甘肅鋼鐵職業(yè)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(nèi)及國外的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢以及主要的應用領域。

MEMS突出的優(yōu)點是利用微電子技術把傳感器、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、工控等領域，并成為國際競爭的戰(zhàn)略制高點。

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和擴展應用方面，八十年代系列生產(chǎn)更為復雜的器件，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傳感器技術迅速發(fā)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(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，可以預測到MEMS技術必定會以快速發(fā)展的狀態(tài)并且一直保持快速地增長勢頭。

MEMS技術發(fā)展依賴與市場的需求，并且以市場需求為導向，它的發(fā)展快慢和所需的類型都和市場的所需密不可分。上世紀九十年代末，隨著MEMS技術越來越走向商業(yè)，該技術經(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，但是應用領域卻在不斷的擴大、拓寬，例如：在航空航天技術、生物醫(yī)藥領域、醫(yī)療電子、消費電子和化工機械等方面，都逐漸展現(xiàn)出了MEMS傳感器的影子。與此同時，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(yè)是MEMS傳感器第一次被大量的推廣并被廣泛應用，消費類產(chǎn)業(yè)占主導地位的就是智能手機，被認為是第二次大潮，而物聯(lián)網(wǎng)及服務被視為第三次大潮。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國家“863計劃”15年持續(xù)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(fā)研究出有獨立自主的知識產(chǎn)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(fā)基地，在短時間內(nèi)，形成了我國微納制造技術（NEMS）的研究和開發(fā)體系。

這十幾年以來，我國已經(jīng)有200多個公司從事MEMS/NEMS產(chǎn)品研發(fā)，已經(jīng)介入MEMS/NEMS技術研發(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)。實現(xiàn)了在消費類、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技術方面和規(guī)?；a(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)化集成設計與規(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(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)合將會實現(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(fā)展。

2.3 低成本

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

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。傳感器網(wǎng)絡和其他網(wǎng)絡一樣也會面臨安全威脅。怎樣利用最經(jīng)濟合理的手段實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡安全，傳感器受到外界干擾時，還能穩(wěn)定可靠的工作將是MEMS發(fā)展趨勢。

2.5 節(jié)點實現(xiàn)自診斷、自動配置

由于傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)多，工作時當節(jié)點出現(xiàn)故障時，能夠迅速找到故障點并且不影響網(wǎng)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(xiàn)在導航、汽車發(fā)動機的運行監(jiān)測管理、車輛安全行駛系統(tǒng)以及車輛監(jiān)護等方面。

3.2 醫(yī)學和醫(yī)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(jù)檢測的結(jié)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(jīng)被世界衛(wèi)生組織命名為頭號致死殺手，難預測、發(fā)病快、致死率高。有些病人甚至沒有治療的機會就已經(jīng)喪命了，應用MEMS技術制作冠心病聽診器，性能高于現(xiàn)在3M聽診器，和智能手機的藍牙功能相結(jié)合把心音數(shù)據(jù)進行采集和儲存，克服了傳統(tǒng)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(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(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)保項目運行管理中的應用

為了減能減排保護環(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，要實時監(jiān)控污水處理廠的所有設備，并且要把生產(chǎn)過程中所用的參數(shù)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(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)場的運行情況，數(shù)據(jù)異常時發(fā)出報警信號。如圖1所示。

圖1 環(huán)保項目運行管理數(shù)據(jù)采集

3.5 特高壓導線舞動檢測

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)的運行管理的難度，由于導線舞動發(fā)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(xiàn)象頻發(fā)，造成了巨大的經(jīng)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(shù)據(jù)進行分析，大大提過特高壓導線運行管理效率，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(fā)，有時還會發(fā)生重大的安全事故，造成的巨大的經(jīng)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(tài)分析

網(wǎng)購是當下人們最喜歡的購物方式，網(wǎng)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(tài)、碰撞與否，是否翻到等信息實時進行采集、分析處理。

3.8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用

在大、中型企業(yè)中，由于不同的生產(chǎn)工序，所采用設備的種類比較繁雜。因此要想對采集到數(shù)據(jù)進行評價，應該從它所應用的行業(yè)范圍和取得的效果等全方位的評價。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)，目前實現(xiàn)全企業(yè)動力量數(shù)據(jù)采集。除寶鋼以外，其它企業(yè)只是部分實現(xiàn)，如濟鋼的<能源計量數(shù)據(jù)遠程采集系統(tǒng)>，武鋼正在進行的信息化系統(tǒng)等自動數(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)采集實現(xiàn)方式已引起了同行業(yè)的注意，走在了前面。

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

結(jié)束語：物聯(lián)網(wǎng)、云計算、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)和應用，MEMS在各領域滲透發(fā)展顯得尤其重要。