MEMS傳感器的發(fā)展趨勢及其應(yīng)用

甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 潘俊花

MEMS傳感器是一種新型的傳感器技術(shù)，是多學(xué)科領(lǐng)域交叉的前沿科技技術(shù)。本文主要研究MEMS傳感器國內(nèi)及國外的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢以及主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

MEMS突出的優(yōu)點(diǎn)是利用微電子技術(shù)把傳感器、執(zhí)行器和處理電路這三部分集成在一起，組成單片集成傳感器或系統(tǒng)，更可以實(shí)現(xiàn)傳感器芯片的大規(guī)模批量制造，已廣泛用于信息、汽車、消費(fèi)、工控等領(lǐng)域，并成為國際競爭的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

1 目前國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

究其傳感器和MEMS的發(fā)展過程，二十世紀(jì)六十年代剛出現(xiàn)微加工器件，七十年代主要研究新的技術(shù)和擴(kuò)展應(yīng)用方面，八十年代系列生產(chǎn)更為復(fù)雜的器件，九十年代是集成敏感系統(tǒng)的發(fā)展，二OOO年以后無線微系統(tǒng)開始發(fā)展。

縱觀二OOO年以后的MEMS傳感器專利數(shù)據(jù)，得到以下的數(shù)據(jù)：

雖然從二OOO年以后，MEMS傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，但是每個(gè)階段都有各自獨(dú)到的特點(diǎn)并且存在很大的差異。為便于分析可以把它劃分成三個(gè)階段，二OOO至二OO六年稱之為成長期，二OO七至二O一O年定義為發(fā)展期，二O一一年到現(xiàn)在被視為迅猛成長期。伴隨著MEMS市場需求的日益增長，可以預(yù)測到MEMS技術(shù)必定會(huì)以快速發(fā)展的狀態(tài)并且一直保持快速地增長勢頭。

MEMS技術(shù)發(fā)展依賴與市場的需求，并且以市場需求為導(dǎo)向，它的發(fā)展快慢和所需的類型都和市場的所需密不可分。上世紀(jì)九十年代末，隨著MEMS技術(shù)越來越走向商業(yè)，該技術(shù)經(jīng)歷了起步期、生長期，大量的微傳感器產(chǎn)物大量的沖入了市場。隨后二OOO至二OO六年這六年期間，主要為汽車工業(yè)的發(fā)展，而汽車上需要的傳感器之多，這其中主要以壓力、加速度和熱傳感器為代表。而二OO七至二O一O年這三年，MEMS的發(fā)展可以說是進(jìn)入了多元化階段，雖然在從專利數(shù)量方面分析并沒有發(fā)生很大的變化，但是應(yīng)用領(lǐng)域卻在不斷的擴(kuò)大、拓寬，例如：在航空航天技術(shù)、生物醫(yī)藥領(lǐng)域、醫(yī)療電子、消費(fèi)電子和化工機(jī)械等方面，都逐漸展現(xiàn)出了MEMS傳感器的影子。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的成長在一定程度上起到了催促作用。

通過對專利權(quán)人的分析，可以獲得下面的定論：美國的霍尼韋爾公司和德國的羅伯特·博世公司，在全世界的MEMS研發(fā)中很長一段時(shí)間都占居重要的地位。羅伯特·博世公司的Gerhard Lammel預(yù)測：汽車工業(yè)是MEMS傳感器第一次被大量的推廣并被廣泛應(yīng)用，消費(fèi)類產(chǎn)業(yè)占主導(dǎo)地位的就是智能手機(jī)，被認(rèn)為是第二次大潮，而物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)被視為第三次大潮。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國家“863計(jì)劃”15年持續(xù)不斷的支持，MEMS傳感器在設(shè)計(jì)、加工、測試、封裝、裝配等方面都有了突飛猛進(jìn)的提升，在科研人員的不懈努力下，開發(fā)研究出有獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)，并且形成了我國自己的MEMS研究隊(duì)伍，建立了一大批MEMS研發(fā)基地，在短時(shí)間內(nèi)，形成了我國微納制造技術(shù)（NEMS）的研究和開發(fā)體系。

這十幾年以來，我國已經(jīng)有200多個(gè)公司從事MEMS/NEMS產(chǎn)品研發(fā)，已經(jīng)介入MEMS/NEMS技術(shù)研發(fā)的企業(yè)中也出現(xiàn)了大型集成電路生產(chǎn)骨干企業(yè)。實(shí)現(xiàn)了在消費(fèi)類、汽車工業(yè)等行業(yè)的MEMS/NEMS的代工生產(chǎn)模式。

結(jié)合國外的發(fā)展趨勢，可以看出，我國在MEMS技術(shù)方面和規(guī)模化生產(chǎn)方面的研究和投入較為不足，這就使得MEMS產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)化集成設(shè)計(jì)與規(guī)模生產(chǎn)兩方面的能力就顯得比較薄弱。

2 MEMS的趨勢

2.1 無源化

傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量的設(shè)備，電源是傳感器中不可或缺的重要部分，把太陽能或風(fēng)能用芯片收集起來，轉(zhuǎn)換成傳感器所需的電源，無線傳感模塊和芯片的有效結(jié)合將會(huì)實(shí)現(xiàn)MEMS的無源化。

2.2 微型化

大眾越來越青睞便攜式、可佩戴式迷你型設(shè)備，消費(fèi)者需求小型化傳感器，集成技術(shù)和納米技術(shù)將推進(jìn)MEMS的發(fā)展。

2.3 低成本

傳感器往往有成千上萬的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，控制不好單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的價(jià)格致使傳感器網(wǎng)絡(luò)成本很高。解決好網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)數(shù)并且實(shí)用化，助推傳感器網(wǎng)絡(luò)化。

2.4 安全性和抗干擾能力

穩(wěn)定性是衡量傳感器性能好壞的重要指標(biāo)。傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)一樣也會(huì)面臨安全威脅。怎樣利用最經(jīng)濟(jì)合理的手段實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全，傳感器受到外界干擾時(shí)，還能穩(wěn)定可靠的工作將是MEMS發(fā)展趨勢。

2.5 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自診斷、自動(dòng)配置

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)多，工作時(shí)當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠迅速找到故障點(diǎn)并且不影響網(wǎng)絡(luò)的正常使用。將是MEMS研究的方向。

3 MEMS的應(yīng)用

3.1 在汽車上的應(yīng)用

小汽車是每家在出行方面的標(biāo)配，并且汽車的等級越高，MEMS就應(yīng)用的越好。MEMS技術(shù)在汽車中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在導(dǎo)航、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測管理、車輛安全行駛系統(tǒng)以及車輛監(jiān)護(hù)等方面。

3.2 醫(yī)學(xué)和醫(yī)療方面的應(yīng)用

由于MEMS傳感器具有體積小的特點(diǎn)，因此它可以和口服液一起被口服到人的身體中精確的檢測人體的健康狀況。根據(jù)檢測的結(jié)果，在做進(jìn)一步的治療，提高治療的效果，降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。冠心病致死率每年都在攀升，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織命名為頭號致死殺手，難預(yù)測、發(fā)病快、致死率高。有些病人甚至沒有治療的機(jī)會(huì)就已經(jīng)喪命了，應(yīng)用MEMS技術(shù)制作冠心病聽診器，性能高于現(xiàn)在3M聽診器，和智能手機(jī)的藍(lán)牙功能相結(jié)合把心音數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和儲(chǔ)存，克服了傳統(tǒng)聽診器無法回放心音的缺點(diǎn)。

3.3 航天航空方面

MEMS技術(shù)在航天、航空方面有足夠的發(fā)展空間，MEMS的出現(xiàn)使得航空器的安全性能提高了很多。把MEMS傳感器安裝在飛機(jī)的關(guān)鍵位置上，目的是對飛機(jī)重要運(yùn)行部件的精準(zhǔn)控制和測量，在確保飛機(jī)穩(wěn)定飛行的前提下，降低噪音提高乘客的乘坐舒適感。

3.4 環(huán)保項(xiàng)目運(yùn)行管理中的應(yīng)用

為了減能減排保護(hù)環(huán)境，工業(yè)生產(chǎn)中的污水都要經(jīng)過處理后才能排放。下面就以污水處理廠為例，要實(shí)時(shí)監(jiān)控污水處理廠的所有設(shè)備，并且要把生產(chǎn)過程中所用的參數(shù)進(jìn)行采集，最后傳送到中央集中控制室，從中可以看出污水處理要完成以下4個(gè)方面的內(nèi)容：（1）數(shù)據(jù)采集；（2）控制系統(tǒng)；（3）上位監(jiān)控系統(tǒng)；（4）報(bào)警系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)主要是把污水廠生產(chǎn)過程中的參數(shù)采集到控制系統(tǒng)，利用專用的上位監(jiān)控軟件，繪制出便于操作工操作的上位畫面，方便掌握現(xiàn)場的運(yùn)行情況，數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。如圖1所示。

圖1 環(huán)保項(xiàng)目運(yùn)行管理數(shù)據(jù)采集

3.5 特高壓導(dǎo)線舞動(dòng)檢測

特高壓電網(wǎng)近幾年發(fā)展速度飛快，隨之增加了特高壓電網(wǎng)的運(yùn)行管理的難度，由于導(dǎo)線舞動(dòng)發(fā)生的事故越來越頻繁。導(dǎo)線舞動(dòng)造成的線路中的導(dǎo)線斷開、斷股，導(dǎo)線外皮磨損嚴(yán)重，桿塔傾斜、線路間跳閘現(xiàn)象頻發(fā)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如果安裝MEMS導(dǎo)線舞動(dòng)檢測儀，實(shí)時(shí)的檢測導(dǎo)線的運(yùn)行狀況，準(zhǔn)確的對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大大提過特高壓導(dǎo)線運(yùn)行管理效率，事故頻發(fā)得到有效控制。

3.6 地下管線測繪方面

近年來為提高城市居民的生活環(huán)境，棚戶區(qū)和新老小區(qū)改造項(xiàng)目層出不窮，地下管線的改造同步進(jìn)行，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，位置信息不精準(zhǔn)導(dǎo)致多次開挖，開挖錯(cuò)誤事件頻發(fā)，有時(shí)還會(huì)發(fā)生重大的安全事故，造成的巨大的經(jīng)濟(jì)損失。MEMS陀螺儀地下管線測繪的應(yīng)用解決地下管線位置不準(zhǔn)、準(zhǔn)確采集管道位置信息并進(jìn)行分析處理，最終完成管道軌跡測量。

3.7 快遞包裹狀態(tài)分析

網(wǎng)購是當(dāng)下人們最喜歡的購物方式，網(wǎng)購評價(jià)中快遞服務(wù)就是其中的一部分，訂單跟蹤信息、包裹分揀、碰撞與否，暴力拆裝極大地影響顧客的滿意度。MEMS慣性傳感器應(yīng)用在快遞包裹分揀，將快遞的運(yùn)行狀態(tài)、碰撞與否，是否翻到等信息實(shí)時(shí)進(jìn)行采集、分析處理。

3.8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

在大、中型企業(yè)中，由于不同的生產(chǎn)工序，所采用設(shè)備的種類比較繁雜。因此要想對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，應(yīng)該從它所應(yīng)用的行業(yè)范圍和取得的效果等全方位的評價(jià)。國內(nèi)的大型冶金行業(yè)，基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目前實(shí)現(xiàn)全企業(yè)動(dòng)力量數(shù)據(jù)采集。除寶鋼以外，其它企業(yè)只是部分實(shí)現(xiàn)，如濟(jì)鋼的<能源計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)>，武鋼正在進(jìn)行的信息化系統(tǒng)等自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。酒鋼分布式基于以太網(wǎng)協(xié)議的骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)方式已引起了同行業(yè)的注意，走在了前面。

現(xiàn)有動(dòng)力量數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)采設(shè)備全部為AB公司的SLC5/05系列PLC，數(shù)據(jù)處理由三臺數(shù)采工控機(jī)、2臺HP3000服務(wù)器（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、WEB服務(wù)器），及共用的ORACLE關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成。利用MEMS技術(shù)后的物資量系統(tǒng)以分層、分級的方式進(jìn)行集成管理和監(jiān)控的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程工藝流程監(jiān)控，為信息化各子系統(tǒng)模塊提供共享的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)等功能，從而基本消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)資源共享、集中指揮。

結(jié)束語：物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的突起，工業(yè)4.0的發(fā)展，促使了MEMS發(fā)展。尤其人工智能（AI）的出現(xiàn)、開發(fā)和應(yīng)用，MEMS在各領(lǐng)域滲透發(fā)展顯得尤其重要。