MEMS技術(shù)在海洋觀測(cè)中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2018-12-14 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS),在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術(shù),或在日本被稱為微機(jī)械,是一類器件,其特點(diǎn)是尺寸很小,制造方式特殊。MEMS是指采用微機(jī)械加工技術(shù)批量制作的、集微型傳感器、微型機(jī)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口、通訊等于一體的微型器件或微型系統(tǒng)。
MEMS器件的特征長(zhǎng)度從1毫米到1微米--1微米可是要比人們頭發(fā)的直徑小很多。MEMS往往會(huì)采用常見(jiàn)的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)微觀模擬元件,例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結(jié)構(gòu)。然而,MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反,它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。
今天很多產(chǎn)品都利用了MEMS技術(shù),如微換熱器、噴墨打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測(cè)器等。MEMS技術(shù)可以用于制造壓力傳感器、慣性傳感器、磁力傳感器、溫度傳感器等微型傳感器,這些傳感器以及它們的部分信號(hào)處理電路都可以在只有幾毫米或更小的芯片上實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的傳感器相比,MEMS傳感器不僅體積更小、功耗更低,而且它們往往會(huì)比傳統(tǒng)傳感器更加準(zhǔn)確、更加靈敏。隨著人們對(duì)海洋觀測(cè)的需求不斷增加和海洋觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,MEMS技術(shù)也在逐漸進(jìn)入海洋觀測(cè)技術(shù)研究領(lǐng)域。
一、我們?yōu)楹涡枰狹EMS?
“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動(dòng)機(jī)。他們告訴我,目前市場(chǎng)上有一種裝置,通過(guò)它你可以在大頭針頭上寫禱文。但這也沒(méi)什么;這是最原始的,只是我打算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個(gè)驚人的小世界。公元2000年,當(dāng)他們回顧當(dāng)前階段時(shí),他們會(huì)想知道為何直到1960年,才有人開(kāi)始認(rèn)真地朝這個(gè)方向努力。”——理查德·費(fèi)曼,《底部仍然存在充足的空間》發(fā)表于1959年12月29日于加州理工大學(xué)(Caltech)舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)。但我們可能會(huì)問(wèn):為什么要在這樣一個(gè)微小尺上生成這些對(duì)象?
MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務(wù),同時(shí)還有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這其中第一個(gè)以及最明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是小型化。如前所述,MEMS規(guī)模的器件,小到可以使用與目前集成電路類似的批量生產(chǎn)工藝制造。如同集成電路產(chǎn)業(yè)一樣,批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。在一般情況下,微機(jī)電系統(tǒng)也需要非常量小的材料以進(jìn)行生產(chǎn),可進(jìn)一步降低成本。
除了價(jià)格更便宜,MEMS器件也比它們更大等價(jià)物的應(yīng)用范圍更廣。在智能手機(jī)、相機(jī)、氣囊控制單元或類似的小型設(shè)備中,竭盡所能也設(shè)計(jì)不出金屬球和彈簧加速度計(jì);但通過(guò)減小了幾個(gè)數(shù)量級(jí),MEMS器件可以用在容不下傳統(tǒng)傳感器的應(yīng)用中。
易于集成是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈儾捎门cASIC制造相似的制造流程,MEMS結(jié)構(gòu)可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)真正的一體化器件中雖然挑戰(zhàn)性很大,但并非不可能,而且在逐步實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí),許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng)造成功商用并具備成本效益的MEMS產(chǎn)品。
數(shù)字微鏡像素的拆解視圖
德州儀器的數(shù)字微鏡器件(DMD)就是其中一個(gè)案例。DMD是TIDLP技術(shù)的核心,它廣泛應(yīng)用于商用或教學(xué)用投影機(jī)單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲(chǔ)單元之間的電勢(shì)進(jìn)行靜電致動(dòng)。灰度圖像是由脈沖寬度調(diào)制的反射鏡的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。顏色通過(guò)使用三芯片方案(每一基色對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片),或通過(guò)一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來(lái)加入。采用后者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過(guò)色環(huán)的旋轉(zhuǎn)與DLP芯片同步,以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色,讓觀眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。
簡(jiǎn)化的MEMS加速度計(jì)
二、MEMS現(xiàn)狀
基于各種原因,許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功,其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。例如MEMS振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀,是一款新的相當(dāng)便宜的設(shè)備,目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和傾斜儀,以及將這些功能集成在一個(gè)單芯片中可助力特定的汽車應(yīng)用---因?yàn)樗鼈兊木纫罂赡軙?huì)非常高?;贛EMS的氣囊傳感器自上世紀(jì)90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代了機(jī)械式碰撞傳感器。上圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的MEMS加速度計(jì)示例,同碰撞傳感器中使用的類似。一個(gè)帶有一定質(zhì)量塊的懸臂梁連接到一個(gè)或多個(gè)固定點(diǎn)以作為彈簧。當(dāng)傳感器沿梁的軸線加速時(shí),該梁會(huì)移動(dòng)一段距離,這段距離可以通過(guò)梁的“牙齒”與外部固定導(dǎo)體之間的電容變化來(lái)測(cè)量。
基于MEMS按需投放的打印機(jī)頭
許多商用和工業(yè)用噴墨打印機(jī)使用基于MEMS技術(shù)的打印機(jī)噴頭,保持這些墨滴并在需要時(shí)精確地放下這些墨滴——這一技術(shù)被稱為按需投放(DoD)。墨滴放置在橫跨壓電材料(比如lead zirconatetitanate,)組成的元件中,通過(guò)施加的電壓來(lái)進(jìn)行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力,通過(guò)施力形成一個(gè)非常小量(相對(duì)壓縮)的墨水,并從噴嘴中噴出。
與此同時(shí),其它一些MEMS技術(shù)才剛開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。微機(jī)械繼電器(MMR),比如歐姆龍開(kāi)發(fā)的,這種繼電器更快,更高效,其集成度前所未有。歐姆龍發(fā)揮了自己的微機(jī)電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢(shì),為市場(chǎng)帶來(lái)新款溫度傳感器:D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過(guò)程中集成了ASIC和熱電堆元件,所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18×14×8.8毫米(4x4元件類型)。
當(dāng)然,當(dāng)前的MEMS技術(shù)不限于單個(gè)傳感器器件,考慮一下人的感官:?jiǎn)沃谎蹘Ыo我們顏色、運(yùn)動(dòng)和(一些)位置信息,而兩只眼睛將帶來(lái)雙眼視覺(jué),改善立體感知。事實(shí)上,我們的許多感知體驗(yàn)需要感官的組合,這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是,通過(guò)將傳感數(shù)據(jù)組合起來(lái),可以彌補(bǔ)單個(gè)感官器官的弱點(diǎn)和缺點(diǎn),并達(dá)到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類領(lǐng)域,這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領(lǐng)域,這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合,特別是當(dāng)它涉及到MEMS時(shí),是移動(dòng)設(shè)備中傳感器技術(shù)的一個(gè)重要的進(jìn)展。許多制造商已經(jīng)開(kāi)始提供完整的解決方案,如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平臺(tái)。該平臺(tái)集成了3軸加速度計(jì),3軸磁力計(jì),壓力傳感器,3軸陀螺儀,環(huán)境光傳感器,并帶有一個(gè)ColdFire+MCU,以提供一個(gè)完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。
隨著MEMS器件的優(yōu)勢(shì)獲得認(rèn)可,MEMS市場(chǎng)步伐也在持續(xù)加快。據(jù)YoleDéveloppement2012年MEMS產(chǎn)業(yè)報(bào)告中所述,在接下來(lái)6年,MEMS“將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù)的兩位數(shù)增長(zhǎng)”,2017年全球市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到210億美元。
三、MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域
MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)機(jī)械無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn), 在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
⒈ 信息業(yè)
信息技術(shù)的發(fā)展,對(duì)設(shè)備提出了更高的要求,功能更加強(qiáng)大的同時(shí)體積縮小。從多媒體人機(jī)界面(HI)看,使用微麥克風(fēng)的語(yǔ)音輸入和使用微攝像系統(tǒng)的圖形輸入都有廣闊市場(chǎng),如今正在大力研制的微型智能機(jī)器人更是控制系統(tǒng)的最高目標(biāo)之一。用微陀螺裝在鼠標(biāo)上以穩(wěn)定其運(yùn)動(dòng),把微機(jī)械及其控制電路集成的微器件裝于磁頭上可使其在磁道上運(yùn)行精度大大提高(<0.1μm),提高磁盤的磁道密度。至于微噴頭用于打印則早已有所報(bào)道。
⒉ 航空、航天業(yè)
由于衛(wèi)星及其發(fā)射的高成本,工作者早已提出小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、微衛(wèi)星和納米衛(wèi)星等概念。在1995年的國(guó)際會(huì)議上已有人提出研制全硅衛(wèi)星,即整個(gè)衛(wèi)星由硅太陽(yáng)能電池板、硅導(dǎo)航模塊、硅通信模塊等組合而成,這樣可使整個(gè)衛(wèi)星的重量縮小到以千克計(jì)算,大幅度降低衛(wèi)星的成本,使較密集的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。
MEMS對(duì)航空器的性能改善也值得一提,今后在飛機(jī)的要害部位都可裝上各種SMART傳感器,包括力學(xué)、聲學(xué)、氣流等,及時(shí)提供信息和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制各種執(zhí)行部件,從而使飛行更加平穩(wěn),噪聲大大的被抑制,并節(jié)省燃料。
⒊ 醫(yī)療和生物技術(shù)
生物細(xì)胞的典型尺寸為1~10μm,生物大分子的厚度為納米量級(jí),長(zhǎng)為微米量級(jí)。微加工技術(shù)制造的器件尺寸在這個(gè)范圍內(nèi),因而適合于操作生物細(xì)胞和生物大分子,各種微泵、微閥、微鑷子、微溝槽、微器皿和微流量計(jì)都可以用 MEMS技術(shù)制造。利用這種技術(shù),可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有10萬(wàn)種DNA片段的芯片,無(wú)疑對(duì)遺傳學(xué)研究、疾病診斷、檢測(cè)和治療等具有極其重要的作用。Stanford和Affmetrix公司制作的DNA芯片是通過(guò)在玻璃上刻蝕出非常小的圖案來(lái)檢測(cè)DNA基因,該芯片已能夠檢測(cè)到6000多種DNA基因片段。
⒋ 環(huán)境科學(xué)
利用MEMS制造的由化學(xué)傳感器、生物傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的微型測(cè)量和分析設(shè)備,用來(lái)檢測(cè)氣體和液體的化學(xué)成分,檢測(cè)核生物、化學(xué)物質(zhì)及有毒物品,其優(yōu)勢(shì)在于體積小、價(jià)格低、功耗小、便于攜帶。
美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)1998年發(fā)表了環(huán)境監(jiān)測(cè)用無(wú)線微系統(tǒng)樣機(jī)—μCluster,由無(wú)線通訊、微系統(tǒng)控制和傳感器前端等三個(gè)方塊組成。該微系統(tǒng)未封裝時(shí)體積為10cm3,當(dāng)掃描速度較低時(shí),功耗小于1mW,遙測(cè)半徑50m,壓力測(cè)量范圍80KPa~105KPa,精度為±13Pa。該系統(tǒng)已在美國(guó)海軍使用。
四、在海洋觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用
MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比,體積更小,靈敏度更高,響應(yīng)速度更快,功耗更小,而且可以制作傳感器陣列以及與處理電路相集成??梢猿浞譂M足海洋觀測(cè)領(lǐng)域高集成度、小型化、智能化、低功耗的需求。目前,國(guó)內(nèi)外已有一些基于MEMS的海洋觀測(cè)技術(shù)的研究。
⒈ 基于MEMS的CTD設(shè)備
CTD設(shè)備是海洋觀測(cè)中常用的測(cè)量?jī)x器,它可以測(cè)量海水的溫度、鹽度和深度。通常 CTD 設(shè)備包括三個(gè)傳感器件:溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和壓力傳感器?;贛EMS的CTD傳感器已有較廣泛的研究。
在基于MEMS的CTD設(shè)備中,溫度傳感器通常采用在硅基底上摻雜鉑或金制成的電阻溫度計(jì)。這類MEMS溫度傳感器具有低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于封裝等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)由于它直接制作在硅基底上,可以與處理電路或其他制作在硅基底上的傳感器相集成。鉑電阻溫度計(jì)可以達(dá)到很高的精度,在0~50℃的范圍內(nèi),精度可以達(dá)到10-3℃~10-4℃。
基于MEMS的電導(dǎo)率傳感器通常采用平行板結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量極板間海水的電導(dǎo)率。為了提高測(cè)量的精度,消除誤差及其他影響,人們對(duì)平行板電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了許多改良。平行板電導(dǎo)率傳感器工作時(shí),電場(chǎng)會(huì)分布在較大的區(qū)域內(nèi),任何導(dǎo)體或絕緣體進(jìn)入電場(chǎng)范圍內(nèi)都會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果。為了減少外部電場(chǎng)帶來(lái)的影響,可通過(guò)設(shè)計(jì)將電場(chǎng)限制在所需的區(qū)域內(nèi)。對(duì)于電極位于平行板兩個(gè)極板表面的電導(dǎo)率傳感器,外部電場(chǎng)只出現(xiàn)在相對(duì)電極四周的板間區(qū)域,通??梢圆捎迷谝粋?cè)電極的四周加保護(hù)環(huán)的設(shè)計(jì)來(lái)于減弱或消除外部電場(chǎng)。另一種平行板電導(dǎo)率傳感器,電極位于其中一個(gè)極板上,這種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的分辨率,但其產(chǎn)生的外電場(chǎng)分布范圍更大,不僅極板間的區(qū)域、極板外側(cè)也分布有外電場(chǎng)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu),人們通過(guò)增加電極以及增加輔助電路的方式限制電場(chǎng)。
完整的CTD系統(tǒng)中通常還包含壓力傳感器,但在一些系統(tǒng)中也會(huì)省去壓力傳感器。壓力傳感器可以采用壓阻或壓電式傳感器,目前壓阻式傳感器技術(shù)較為成熟,CTD設(shè)備中的壓力傳感器往往采用壓阻式傳感器。壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)固定隔膜結(jié)構(gòu),隔膜結(jié)構(gòu)作為彈性元件感應(yīng)壓力,通過(guò)壓阻特性將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚档淖兓?。單晶硅本身就是很好的壓阻材料,可以直接作為結(jié)構(gòu)材料,加工時(shí)通常在單晶硅基底上進(jìn)行體加工形成隔膜,再在隔膜邊緣少量摻雜形成p型或n型電阻以便于測(cè)量。
⒉ 基于MEMS的聲學(xué)換能器
聲學(xué)換能器能夠使聲波和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)化,具有接收聲波和發(fā)射聲波的功能。聲學(xué)換能器在海洋觀測(cè)中有著重要的作用,可以用于水聽(tīng)器、水下聲納探測(cè)裝置,或用于水下通信,構(gòu)建水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。基于 MEMS 的聲學(xué)換能器具有與壓力傳感器相近的結(jié)構(gòu),分別有基于壓電效應(yīng)和電容檢測(cè)的聲學(xué)換能器。
基于壓電效應(yīng)的聲學(xué)換能器利用的是壓電效應(yīng)以及與之相反的逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可以將隔膜的形變轉(zhuǎn)化為電荷的移動(dòng),用于感應(yīng)聲波的震動(dòng),產(chǎn)生電信號(hào)。而逆壓電效應(yīng)則相反,通過(guò)對(duì)壓電材料施加縱向的外電場(chǎng),使壓電材料產(chǎn)生單一方向的側(cè)應(yīng)力,導(dǎo)致隔膜彎曲??刂齐妶?chǎng)周期性的改變,即可產(chǎn)生一定頻率的聲波。電容式聲學(xué)換能器一般采用平行板電容結(jié)構(gòu),也可以采用叉指電容等相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。平行板電容結(jié)構(gòu)上極板為可動(dòng)(形變)的隔膜,下極板為固定的硅基底,可包含多個(gè)電極。作為聲波發(fā)射裝置時(shí),在上下極板間外加直流的偏置電壓形成靜電場(chǎng),再通過(guò)加載交流電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)隔膜震動(dòng),產(chǎn)生聲波。作為聲波接收裝置時(shí),隔膜結(jié)構(gòu)感應(yīng)震動(dòng),轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫邪彘g電容的變化。
MEMS聲學(xué)換能器體積小巧,集成度高,并且可以在片內(nèi)集成信號(hào)處理電路,用以補(bǔ)償換能器本身的非線性等。高集成度的MEMS器件可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)尺寸緊密排布的二維陣列結(jié)構(gòu),可應(yīng)用與三維成像。
⒊ 基于MEMS的慣性傳感器
慣性(加速度)傳感器是一種技術(shù)比較成熟,應(yīng)用比較廣泛的MEMS傳感器,主要應(yīng)用于波浪觀測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外波浪測(cè)量浮標(biāo)通常采用傳統(tǒng)的加速度傳感器,這些傳感器體積大、重量重、價(jià)格昂貴,從而使浮標(biāo)的制作成本增加。近年來(lái),隨著基于MEMS的慣性傳感器的技術(shù)逐漸成熟,MEMS慣性傳感器逐漸推廣應(yīng)用于波浪的觀測(cè)。慣性傳感器的基本原理與壓力傳感器相似,是利用壓電效應(yīng)或壓阻效應(yīng)或電容位移檢測(cè)的原理,不同的是它不是感應(yīng)外力引發(fā)的形變,而是在彈性結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)懸空的質(zhì)量塊,當(dāng)傳感器處于加速或減速運(yùn)動(dòng)時(shí),由于慣性作用,質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于基底的運(yùn)動(dòng)存在一定滯后,使得連接質(zhì)量塊和基底的彈性隔膜產(chǎn)生形變,從而感應(yīng)加速度。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,單一的慣性傳感器也可以檢測(cè)多個(gè)方向的加速度變化。由于波浪測(cè)量的原理與之前一致,從而促進(jìn)了國(guó)外波浪測(cè)量浮標(biāo)的更新?lián)Q代。
⒋ 基于MEMS的多傳感器觀測(cè)系統(tǒng)
除上述幾類MEMS傳感器外,地磁傳感器、光學(xué)傳感器等MEMS器件也能應(yīng)用在海洋觀測(cè)中。相比與許多傳統(tǒng)器件,MEMS傳感器除了具有體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)外,高集成度也是它的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。利用先進(jìn)的 MEMS 制造技術(shù),可以在單一芯片上集成多個(gè)傳感器,同時(shí)觀測(cè)多方面的數(shù)據(jù)。CTD設(shè)備就是一個(gè)典型的多傳感器系統(tǒng),通常集成有溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和壓力傳感器,相比于應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的CTD設(shè)備,基于MEMS的CTD設(shè)備具有更低的功耗和更高的靈敏度及分辨率。同時(shí)基于MEMS的CTD設(shè)備也具有非常小的體積,這使它不僅僅可以作為單獨(dú)的海洋觀測(cè)設(shè)備使用,也可以與其他海洋觀測(cè)設(shè)備相結(jié)合,組成功能更豐富的海洋觀測(cè)系統(tǒng)。
海洋觀測(cè)浮標(biāo)通常也是多傳感器系統(tǒng),因?yàn)楦?biāo)本身體積較大,往往可以根據(jù)需要集成多種傳感器。應(yīng)用MEMS慣性傳感器和地磁傳感器設(shè)計(jì)的測(cè)波浮標(biāo),它的MEMS傳感器具有極低的功耗和極小的體積,其中MEMS慣性傳感器的功耗只有不到400μW,包括封裝和PCB 板在也只有幾厘米大小。除了應(yīng)用于波浪觀測(cè),觀測(cè)浮標(biāo)還可以同時(shí)采集其他所需的數(shù)據(jù),如溫度和鹽度等。因?yàn)镸EMS傳感器的功耗低,體積小,海洋浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)一般都具有充足的空間和電源供應(yīng),可以靈活自由的配置所需的傳感器。同時(shí),配置在距離較近的范圍內(nèi)的浮標(biāo)還可以彼此進(jìn)行無(wú)線通信,組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。
MEMS傳感器具有極高的集成度,多傳感器系統(tǒng)也可以集成在很小的體積內(nèi),由于這個(gè)特點(diǎn),MEMS多傳感器系統(tǒng)可以應(yīng)用在比傳統(tǒng)傳感器更廣泛的領(lǐng)域里,海洋動(dòng)物標(biāo)簽就是一種充分利用MEMS傳感器高集成度這一優(yōu)勢(shì)的海洋觀測(cè)儀器,研究者們已經(jīng)進(jìn)行了很多關(guān)于海洋動(dòng)物標(biāo)簽的研究。海洋動(dòng)物標(biāo)簽是一種包含MEMS傳感器、數(shù)據(jù)采集和控制電路、通信電路(有源或無(wú)源標(biāo)簽)和電源等于一體的小型標(biāo)簽設(shè)備,通常包括封裝在內(nèi)也只有幾厘米大小,可以固定在魚類身上而不影響魚類的活動(dòng),當(dāng)被標(biāo)記的魚再次被捕獲時(shí),通過(guò)射頻閱讀設(shè)備讀取標(biāo)簽中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),這種標(biāo)簽通常用于漁業(yè)和生態(tài)研究等。丹麥技術(shù)大學(xué)微納技術(shù)系的Anders Hyldg rd等人設(shè)計(jì)了一種用于漁業(yè)研究的多傳感器標(biāo)簽。該多傳感器系統(tǒng)包括了溫度、鹽度、壓力和光敏傳感器,這些傳感器全部集成于一塊芯片,傳感器芯片的尺寸僅為4×6mm2。該標(biāo)簽系統(tǒng)還包括控制芯片、存儲(chǔ)器、射頻標(biāo)簽和電源等,這些模塊安置在一塊PCB板上,通過(guò)盆栽管(potted-tube)封裝以密封電路部分。
MEMS多傳感器系統(tǒng)具有極高的靈活性和集成度??蓪⒃S多不同種類的傳感器以及控制、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、通信模塊等集成在一塊PCB板上,甚至是一塊芯片上??筛鶕?jù)應(yīng)用需求定制不同的器件,應(yīng)用范圍十分廣泛。
五、在我國(guó)的研制現(xiàn)狀及未來(lái)展望
⒈ 我國(guó)MEMS的研制現(xiàn)狀
我國(guó)的MEMS研究始于20世紀(jì)90年代初,在“八五”、“九五”期間得到了科技部、教育部、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持,研制了微陀螺與微加速度計(jì)、微型傳感器和微型執(zhí)行器、微流量器件和系統(tǒng)、生物芯片和微電泳儀、微型光開(kāi)關(guān)和RF MEMS器件、微型機(jī)器人和微操作系統(tǒng)、硅和非硅制造工藝。其中微型壓力傳感器、微型加速度計(jì)、微流量傳感器和微氣體傳感器已經(jīng)得到少量應(yīng)用.目前全國(guó)約有50多個(gè)MEMS研制單位,形成了幾個(gè)MEMS研究力量相對(duì)集中的地區(qū)。如上海交通大學(xué)研制了用于小型直升飛機(jī)試驗(yàn)的直徑2mm的微型馬達(dá)。
由于各種原因,我國(guó)的MEMS研究在質(zhì)量、性能價(jià)格比及商品化等方面與國(guó)外有很大的差距。政府加大投入、企業(yè)參與開(kāi)發(fā)應(yīng)為MEMS從業(yè)人員提供更加強(qiáng)大的資金、技術(shù)支持。
⒉ MEMS發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前MEMS技術(shù)正處于突破和高速發(fā)展前夕,21世紀(jì)肯定會(huì)展現(xiàn)一個(gè)大發(fā)展的局面,其廣泛應(yīng)用和效益將強(qiáng)有力的顯示出來(lái),對(duì)信息、航天、航空、自動(dòng)控制、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、近代物理和工程學(xué)等領(lǐng)域的影響將是深刻的人類的生產(chǎn)和生活方式也會(huì)因此而發(fā)生某些變化。
MEMS技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及價(jià)格比,因此提高芯片的集成度是不斷縮小半導(dǎo)體器件特征尺寸的動(dòng)力源泉。研究方向的多樣化、加工工藝的多樣化、系統(tǒng)單片集成化將是MEMS技術(shù)的發(fā)展方向。
六、結(jié)束語(yǔ)
MEMS技術(shù)目前仍屬于新興的技術(shù)領(lǐng)域,并不是很成熟,許多領(lǐng)域的研究仍比較匱乏。但通過(guò)目前國(guó)內(nèi)外的研究成果可以看到,MEMS傳感器系統(tǒng)具有高集成度、高靈敏度、高分辨率、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)。MEMS是21世紀(jì)推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)重要的技術(shù),它們的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用必將對(duì)許多重要技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
在海洋觀測(cè)中應(yīng)用MEMS傳感器技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)傳感器的高集成度、小型化和低功耗,從而令海洋觀測(cè)儀器體積更小、功耗更低、配置更靈活。另外MEMS聲學(xué)換能器不僅可以作為一種觀測(cè)設(shè)備,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)水下通信,以構(gòu)建水下無(wú)線傳感網(wǎng)。
隨著人們對(duì)海洋研究的深入和未來(lái)海洋觀測(cè)技術(shù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和小型化的發(fā)展,MEMS傳感器技術(shù)將以其特有的優(yōu)勢(shì),在海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用。相信隨著MEMS技術(shù)的日趨成熟,MEMS傳感器技術(shù)將更廣泛的應(yīng)用在海洋觀測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域中。
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