MEMS傳感器和智能傳感器的發(fā)展

雷鳴遠(yuǎn)

摘 ? 要：MEMS傳感器和智能傳感器可以被稱為新時(shí)代傳感器的典型代表，在智能化以及集成化方面體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。隨著我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的提高，MEMS傳感器和智能傳感器也處于不斷發(fā)展的過程中，同時(shí)應(yīng)用的范圍不斷拓寬，為各行各業(yè)帶來了極大的便利。文章對(duì)此展開分析。

關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)傳感器;智能傳感器;應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）傳感器是一種創(chuàng)新性的傳感器，其產(chǎn)生需要基于微電子以及機(jī)械加工技術(shù)，整體上來講，MEMS傳感器呈現(xiàn)出低成本、可靠性高等優(yōu)勢，能夠被用于批量生產(chǎn)以及智能化程度較高的行業(yè)中。智能傳感器功能的實(shí)現(xiàn)需要基于計(jì)算機(jī)自身的計(jì)算以及存儲(chǔ)記憶的功能，以此來對(duì)傳感器當(dāng)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息展開進(jìn)一步分析處理，調(diào)節(jié)其工裝狀況，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，也能夠更好地實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)、記憶以及輸出等多種功能[1]。

1 ? ?MEMS傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

1.1 ?MEMS傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

在美國的某國家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，研究人員借助MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)重量為5 g物質(zhì)的有效檢測，這是世界上從未有過的創(chuàng)新紀(jì)錄。日本的傳感器企業(yè)在此基礎(chǔ)上對(duì)MEMS傳感器的集成性以及多軸化進(jìn)行提升，旨在利用單個(gè)傳感器裝置來獲取多方位的加速度以及角速度數(shù)據(jù)，此時(shí)研究人員則將目光集中在開發(fā)體積更小、性能更優(yōu)良以及耗電量更低的MEMS傳感器上，目前部分企業(yè)已經(jīng)制造出新型的MEMS傳感器（見圖1）并且投入生產(chǎn)中，為MEMS傳感器的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 ?MEMS傳感器的應(yīng)用

1.2.1 ?微納衛(wèi)星

當(dāng)下國外的相關(guān)研究人員致力于開發(fā)總質(zhì)量小于10 kg的超微衛(wèi)星、總質(zhì)量比0.1 kg小的納米級(jí)衛(wèi)星。在MEMS傳感器的輔助下，常規(guī)衛(wèi)星上的多種部件都能夠被進(jìn)行微型化處理，比如電動(dòng)機(jī)、分析儀器、傳感設(shè)備等，同時(shí)將其制作成特殊的微型元器件。除此之外，這些裝置還可以被縮小在一個(gè)芯片上，也就是構(gòu)成芯片衛(wèi)星，芯片衛(wèi)星能夠從根本上提升衛(wèi)星對(duì)信息進(jìn)行獲取的能力，也能夠幫助衛(wèi)星更好地進(jìn)行攻擊防御，相比于常規(guī)衛(wèi)星，芯片衛(wèi)星具有更低的制作成本，性價(jià)比更高。相比之下，一個(gè)小型火箭能夠發(fā)射的微型衛(wèi)星數(shù)量可達(dá)上百個(gè)，同時(shí)微型衛(wèi)星也可以利用應(yīng)急發(fā)射裝置來實(shí)現(xiàn)發(fā)射，不僅能夠利用更加簡便的方式來執(zhí)行既定的任務(wù)，也能夠組合起來成為衛(wèi)星群體，執(zhí)行大衛(wèi)星的任務(wù)。

1.2.2 ?仿生機(jī)器人

在MEMS傳感器的輔助下，仿生機(jī)器人被創(chuàng)造出來，是主要通過對(duì)動(dòng)物的形態(tài)、習(xí)性以及基本結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行記錄和分析的電子設(shè)備，仿生機(jī)器人具有拍照、檢索任務(wù)目標(biāo)、對(duì)毒氣進(jìn)行檢測等功能，這使得在一些危險(xiǎn)性較高區(qū)域內(nèi)的工作無須人類親自參與，只需要仿生機(jī)器人便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)信息的排查，為人類的決策提供了有效的信息支持，有效地降低了一些職業(yè)對(duì)人類生命健康的威脅。

1.2.3 ?微型飛行器

微型飛行器的出現(xiàn)基于MEMS傳感器、飛行力學(xué)等技術(shù)，同時(shí)具有搜救、電子設(shè)備檢測以及檢驗(yàn)生化裝置等功能。目前無論是國內(nèi)還是國外，相關(guān)的研究人員都在積極致力于微型飛行棋的開發(fā)，同時(shí)創(chuàng)造出不同類型的微型飛行器（Micro Aerial Vehicle，MAV）雛形，按照不同雛形的飛行原理，主要可以分為固定翼、旋翼以及撲翼3種不同的類型。除此之外，微型發(fā)動(dòng)機(jī)、微型機(jī)電設(shè)備以及微型的控制裝置等都處于研發(fā)的過程中。同時(shí)整個(gè)研究過程中，需要對(duì)MAV的體型進(jìn)行控制，具體來講，其長度、寬度以及高度都需要被控制在150 mm之內(nèi)，重量在10～120 g，能夠?qū)崿F(xiàn)10 km以內(nèi)的飛行，同時(shí)能夠?qū)ο嚓P(guān)的圖像信息進(jìn)行傳遞，具有一定的自主飛行能力[2]。

2 ? ?智能傳感器的實(shí)際應(yīng)用情況

2.1 ?計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)

隨著信息科學(xué)技術(shù)水平的提升，計(jì)算機(jī)的覆蓋率以及普及率不斷提升。在計(jì)算機(jī)設(shè)備的視覺體系當(dāng)中，智能傳感器存在的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)不同的方面：首先，智能傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息區(qū)域的準(zhǔn)確、有效定位。其次，也可以借助測量的過程來提升整個(gè)體系的安全指數(shù)。與此同時(shí)，視覺系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)到達(dá)地點(diǎn)的信息進(jìn)行準(zhǔn)確獲取，整個(gè)安置體系所獲知的信息也具有更高的質(zhì)量以及價(jià)值。除此之外，視覺系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境的變化進(jìn)行感知，同時(shí)也能夠?qū)哂刑厥庖饬x的指令進(jìn)行獲知，如圖2所示。

2.2 ?眼球（愛立信）

愛立信眼球誕生于愛立信公司，此企業(yè)借助智能傳感器以及對(duì)用戶較為友好的控制指揮體系的結(jié)合，準(zhǔn)確、有效地獲取綜合性更強(qiáng)的信息。從根本上來講，愛立信眼球?qū)儆诶走_(dá)體系的一種，同時(shí)具有更加優(yōu)良的特性，不僅能夠在陸地上發(fā)揮作用，也能夠在水面上以及天空中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的有效追蹤。

3 ? ?傳感器的發(fā)展趨勢

3.1 ?低能耗

通常情況下，傳感器需要借助電量來提供動(dòng)力，而這些電量來源于非電量的轉(zhuǎn)化，因此傳感器處于工作狀態(tài)時(shí)是無法脫離電源的。若是在野外或者離電網(wǎng)位置較遠(yuǎn)的地方使用傳感器，通常是借助電池進(jìn)行電量輸出或者是利用太陽能實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化。隨著社會(huì)的發(fā)展，傳感器的研發(fā)從未停止，為了給傳感器使用者帶來更大的便利，對(duì)低能耗或者無源化的傳感器進(jìn)行開發(fā)已經(jīng)成為目前的必然趨勢，低能耗或者無源化傳感器的出現(xiàn)不僅有助于能源的節(jié)省，而且也有助于系統(tǒng)使用壽命的延長。如今，低耗損的芯片整體發(fā)展速度較快，比較典型的如T22運(yùn)算放大器，當(dāng)其處于非工作狀態(tài)時(shí)，其能耗只有1.5 μA，當(dāng)其處于工作狀態(tài)時(shí)，所需要的工作電壓也只有5 V左右。

3.2 ?可靠性強(qiáng)、溫度范圍廣

無論是哪一種類型的傳感器，其可靠性會(huì)對(duì)電子裝置抵抗干擾的能力產(chǎn)生一定程度的影響。隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)傳感器的可靠性要求逐漸提升，因此相關(guān)的研究人員致力于提升傳感器的工作可靠性，在此基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)大傳感器的溫感范圍，這也是未來研究人員的重點(diǎn)研究方向，同時(shí)在新的時(shí)代背景下，可靠性強(qiáng)、溫度范圍廣的傳感器也必將有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 ?高精度

目前，各行各業(yè)的自動(dòng)化程度處于不斷提升的階段，傳感器的應(yīng)用也越來越普及，人們對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化程度要求的提高也就意味著對(duì)傳感器提出了更高的要求。因此，相關(guān)的傳感器研究人員需要積極響應(yīng)市場需求的變化，對(duì)靈敏度以及精度高的傳感器裝置進(jìn)行研發(fā)，從而有效地提升裝置的檢測準(zhǔn)確度，為生產(chǎn)的自動(dòng)化運(yùn)行提供基礎(chǔ)條件，這在一定程度上也提升了生產(chǎn)的安全可靠性[3]。

3.4 ?小型化

目前，便攜逐漸成為人們對(duì)裝置的需求，因此，各種設(shè)備裝置的功能在不斷強(qiáng)大的基礎(chǔ)上，零部件的體積也在逐漸變小，傳感器也不例外。為了生產(chǎn)出功能更強(qiáng)、體系更小的傳感器設(shè)備，就需要對(duì)新型的傳感器材料以及加工的技術(shù)做出一定的調(diào)整和改進(jìn)，例如目前使用硅這類材料所制作的傳感器，體積便得到了極大縮小。傳統(tǒng)形式的角速度傳感器的主要構(gòu)成部件是重力塊以及彈簧，整個(gè)傳感裝置的體積比較大，呈現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性，同時(shí)裝置的壽命也比較短，而目前借助激光等不同類型的精細(xì)加工技術(shù)所制成的及速度傳感器具有更小的體積，表現(xiàn)出更高的可靠性以及交互性，能夠?yàn)槿藗兲峁└佑行б约翱煽康男畔4]。

4 ? ?結(jié)語

新型傳感器的發(fā)展是有目共睹的，但是目前其也面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，在科技科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮出重要作用的MEMS傳感器以及智能傳感器受到越來越人的關(guān)注，隨著市場需求的變化，傳感器的發(fā)展必然會(huì)發(fā)生一定的變化，朝著更加智能、精細(xì)、高效以及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，而這也必將會(huì)為新型傳感器創(chuàng)造出更加廣闊的應(yīng)用空間。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙正平.MEMS智能傳感器技術(shù)的新進(jìn)展（續(xù)）[J].微納電子技術(shù)，2019（2）：85-94，100.

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[3]霍大云，趙介軍，過峰.基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居對(duì)MEMS傳感器可靠性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向的探究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018（3）：37-39.

[4]李由.基于MEMS慣性傳感器、WiFi、磁場特征的移動(dòng)智能終端室內(nèi)行人導(dǎo)航算法[D].武漢：武漢大學(xué)，2015.

Development of MEMS sensors and smart sensors

Lei Mingyuan

（Xian Aviation Institute of Computing Technology， Xian 710119， China）

Abstract：MEMS sensor and smart sensor can be called the typical representative of the new era sensor， which shows unique advantages in intelligence and integration. With the development of science and technology in China， MEMS sensors and smart sensors are also in the process of continuous development， while the scope of application is expanding， bringing great convenience to all walks of life. This paper analyzes it.

Key words：microelectro mechanical systems sensor; smart sensor; application