MEMS傳感器技術發展現狀及應用初探

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，其采用微機械加工及處理技術，能夠抵抗外界不良環境的影響，實現了傳感器應用的智能化、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勢，自從20世紀中葉研發至今，已經逐步取代了傳統的傳感器。本文首先對MESM 傳感器的技術特點和分類進行分析，然后從環保領域、生物醫藥、航空航天等方面進行了應用闡述，并針對性地提出了MESM 傳感器的未來發展方向，供參考。

1 MESM 傳感器分類及主要特點

MESM 傳感器產品具有分類多，分類方法等分類特征，可以按照工作原理進行分類，同時也可按照被測量的數據進行分類，例如，按照工作的原理可以分為物理型、化學型和生物型三類，而按照被測的數據可以分為加速度、角速度、壓力、電量、流量等。此外，每種MEMS 傳感器又可以進行細分，例如，微加速器法按照其運行過程中的質量大小可以分為角振動器和線振動器等加速方法。按照對應的支撐方式進行分類，又可以分為懸臂式、扭擺式和彈簧支撐方式等。MEMS 傳感器在應用的過程中不僅分類廣泛，且其功能用途范圍廣，是獲取數據信息的關鍵器件，不僅在實際工程中有所應用，在航空航天領域、生物醫藥領域應用較為廣泛，典型應用見下表1。其具體特點分析如下。

（1）體積小、微型化。在MEMS 傳感器中最小的芯片傳輸設備可為納米級別，因此，體積小是MEMS 傳感器結構的最大特征。

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

（3）微系統集成化。憑借MEMS 工藝可以實現對應用功能、數據傳輸方向的集成處理，并可實現微傳感的矩陣陣列分析。

（4）批量化、廣義化。MEMS 傳感器與傳統的傳感器一樣可以實現批量生產，并結合尺寸學、微摩擦學和微構造學等實現尺度相應的研究，并有利于MEMS 傳感器產品的批量化生產的實現。MEMS 傳感器的機械功能可以高效實現能量轉換，并可實現多功能結合式的傳輸效應，并加強機械傳輸，促進和提升物理學、生物學、光學、電學等技術的統一。

2 MEMS 傳感器技術的應用

MEMS 傳感器應用領域和范圍廣泛，其微型化的特點對于推動傳感器的微型化發展具有重要作用。從MEMS 傳感器的典型應用上看，主要的應用領域包含消費電子、汽車工業、航空航天空間應用及生物醫療等，其各技術參數和性能指標體系不斷完備，形成了多學科交叉融合應用的新技術、新領域。現列表分析MEMS 傳感器的典型應用，見表1，包含應用領域、應用產品或系統、所用的MEMS 傳感器案例等內容。

表1 MEMS 傳感器的典型應用分析

2.1 MEMS 傳感器在生物醫藥領域的應用

MEMS 傳感器在生物醫藥領域中應用廣泛，主要用于臨床化驗，健康指數評定及檢測等，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等，將MEMS 傳感器放入醫用口服液中，通過口服的形式，將傳感器芯片送入體內，并可實現對人體目標器官的檢測與實驗分析。同時，可以借助MEMS 傳感器的吸附功能，逐步清除人體內的有危害細胞等，還可以將人體內多余的油脂進行清除，從而高效地降低人體心臟病的發生概率。MEMS 傳感器在生物醫藥領域應用的過程中，還可借助其功能，應用于手術的提前介入治療，從而達到降低手術中所面臨的風險問題。

2.2 在環保項目生產運營管理領域中的應用

以環保領域中污泥處置項目為例，需要在整體生產運營中實現對各設備機組的實時監控，并采集有效的污泥處置數據，并上傳到中央控制室，因此結合項目的需求，將建設完成4 大子內容，分別是：（1）生產運營管理系統EMES（數據采集傳感器元件）；（2）控制系統；（3）全廠視頻監控系統；（4）中控顯示大屏管理系統。根據項目要求，接入相應政府運營監管平臺，需要將項目各監控子站數據實時同步至運營監管大平臺，同時，需按照運營大平臺數據庫要求、界面風格要求等進行統一規范設計，便于后期數據等系統層面的全方位對接。為了實現該要求，將針對性的開發污泥處理廠的生產運營管理系統E-MES，該系統具備多協議接入處理能力，可直接接入運營監管平臺，實現對污泥的計量、生產自控、視頻場景各項運營指標的遠程統一界面監控。系統的網絡結構圖如圖1 所示。

2.3 MEMS 傳感器在軍事中的應用

MEMS 傳感器系統能夠有效的結合衛星技術，實現一定空間區域內的衛星信號的傳輸，由于MEMS 傳感器的體積小且重量輕，因此，在應用的過程中具有顯著的優勢，但是由于衛星系統的飛行時間不足，進而會導致整體MEMS 傳感器在軍事系統中的應用受到一定的限制，但在一些國家，卻廣泛地應用于軍隊裝甲兵的車用輪胎中，利用分布式網絡衛星技術，結合軍隊探測儀等儀器設備，達到作戰環境及相關要求，并進行高效的作戰部署，用以調整和調動各類作戰探測裝置，使得MEMS 傳感器具有廣泛的應用。MEMS 傳感器具備較強的耐磨性、耐久性，且在布設和抗惡劣環境的影響上具有一定的穩定性。在軍事領域中，借助戰斗機彈座系統對于MEMS 傳感器進行了有效的測試與控制，增強了整體系統對于惡劣環境的抵抗能力，從而使傳統的MEMS 傳感器芯片結構在投入使用的過程中具有較強的穩定性，同時具備了通信環境和對地形的識別環境，從而增強了新型的使用功能。

圖1 EMES 系統中網絡結構分析圖

2.4 MEMS 傳感器在航空航天領域中的應用

MEMS 傳感器在航空航天領域中的應用前景廣闊，其不僅可以安置在飛機的關鍵部位，同時能夠結合安裝部位的位置進行精確的控制與操作，實現精準控制。例如，在飛機飛行的過程中，可以借助MEMS 傳感器對大氣中的氣流環境、流速和聲學等信息系統執行的控制部件進行分析，在確保飛機整體平穩飛行的基礎上，提升和促進飛機燃料系統的最優化利用。其次，MEMS 傳感器還可以應用于宇宙控制物質的探索中，將MEMS 傳感器植入探測機器人結構中，傳遞數據，并輔助實現拍照和攝像功能。

3 MEMS 傳感器的未來發展趨勢及方向

無源化、材料應用的多樣化及微型化是未來傳感器應用及發展的主要方向，無線MEMS 傳感器系統能夠充分的結合能量的轉化，利用收集芯片實現能量的收集和轉化，促進無源化應用。隨著傳感器制備過程中材料合成技術的發展，例如光纖材料、生物合成材料等，可促進制備材料的多樣化與應用的多樣性。

4 結語

隨著技術發展的需求，各領域互相融合，也促進了MEMS傳感器的在不同領域中的應用。現階段，隨著MEMS 傳感器應用深度逐步加大，各領域研究學者已經將MEMS 傳感器根據行業需求進行了技術創新與改造，使得更多的學者積極參與MEMS 傳感器的研究，使技術創新程度更深，技術成果的互動頻率更大，因此，推動了MEMS 傳感器技術的創新發展。