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(guó)內(nèi)及國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)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(chē)、消費(fèi)、工控等領(lǐng)域，并成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

1 目前國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

究其傳感器和MEMS的發(fā)展過(guò)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(wú)線(xiàn)微系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展。

縱觀(guān)二OOO年以后的MEMS傳感器專(zhuān)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(chēng)之為成長(zhǎng)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(zhǎng)期。伴隨著MEMS市場(chǎng)需求的日益增長(zhǎng)，可以預(yù)測(cè)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(zhǎng)勢(shì)頭。

MEMS技術(shù)發(fā)展依賴(lài)與市場(chǎng)的需求，并且以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，它的發(fā)展快慢和所需的類(lèi)型都和市場(chǎng)的所需密不可分。上世紀(jì)九十年代末，隨著MEMS技術(shù)越來(lái)越走向商業(yè)，該技術(shù)經(jīng)歷了起步期、生長(zhǎng)期，大量的微傳感器產(chǎn)物大量的沖入了市場(chǎng)。隨后二OOO至二OO六年這六年期間，主要為汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，而汽車(chē)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(shuō)是進(jìn)入了多元化階段，雖然在從專(zhuān)利數(shù)量方面分析并沒(méi)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(zhǎng)在一定程度上起到了催促作用。

通過(guò)對(duì)專(zhuān)利權(quán)人的分析，可以獲得下面的定論：美國(guó)的霍尼韋爾公司和德國(guó)的羅伯特·博世公司，在全世界的MEMS研發(fā)中很長(zhǎng)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(cè)：汽車(chē)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(lèi)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)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(cè)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(kāi)發(fā)研究出有獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且形成了我國(guó)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(guó)微納制造技術(shù)（NEMS）的研究和開(kāi)發(fā)體系。

這十幾年以來(lái)，我國(guó)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(lèi)、汽車(chē)工業(yè)等行業(yè)的MEMS/NEMS的代工生產(chǎn)模式。

結(jié)合國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)，可以看出，我國(guó)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(shì)

2.1 無(wú)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(yáng)能或風(fēng)能用芯片收集起來(lái)，轉(zhuǎn)換成傳感器所需的電源，無(wú)線(xiàn)傳感模塊和芯片的有效結(jié)合將會(huì)實(shí)現(xiàn)MEMS的無(wú)源化。

2.2 微型化

大眾越來(lái)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(wàn)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(shì)。

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(chē)上的應(yīng)用

小汽車(chē)是每家在出行方面的標(biāo)配，并且汽車(chē)的等級(jí)越高，MEMS就應(yīng)用的越好。MEMS技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在導(dǎo)航、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理、車(chē)輛安全行駛系統(tǒng)以及車(chē)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(cè)人體的健康狀況。根據(jù)檢測(cè)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(hào)致死殺手，難預(yù)測(cè)、發(fā)病快、致死率高。有些病人甚至沒(méi)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(tīng)診器，性能高于現(xiàn)在3M聽(tīng)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(tīng)診器無(wú)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(duì)飛機(jī)重要運(yùn)行部件的精準(zhǔn)控制和測(cè)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(guò)處理后才能排放。下面就以污水處理廠(chǎng)為例，要實(shí)時(shí)監(jiān)控污水處理廠(chǎng)的所有設(shè)備，并且要把生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)采集到控制系統(tǒng)，利用專(zhuān)用的上位監(jiān)控軟件，繪制出便于操作工操作的上位畫(huà)面，方便掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。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(xiàn)舞動(dòng)檢測(cè)

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(xiàn)舞動(dòng)發(fā)生的事故越來(lái)越頻繁。導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)造成的線(xiàn)路中的導(dǎo)線(xiàn)斷開(kāi)、斷股，導(dǎo)線(xiàn)外皮磨損嚴(yán)重，桿塔傾斜、線(xiàn)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(xiàn)舞動(dòng)檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)的檢測(cè)導(dǎo)線(xiàn)的運(yùn)行狀況，準(zhǔn)確的對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大大提過(guò)特高壓導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)行管理效率，事故頻發(fā)得到有效控制。

3.6 地下管線(xiàn)測(cè)繪方面

近年來(lái)為提高城市居民的生活環(huán)境，棚戶(hù)區(qū)和新老小區(qū)改造項(xiàng)目層出不窮，地下管線(xiàn)的改造同步進(jìn)行，地下管線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜，位置信息不精準(zhǔn)導(dǎo)致多次開(kāi)挖，開(kāi)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(xiàn)測(cè)繪的應(yīng)用解決地下管線(xiàn)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(cè)量。

3.7 快遞包裹狀態(tài)分析

網(wǎng)購(gòu)是當(dāng)下人們最喜歡的購(gòu)物方式，網(wǎng)購(gòu)評(píng)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(mǎn)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(lèi)比較繁雜。因此要想對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)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(píng)價(jià)。國(guó)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(tái)數(shù)采工控機(jī)、2臺(tái)HP3000服務(wù)器（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、WEB服務(wù)器），及共用的ORACLE關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)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(jí)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(yǔ)：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(kāi)發(fā)和應(yīng)用，MEMS在各領(lǐng)域滲透發(fā)展顯得尤其重要。