MEMS傳感器的發展趨勢及其應用

甘肅鋼鐵職業技術學院 潘俊花

MEMS傳感器是一種新型的傳感器技術，是多學科領域交叉的前沿科技技術。本文主要研究MEMS傳感器國內及國外的發展現狀和趨勢以及主要的應用領域。

MEMS突出的優點是利用微電子技術把傳感器、執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，更可以實現傳感器芯片的大規模批量制造，已廣泛用于信息、汽車、消費、工控等領域，并成為國際競爭的戰略制高點。

1 目前國內外研究的現狀

1.1 國外研究現狀

究其傳感器和MEMS的發展過程，二十世紀六十年代剛出現微加工器件，七十年代主要研究新的技術和擴展應用方面，八十年代系列生產更為復雜的器件，九十年代是集成敏感系統的發展，二OOO年以后無線微系統開始發展。

縱觀二OOO年以后的MEMS傳感器專利數據，得到以下的數據：

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

MEMS技術發展依賴與市場的需求，并且以市場需求為導向，它的發展快慢和所需的類型都和市場的所需密不可分。上世紀九十年代末，隨著MEMS技術越來越走向商業，該技術經歷了起步期、生長期，大量的微傳感器產物大量的沖入了市場。隨后二OOO至二OO六年這六年期間，主要為汽車工業的發展，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的發展可以說是進入了多元化階段，雖然在從專利數量方面分析并沒有發生很大的變化，但是應用領域卻在不斷的擴大、拓寬，例如：在航空航天技術、生物醫藥領域、醫療電子、消費電子和化工機械等方面，都逐漸展現出了MEMS傳感器的影子。與此同時，物聯網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研發中很長一段時間都占居重要的地位。羅伯特·博世公司的Gerhard Lammel預測：汽車工業是MEMS傳感器第一次被大量的推廣并被廣泛應用，消費類產業占主導地位的就是智能手機，被認為是第二次大潮，而物聯網及服務被視為第三次大潮。

1.2 國內研究現狀

國家“863計劃”15年持續不斷的支持，MEMS傳感器在設計、加工、測試、封裝、裝配等方面都有了突飛猛進的提升，在科研人員的不懈努力下，開發研究出有獨立自主的知識產權，并且形成了我國自己的MEMS研究隊伍，建立了一大批MEMS研發基地，在短時間內，形成了我國微納制造技術（NEMS）的研究和開發體系。

這十幾年以來，我國已經有200多個公司從事MEMS/NEMS產品研發，已經介入MEMS/NEMS技術研發的企業中也出現了大型集成電路生產骨干企業。實現了在消費類、汽車工業等行業的MEMS/NEMS的代工生產模式。

結合國外的發展趨勢，可以看出，我國在MEMS技術方面和規模化生產方面的研究和投入較為不足，這就使得MEMS產業在產業化集成設計與規模生產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換成電量的設備，電源是傳感器中不可或缺的重要部分，把太陽能或風能用芯片收集起來，轉換成傳感器所需的電源，無線傳感模塊和芯片的有效結合將會實現MEMS的無源化。

2.2 微型化

大眾越來越青睞便攜式、可佩戴式迷你型設備，消費者需求小型化傳感器，集成技術和納米技術將推進MEMS的發展。

2.3 低成本

傳感器往往有成千上萬的網絡節點數，控制不好單個網絡節點數的價格致使傳感器網絡成本很高。解決好網絡結點數并且實用化，助推傳感器網絡化。

2.4 安全性和抗干擾能力

穩定性是衡量傳感器性能好壞的重要指標。傳感器網絡和其他網絡一樣也會面臨安全威脅。怎樣利用最經濟合理的手段實現傳感器網絡安全，傳感器受到外界干擾時，還能穩定可靠的工作將是MEMS發展趨勢。

2.5 節點實現自診斷、自動配置

由于傳感器網絡中節點數多，工作時當節點出現故障時，能夠迅速找到故障點并且不影響網絡的正常使用。將是MEMS研究的方向。

3 MEMS的應用

3.1 在汽車上的應用

小汽車是每家在出行方面的標配，并且汽車的等級越高，MEMS就應用的越好。MEMS技術在汽車中的應用主要體現在導航、汽車發動機的運行監測管理、車輛安全行駛系統以及車輛監護等方面。

3.2 醫學和醫療方面的應用

由于MEMS傳感器具有體積小的特點，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。根據檢測的結果，在做進一步的治療，提高治療的效果，降低手術的風險。冠心病致死率每年都在攀升，已經被世界衛生組織命名為頭號致死殺手，難預測、發病快、致死率高。有些病人甚至沒有治療的機會就已經喪命了，應用MEMS技術制作冠心病聽診器，性能高于現在3M聽診器，和智能手機的藍牙功能相結合把心音數據進行采集和儲存，克服了傳統聽診器無法回放心音的缺點。

3.3 航天航空方面

MEMS技術在航天、航空方面有足夠的發展空間，MEMS的出現使得航空器的安全性能提高了很多。把MEMS傳感器安裝在飛機的關鍵位置上，目的是對飛機重要運行部件的精準控制和測量，在確保飛機穩定飛行的前提下，降低噪音提高乘客的乘坐舒適感。

3.4 環保項目運行管理中的應用

為了減能減排保護環境，工業生產中的污水都要經過處理后才能排放。下面就以污水處理廠為例，要實時監控污水處理廠的所有設備，并且要把生產過程中所用的參數進行采集，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個方面的內容：（1）數據采集；（2）控制系統；（3）上位監控系統；（4）報警系統。污水處理系統主要是把污水廠生產過程中的參數采集到控制系統，利用專用的上位監控軟件，繪制出便于操作工操作的上位畫面，方便掌握現場的運行情況，數據異常時發出報警信號。如圖1所示。

圖1 環保項目運行管理數據采集

3.5 特高壓導線舞動檢測

特高壓電網近幾年發展速度飛快，隨之增加了特高壓電網的運行管理的難度，由于導線舞動發生的事故越來越頻繁。導線舞動造成的線路中的導線斷開、斷股，導線外皮磨損嚴重，桿塔傾斜、線路間跳閘現象頻發，造成了巨大的經濟損失。如果安裝MEMS導線舞動檢測儀，實時的檢測導線的運行狀況，準確的對采集到的數據進行分析，大大提過特高壓導線運行管理效率，事故頻發得到有效控制。

3.6 地下管線測繪方面

近年來為提高城市居民的生活環境，棚戶區和新老小區改造項目層出不窮，地下管線的改造同步進行，地下管線錯綜復雜，位置信息不精準導致多次開挖，開挖錯誤事件頻發，有時還會發生重大的安全事故，造成的巨大的經濟損失。MEMS陀螺儀地下管線測繪的應用解決地下管線位置不準、準確采集管道位置信息并進行分析處理，最終完成管道軌跡測量。

3.7 快遞包裹狀態分析

網購是當下人們最喜歡的購物方式，網購評價中快遞服務就是其中的一部分，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慣性傳感器應用在快遞包裹分揀，將快遞的運行狀態、碰撞與否，是否翻到等信息實時進行采集、分析處理。

3.8 數據采集系統中的應用

在大、中型企業中，由于不同的生產工序，所采用設備的種類比較繁雜。因此要想對采集到數據進行評價，應該從它所應用的行業范圍和取得的效果等全方位的評價。國內的大型冶金行業，基于以太網的數據采集系統，目前實現全企業動力量數據采集。除寶鋼以外，其它企業只是部分實現，如濟鋼的<能源計量數據遠程采集系統>，武鋼正在進行的信息化系統等自動數據采集。酒鋼分布式基于以太網協議的骨干網數據采集實現方式已引起了同行業的注意，走在了前面。

現有動力量數據系統數采設備全部為AB公司的SLC5/05系列PLC，數據處理由三臺數采工控機、2臺HP3000服務器（實時數據庫、WEB服務器），及共用的ORACLE關系數據庫服務器完成。利用MEMS技術后的物資量系統以分層、分級的方式進行集成管理和監控的方式，實現數據采集、數據處理、遠程工藝流程監控，為信息化各子系統模塊提供共享的實時/歷史數據等功能，從而基本消除信息孤島，實現資源共享、集中指揮。

結束語：物聯網、云計算、大數據的突起，工業4.0的發展，促使了MEMS發展。尤其人工智能（AI）的出現、開發和應用，MEMS在各領域滲透發展顯得尤其重要。