MEMS传感器技术发展现状及应用初探

伍国伟，伍斯龙

（肇庆市声光电子器材有限公司，广东 肇庆 526060）

MESM 传感器是MESM 器件的重要分支，其采用微机械加工及处理技术，能够抵抗外界不良环境的影响，实现了传感器应用的智能化、微型化与多功能化。MESM 传感器具有典型的体积小、功能齐全、灵敏度和可靠度高等优势，自从20世纪中叶研发至今，已经逐步取代了传统的传感器。本文首先对MESM 传感器的技术特点和分类进行分析，然后从环保领域、生物医药、航空航天等方面进行了应用阐述，并针对性地提出了MESM 传感器的未来发展方向，供参考。

1 MESM 传感器分类及主要特点

MESM 传感器产品具有分类多，分类方法等分类特征，可以按照工作原理进行分类，同时也可按照被测量的数据进行分类，例如，按照工作的原理可以分为物理型、化学型和生物型三类，而按照被测的数据可以分为加速度、角速度、压力、电量、流量等。此外，每种MEMS 传感器又可以进行细分，例如，微加速器法按照其运行过程中的质量大小可以分为角振动器和线振动器等加速方法。按照对应的支撑方式进行分类，又可以分为悬臂式、扭摆式和弹簧支撑方式等。MEMS 传感器在应用的过程中不仅分类广泛，且其功能用途范围广，是获取数据信息的关键器件，不仅在实际工程中有所应用，在航空航天领域、生物医药领域应用较为广泛，典型应用见下表1。其具体特点分析如下。

（1）体积小、微型化。在MEMS 传感器中最小的芯片传输设备可为纳米级别，因此，体积小是MEMS 传感器结构的最大特征。

（2）多样性。MEMS 传感器的多样性主要可以体现在选用材料、工艺及用途等方面。

（3）微系统集成化。凭借MEMS 工艺可以实现对应用功能、数据传输方向的集成处理，并可实现微传感的矩阵阵列分析。

（4）批量化、广义化。MEMS 传感器与传统的传感器一样可以实现批量生产，并结合尺寸学、微摩擦学和微构造学等实现尺度相应的研究，并有利于MEMS 传感器产品的批量化生产的实现。MEMS 传感器的机械功能可以高效实现能量转换，并可实现多功能结合式的传输效应，并加强机械传输，促进和提升物理学、生物学、光学、电学等技术的统一。

2 MEMS 传感器技术的应用

MEMS 传感器应用领域和范围广泛，其微型化的特点对于推动传感器的微型化发展具有重要作用。从MEMS 传感器的典型应用上看，主要的应用领域包含消费电子、汽车工业、航空航天空间应用及生物医疗等，其各技术参数和性能指标体系不断完备，形成了多学科交叉融合应用的新技术、新领域。现列表分析MEMS 传感器的典型应用，见表1，包含应用领域、应用产品或系统、所用的MEMS 传感器案例等内容。

表1 MEMS 传感器的典型应用分析

2.1 MEMS 传感器在生物医药领域的应用

MEMS 传感器在生物医药领域中应用广泛，主要用于临床化验，健康指数评定及检测等，所使用的MEMS 传感器的类型主要涉及压力传感器、集成加速传感器和微型流体传感器系统等，将MEMS 传感器放入医用口服液中，通过口服的形式，将传感器芯片送入体内，并可实现对人体目标器官的检测与实验分析。同时，可以借助MEMS 传感器的吸附功能，逐步清除人体内的有危害细胞等，还可以将人体内多余的油脂进行清除，从而高效地降低人体心脏病的发生概率。MEMS 传感器在生物医药领域应用的过程中，还可借助其功能，应用于手术的提前介入治疗，从而达到降低手术中所面临的风险问题。

2.2 在环保项目生产运营管理领域中的应用

以环保领域中污泥处置项目为例，需要在整体生产运营中实现对各设备机组的实时监控，并采集有效的污泥处置数据，并上传到中央控制室，因此结合项目的需求，将建设完成4 大子内容，分别是：（1）生产运营管理系统EMES（数据采集传感器元件）；（2）控制系统；（3）全厂视频监控系统；（4）中控显示大屏管理系统。根据项目要求，接入相应政府运营监管平台，需要将项目各监控子站数据实时同步至运营监管大平台，同时，需按照运营大平台数据库要求、界面风格要求等进行统一规范设计，便于后期数据等系统层面的全方位对接。为了实现该要求，将针对性的开发污泥处理厂的生产运营管理系统E-MES，该系统具备多协议接入处理能力，可直接接入运营监管平台，实现对污泥的计量、生产自控、视频场景各项运营指标的远程统一界面监控。系统的网络结构图如图1 所示。

2.3 MEMS 传感器在军事中的应用

MEMS 传感器系统能够有效的结合卫星技术，实现一定空间区域内的卫星信号的传输，由于MEMS 传感器的体积小且重量轻，因此，在应用的过程中具有显著的优势，但是由于卫星系统的飞行时间不足，进而会导致整体MEMS 传感器在军事系统中的应用受到一定的限制，但在一些国家，却广泛地应用于军队装甲兵的车用轮胎中，利用分布式网络卫星技术，结合军队探测仪等仪器设备，达到作战环境及相关要求，并进行高效的作战部署，用以调整和调动各类作战探测装置，使得MEMS 传感器具有广泛的应用。MEMS 传感器具备较强的耐磨性、耐久性，且在布设和抗恶劣环境的影响上具有一定的稳定性。在军事领域中，借助战斗机弹座系统对于MEMS 传感器进行了有效的测试与控制，增强了整体系统对于恶劣环境的抵抗能力，从而使传统的MEMS 传感器芯片结构在投入使用的过程中具有较强的稳定性，同时具备了通信环境和对地形的识别环境，从而增强了新型的使用功能。

图1 EMES 系统中网络结构分析图

2.4 MEMS 传感器在航空航天领域中的应用

MEMS 传感器在航空航天领域中的应用前景广阔，其不仅可以安置在飞机的关键部位，同时能够结合安装部位的位置进行精确的控制与操作，实现精准控制。例如，在飞机飞行的过程中，可以借助MEMS 传感器对大气中的气流环境、流速和声学等信息系统执行的控制部件进行分析，在确保飞机整体平稳飞行的基础上，提升和促进飞机燃料系统的最优化利用。其次，MEMS 传感器还可以应用于宇宙控制物质的探索中，将MEMS 传感器植入探测机器人结构中，传递数据，并辅助实现拍照和摄像功能。

3 MEMS 传感器的未来发展趋势及方向

无源化、材料应用的多样化及微型化是未来传感器应用及发展的主要方向，无线MEMS 传感器系统能够充分的结合能量的转化，利用收集芯片实现能量的收集和转化，促进无源化应用。随着传感器制备过程中材料合成技术的发展，例如光纤材料、生物合成材料等，可促进制备材料的多样化与应用的多样性。

4 结语

随着技术发展的需求，各领域互相融合，也促进了MEMS传感器的在不同领域中的应用。现阶段，随着MEMS 传感器应用深度逐步加大，各领域研究学者已经将MEMS 传感器根据行业需求进行了技术创新与改造，使得更多的学者积极参与MEMS 传感器的研究，使技术创新程度更深，技术成果的互动频率更大，因此，推动了MEMS 传感器技术的创新发展。