависят от свойств кремния или субмикронные допуска достигаются только при
прецизионной обработке кремния. Однако, с упрощением устройств, необходимых массового
потребителя IoT таких, как датчики температуры, света, газа или давления, то производство будет
смещаться с кремния на пластик или даже бумагу. Массовое, одноразовое применение IoT
потребителями потребует датчиков только с «достаточно хорошими» характеристиками и
достаточно низкой ценой.

Мы движемся к раздвоению в производстве электроники, между традиционными кремниевыми
методами и появляющимися недорогими, гибкими подложками. Новые исследовательские
разработки увеличивают спрос на гибкие и недорогие датчики, а растущая осведомлённость о
необходимости снижения воздействия на окружение электронного производства создаёт
критический момент для окончательного появления технологий пластиковых и бумажных
датчиков в основном направлении.

***********************
Компания «БалтМедиа Партнёр» ООО в коммерческом партнёрстве с коллегами помогает
внедрению и освоению эффективной техники на российском рынке производителей электроники.
По вопросам, связанным с производством электронной продукции, просьба использовать контакт:
Санкт-Петербург, Таллиннское шоссе, д.206
Тел. +7 (921) 895−14−22
Электронная почта: office@bmptek.ru
Управляющий проекта — Алексей Леонов