MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用初探

伍國偉，伍斯龍

（肇慶市聲光電子器材有限公司，廣東 肇慶 526060）

MESM 傳感器是MESM 器件的重要分支，其采用微機(jī)械加工及處理技術(shù)，能夠抵抗外界不良環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)了傳感器應(yīng)用的智能化、微型化與多功能化。MESM 傳感器具有典型的體積小、功能齊全、靈敏度和可靠度高等優(yōu)勢(shì)，自從20世紀(jì)中葉研發(fā)至今，已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的傳感器。本文首先對(duì)MESM 傳感器的技術(shù)特點(diǎn)和分類進(jìn)行分析，然后從環(huán)保領(lǐng)域、生物醫(yī)藥、航空航天等方面進(jìn)行了應(yīng)用闡述，并針對(duì)性地提出了MESM 傳感器的未來發(fā)展方向，供參考。

1 MESM 傳感器分類及主要特點(diǎn)

MESM 傳感器產(chǎn)品具有分類多，分類方法等分類特征，可以按照工作原理進(jìn)行分類，同時(shí)也可按照被測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，例如，按照工作的原理可以分為物理型、化學(xué)型和生物型三類，而按照被測(cè)的數(shù)據(jù)可以分為加速度、角速度、壓力、電量、流量等。此外，每種MEMS 傳感器又可以進(jìn)行細(xì)分，例如，微加速器法按照其運(yùn)行過程中的質(zhì)量大小可以分為角振動(dòng)器和線振動(dòng)器等加速方法。按照對(duì)應(yīng)的支撐方式進(jìn)行分類，又可以分為懸臂式、扭擺式和彈簧支撐方式等。MEMS 傳感器在應(yīng)用的過程中不僅分類廣泛，且其功能用途范圍廣，是獲取數(shù)據(jù)信息的關(guān)鍵器件，不僅在實(shí)際工程中有所應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域、生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，典型應(yīng)用見下表1。其具體特點(diǎn)分析如下。

（1）體積小、微型化。在MEMS 傳感器中最小的芯片傳輸設(shè)備可為納米級(jí)別，因此，體積小是MEMS 傳感器結(jié)構(gòu)的最大特征。

（2）多樣性。MEMS 傳感器的多樣性主要可以體現(xiàn)在選用材料、工藝及用途等方面。

（3）微系統(tǒng)集成化。憑借MEMS 工藝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用功能、數(shù)據(jù)傳輸方向的集成處理，并可實(shí)現(xiàn)微傳感的矩陣陣列分析。

（4）批量化、廣義化。MEMS 傳感器與傳統(tǒng)的傳感器一樣可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并結(jié)合尺寸學(xué)、微摩擦學(xué)和微構(gòu)造學(xué)等實(shí)現(xiàn)尺度相應(yīng)的研究，并有利于MEMS 傳感器產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。MEMS 傳感器的機(jī)械功能可以高效實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，并可實(shí)現(xiàn)多功能結(jié)合式的傳輸效應(yīng)，并加強(qiáng)機(jī)械傳輸，促進(jìn)和提升物理學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等技術(shù)的統(tǒng)一。

2 MEMS 傳感器技術(shù)的應(yīng)用

MEMS 傳感器應(yīng)用領(lǐng)域和范圍廣泛，其微型化的特點(diǎn)對(duì)于推動(dòng)傳感器的微型化發(fā)展具有重要作用。從MEMS 傳感器的典型應(yīng)用上看，主要的應(yīng)用領(lǐng)域包含消費(fèi)電子、汽車工業(yè)、航空航天空間應(yīng)用及生物醫(yī)療等，其各技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)體系不斷完備，形成了多學(xué)科交叉融合應(yīng)用的新技術(shù)、新領(lǐng)域?，F(xiàn)列表分析MEMS 傳感器的典型應(yīng)用，見表1，包含應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用產(chǎn)品或系統(tǒng)、所用的MEMS 傳感器案例等內(nèi)容。

表1 MEMS 傳感器的典型應(yīng)用分析

2.1 MEMS 傳感器在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

MEMS 傳感器在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，主要用于臨床化驗(yàn)，健康指數(shù)評(píng)定及檢測(cè)等，所使用的MEMS 傳感器的類型主要涉及壓力傳感器、集成加速傳感器和微型流體傳感器系統(tǒng)等，將MEMS 傳感器放入醫(yī)用口服液中，通過口服的形式，將傳感器芯片送入體內(nèi)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體目標(biāo)器官的檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)分析。同時(shí)，可以借助MEMS 傳感器的吸附功能，逐步清除人體內(nèi)的有危害細(xì)胞等，還可以將人體內(nèi)多余的油脂進(jìn)行清除，從而高效地降低人體心臟病的發(fā)生概率。MEMS 傳感器在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的過程中，還可借助其功能，應(yīng)用于手術(shù)的提前介入治療，從而達(dá)到降低手術(shù)中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)問題。

2.2 在環(huán)保項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)營管理領(lǐng)域中的應(yīng)用

以環(huán)保領(lǐng)域中污泥處置項(xiàng)目為例，需要在整體生產(chǎn)運(yùn)營中實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采集有效的污泥處置數(shù)據(jù)，并上傳到中央控制室，因此結(jié)合項(xiàng)目的需求，將建設(shè)完成4 大子內(nèi)容，分別是：（1）生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)EMES（數(shù)據(jù)采集傳感器元件）；（2）控制系統(tǒng)；（3）全廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)；（4）中控顯示大屏管理系統(tǒng)。根據(jù)項(xiàng)目要求，接入相應(yīng)政府運(yùn)營監(jiān)管平臺(tái)，需要將項(xiàng)目各監(jiān)控子站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步至運(yùn)營監(jiān)管大平臺(tái)，同時(shí)，需按照運(yùn)營大平臺(tái)數(shù)據(jù)庫要求、界面風(fēng)格要求等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范設(shè)計(jì)，便于后期數(shù)據(jù)等系統(tǒng)層面的全方位對(duì)接。為了實(shí)現(xiàn)該要求，將針對(duì)性的開發(fā)污泥處理廠的生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)E-MES，該系統(tǒng)具備多協(xié)議接入處理能力，可直接接入運(yùn)營監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的計(jì)量、生產(chǎn)自控、視頻場(chǎng)景各項(xiàng)運(yùn)營指標(biāo)的遠(yuǎn)程統(tǒng)一界面監(jiān)控。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2.3 MEMS 傳感器在軍事中的應(yīng)用

MEMS 傳感器系統(tǒng)能夠有效的結(jié)合衛(wèi)星技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一定空間區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星信號(hào)的傳輸，由于MEMS 傳感器的體積小且重量輕，因此，在應(yīng)用的過程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是由于衛(wèi)星系統(tǒng)的飛行時(shí)間不足，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致整體MEMS 傳感器在軍事系統(tǒng)中的應(yīng)用受到一定的限制，但在一些國家，卻廣泛地應(yīng)用于軍隊(duì)裝甲兵的車用輪胎中，利用分布式網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星技術(shù)，結(jié)合軍隊(duì)探測(cè)儀等儀器設(shè)備，達(dá)到作戰(zhàn)環(huán)境及相關(guān)要求，并進(jìn)行高效的作戰(zhàn)部署，用以調(diào)整和調(diào)動(dòng)各類作戰(zhàn)探測(cè)裝置，使得MEMS 傳感器具有廣泛的應(yīng)用。MEMS 傳感器具備較強(qiáng)的耐磨性、耐久性，且在布設(shè)和抗惡劣環(huán)境的影響上具有一定的穩(wěn)定性。在軍事領(lǐng)域中，借助戰(zhàn)斗機(jī)彈座系統(tǒng)對(duì)于MEMS 傳感器進(jìn)行了有效的測(cè)試與控制，增強(qiáng)了整體系統(tǒng)對(duì)于惡劣環(huán)境的抵抗能力，從而使傳統(tǒng)的MEMS 傳感器芯片結(jié)構(gòu)在投入使用的過程中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)具備了通信環(huán)境和對(duì)地形的識(shí)別環(huán)境，從而增強(qiáng)了新型的使用功能。

圖1 EMES 系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析圖

2.4 MEMS 傳感器在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

MEMS 傳感器在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊，其不僅可以安置在飛機(jī)的關(guān)鍵部位，同時(shí)能夠結(jié)合安裝部位的位置進(jìn)行精確的控制與操作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。例如，在飛機(jī)飛行的過程中，可以借助MEMS 傳感器對(duì)大氣中的氣流環(huán)境、流速和聲學(xué)等信息系統(tǒng)執(zhí)行的控制部件進(jìn)行分析，在確保飛機(jī)整體平穩(wěn)飛行的基礎(chǔ)上，提升和促進(jìn)飛機(jī)燃料系統(tǒng)的最優(yōu)化利用。其次，MEMS 傳感器還可以應(yīng)用于宇宙控制物質(zhì)的探索中，將MEMS 傳感器植入探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，傳遞數(shù)據(jù)，并輔助實(shí)現(xiàn)拍照和攝像功能。

3 MEMS 傳感器的未來發(fā)展趨勢(shì)及方向

無源化、材料應(yīng)用的多樣化及微型化是未來傳感器應(yīng)用及發(fā)展的主要方向，無線MEMS 傳感器系統(tǒng)能夠充分的結(jié)合能量的轉(zhuǎn)化，利用收集芯片實(shí)現(xiàn)能量的收集和轉(zhuǎn)化，促進(jìn)無源化應(yīng)用。隨著傳感器制備過程中材料合成技術(shù)的發(fā)展，例如光纖材料、生物合成材料等，可促進(jìn)制備材料的多樣化與應(yīng)用的多樣性。

4 結(jié)語

隨著技術(shù)發(fā)展的需求，各領(lǐng)域互相融合，也促進(jìn)了MEMS傳感器的在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。現(xiàn)階段，隨著MEMS 傳感器應(yīng)用深度逐步加大，各領(lǐng)域研究學(xué)者已經(jīng)將MEMS 傳感器根據(jù)行業(yè)需求進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新與改造，使得更多的學(xué)者積極參與MEMS 傳感器的研究，使技術(shù)創(chuàng)新程度更深，技術(shù)成果的互動(dòng)頻率更大，因此，推動(dòng)了MEMS 傳感器技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。