MEMS传感器的发展趋势及其应用

甘肃钢铁职业技术学院 潘俊花

MEMS传感器是一种新型的传感器技术，是多学科领域交叉的前沿科技技术。本文主要研究MEMS传感器国内及国外的发展现状和趋势以及主要的应用领域。

MEMS突出的优点是利用微电子技术把传感器、执行器和处理电路这三部分集成在一起，组成单片集成传感器或系统，更可以实现传感器芯片的大规模批量制造，已广泛用于信息、汽车、消费、工控等领域，并成为国际竞争的战略制高点。

1 目前国内外研究的现状

1.1 国外研究现状

究其传感器和MEMS的发展过程，二十世纪六十年代刚出现微加工器件，七十年代主要研究新的技术和扩展应用方面，八十年代系列生产更为复杂的器件，九十年代是集成敏感系统的发展，二OOO年以后无线微系统开始发展。

纵观二OOO年以后的MEMS传感器专利数据，得到以下的数据：

虽然从二OOO年以后，MEMS传感器技术迅速发展，但是每个阶段都有各自独到的特点并且存在很大的差异。为便于分析可以把它划分成三个阶段，二OOO至二OO六年称之为成长期，二OO七至二O一O年定义为发展期，二O一一年到现在被视为迅猛成长期。伴随着MEMS市场需求的日益增长，可以预测到MEMS技术必定会以快速发展的状态并且一直保持快速地增长势头。

MEMS技术发展依赖与市场的需求，并且以市场需求为导向，它的发展快慢和所需的类型都和市场的所需密不可分。上世纪九十年代末，随着MEMS技术越来越走向商业，该技术经历了起步期、生长期，大量的微传感器产物大量的冲入了市场。随后二OOO至二OO六年这六年期间，主要为汽车工业的发展，而汽车上需要的传感器之多，这其中主要以压力、加速度和热传感器为代表。而二OO七至二O一O年这三年，MEMS的发展可以说是进入了多元化阶段，虽然在从专利数量方面分析并没有发生很大的变化，但是应用领域却在不断的扩大、拓宽，例如：在航空航天技术、生物医药领域、医疗电子、消费电子和化工机械等方面，都逐渐展现出了MEMS传感器的影子。与此同时，物联网和智能制造的成长在一定程度上起到了催促作用。

通过对专利权人的分析，可以获得下面的定论：美国的霍尼韦尔公司和德国的罗伯特·博世公司，在全世界的MEMS研发中很长一段时间都占居重要的地位。罗伯特·博世公司的Gerhard Lammel预测：汽车工业是MEMS传感器第一次被大量的推广并被广泛应用，消费类产业占主导地位的就是智能手机，被认为是第二次大潮，而物联网及服务被视为第三次大潮。

1.2 国内研究现状

国家“863计划”15年持续不断的支持，MEMS传感器在设计、加工、测试、封装、装配等方面都有了突飞猛进的提升，在科研人员的不懈努力下，开发研究出有独立自主的知识产权，并且形成了我国自己的MEMS研究队伍，建立了一大批MEMS研发基地，在短时间内，形成了我国微纳制造技术（NEMS）的研究和开发体系。

这十几年以来，我国已经有200多个公司从事MEMS/NEMS产品研发，已经介入MEMS/NEMS技术研发的企业中也出现了大型集成电路生产骨干企业。实现了在消费类、汽车工业等行业的MEMS/NEMS的代工生产模式。

结合国外的发展趋势，可以看出，我国在MEMS技术方面和规模化生产方面的研究和投入较为不足，这就使得MEMS产业在产业化集成设计与规模生产两方面的能力就显得比较薄弱。

2 MEMS的趋势

2.1 无源化

传感器是将非电量转换成电量的设备，电源是传感器中不可或缺的重要部分，把太阳能或风能用芯片收集起来，转换成传感器所需的电源，无线传感模块和芯片的有效结合将会实现MEMS的无源化。

2.2 微型化

大众越来越青睐便携式、可佩戴式迷你型设备，消费者需求小型化传感器，集成技术和纳米技术将推进MEMS的发展。

2.3 低成本

传感器往往有成千上万的网络节点数，控制不好单个网络节点数的价格致使传感器网络成本很高。解决好网络结点数并且实用化，助推传感器网络化。

2.4 安全性和抗干扰能力

稳定性是衡量传感器性能好坏的重要指标。传感器网络和其他网络一样也会面临安全威胁。怎样利用最经济合理的手段实现传感器网络安全，传感器受到外界干扰时，还能稳定可靠的工作将是MEMS发展趋势。

2.5 节点实现自诊断、自动配置

由于传感器网络中节点数多，工作时当节点出现故障时，能够迅速找到故障点并且不影响网络的正常使用。将是MEMS研究的方向。

3 MEMS的应用

3.1 在汽车上的应用

小汽车是每家在出行方面的标配，并且汽车的等级越高，MEMS就应用的越好。MEMS技术在汽车中的应用主要体现在导航、汽车发动机的运行监测管理、车辆安全行驶系统以及车辆监护等方面。

3.2 医学和医疗方面的应用

由于MEMS传感器具有体积小的特点，因此它可以和口服液一起被口服到人的身体中精确的检测人体的健康状况。根据检测的结果，在做进一步的治疗，提高治疗的效果，降低手术的风险。冠心病致死率每年都在攀升，已经被世界卫生组织命名为头号致死杀手，难预测、发病快、致死率高。有些病人甚至没有治疗的机会就已经丧命了，应用MEMS技术制作冠心病听诊器，性能高于现在3M听诊器，和智能手机的蓝牙功能相结合把心音数据进行采集和储存，克服了传统听诊器无法回放心音的缺点。

3.3 航天航空方面

MEMS技术在航天、航空方面有足够的发展空间，MEMS的出现使得航空器的安全性能提高了很多。把MEMS传感器安装在飞机的关键位置上，目的是对飞机重要运行部件的精准控制和测量，在确保飞机稳定飞行的前提下，降低噪音提高乘客的乘坐舒适感。

3.4 环保项目运行管理中的应用

为了减能减排保护环境，工业生产中的污水都要经过处理后才能排放。下面就以污水处理厂为例，要实时监控污水处理厂的所有设备，并且要把生产过程中所用的参数进行采集，最后传送到中央集中控制室，从中可以看出污水处理要完成以下4个方面的内容：（1）数据采集；（2）控制系统；（3）上位监控系统；（4）报警系统。污水处理系统主要是把污水厂生产过程中的参数采集到控制系统，利用专用的上位监控软件，绘制出便于操作工操作的上位画面，方便掌握现场的运行情况，数据异常时发出报警信号。如图1所示。

图1 环保项目运行管理数据采集

3.5 特高压导线舞动检测

特高压电网近几年发展速度飞快，随之增加了特高压电网的运行管理的难度，由于导线舞动发生的事故越来越频繁。导线舞动造成的线路中的导线断开、断股，导线外皮磨损严重，杆塔倾斜、线路间跳闸现象频发，造成了巨大的经济损失。如果安装MEMS导线舞动检测仪，实时的检测导线的运行状况，准确的对采集到的数据进行分析，大大提过特高压导线运行管理效率，事故频发得到有效控制。

3.6 地下管线测绘方面

近年来为提高城市居民的生活环境，棚户区和新老小区改造项目层出不穷，地下管线的改造同步进行，地下管线错综复杂，位置信息不精准导致多次开挖，开挖错误事件频发，有时还会发生重大的安全事故，造成的巨大的经济损失。MEMS陀螺仪地下管线测绘的应用解决地下管线位置不准、准确采集管道位置信息并进行分析处理，最终完成管道轨迹测量。

3.7 快递包裹状态分析

网购是当下人们最喜欢的购物方式，网购评价中快递服务就是其中的一部分，订单跟踪信息、包裹分拣、碰撞与否，暴力拆装极大地影响顾客的满意度。MEMS惯性传感器应用在快递包裹分拣，将快递的运行状态、碰撞与否，是否翻到等信息实时进行采集、分析处理。

3.8 数据采集系统中的应用

在大、中型企业中，由于不同的生产工序，所采用设备的种类比较繁杂。因此要想对采集到数据进行评价，应该从它所应用的行业范围和取得的效果等全方位的评价。国内的大型冶金行业，基于以太网的数据采集系统，目前实现全企业动力量数据采集。除宝钢以外，其它企业只是部分实现，如济钢的<能源计量数据远程采集系统>，武钢正在进行的信息化系统等自动数据采集。酒钢分布式基于以太网协议的骨干网数据采集实现方式已引起了同行业的注意，走在了前面。

现有动力量数据系统数采设备全部为AB公司的SLC5/05系列PLC，数据处理由三台数采工控机、2台HP3000服务器（实时数据库、WEB服务器），及共用的ORACLE关系数据库服务器完成。利用MEMS技术后的物资量系统以分层、分级的方式进行集成管理和监控的方式，实现数据采集、数据处理、远程工艺流程监控，为信息化各子系统模块提供共享的实时/历史数据等功能，从而基本消除信息孤岛，实现资源共享、集中指挥。

结束语：物联网、云计算、大数据的突起，工业4.0的发展，促使了MEMS发展。尤其人工智能（AI）的出现、开发和应用，MEMS在各领域渗透发展显得尤其重要。