MEMS传感器研究现状与发展趋势

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他钦库伊

（Dazhou职业技术学院，四川Dazhou）

概括：

小型化，整合和情报是当今科学技术的主要发展方向。随着微机电系统（MEM）和微加工技术的发展，微传感器也迅速发展。引入了MEMS传感器的概念和类型，并分析并总结了其研究状态和应用领域。最后，讨论和研究了MEMS传感器的某些发展趋势。

0简介

MEMS传感器是使用微电学和微加工技术制造的新传感器。与传统传感器相比，它具有小尺寸，轻巧，低成本，低功耗，高可靠性，适合批量生产，易于整合和智能的特征。同时，微米级特征大小允许其执行传统机械传感器无法实现的功能。第一个微型传感器出生于1962年，因此树立了MEMS技术的最前沿。从那时起，MEMS传感器作为MEMS技术的重要分支发展了最快，并且长期以来一直受到美国，日本，英国和俄罗斯等世界大国的高度评价。各国已将MEMS传感器技术视为战略技术领域之一，并在特殊项目中投入了大量资金。研究。随着微电子技术，集成电路和处理技术的发展，传感器的微型化，智能，网络和多功能化已经迅速发展。 MEMS传感器已逐渐取代了传统的机械传感器，占据了传感器的主要位置和消费电子设备。 ，汽车行业，航空航天，机械，化学工业，医学，生物学和其他领域已被广泛使用。

1个MEMS传感器和分类

从微型化和整合的角度来看，MEMS（或微系统）是指可以大规模生产的微型设备，整合微力学，微型传播器，微传感器，微型演员以及信号处理和控制电路，直到接口，通信和电源，通信和电源，通信和电源供应等于一个。或系统。微电机电系统（MEMS）是根据微电导技术开发的，整合了各种微型机械手机技术，例如硅微加工和精确加工，并应用现代信息技术形成微型系统。这是20世纪末和21世纪初的科学领域。目前，这是一个非常活跃的研究领域，涉及多个学科的交集，例如物理学，力学，化学，生物学和工程技术，例如材料，机械，电子学和信息。纪律。尽管该领域的研究时间很短，但它在工业，农业开yun体育app入口登录，机械和电子，生物医学等方面取得了巨大的突破，并带来了巨大的经济利益。

2.1 MEMS传感器

MEMS传感器是一种使用微加工技术制造的新型传感器，是MEMS设备的重要分支。依靠MEMS技术的传感器主要具有以下技术特征：

1）微型化：微小的体积是MEMS设备的最明显特征，芯片尺寸基本上是纳米或微米级。

2）多元化：MEMS的多样化主要反映在其过程，应用领域和材料中。

3）集成：通过MEMS过程，可以实现多个功能和敏感方向的多个传感器的集成以形成微传感器阵列或微系统。

4）尺度对应现象：MEMS芯片规模的减少对原始理论基础有很大的影响，例如力大小效应，微摩擦学，微结构，微型疗效，微观动力学等，这都需要更多的深入研究。

5）批处理：MEMS设备类似于微电子芯片。它们可以是大量生产的，生产成本较低，这有助于实现MEMS产品的工业化规模。

2.2 MEMS传感器的典型分类

MEMS传感器可以根据其测量特性将MEMS传感器分为物理MEMS传感器，化学MEMS传感器和生物MEMS传感器。其中，每个MEMS传感器具有多种细分方法，例如微型螺丝计量机，根据检测质量，角振动类型和线性振动类型加速度计的运动方法进行了分配；根据检测质量的支持方法进行划分，包括扭转挥杆类型和悬臂束类型和弹簧支撑方法；除了信号检测方法，包括电容类型，电阻类型和隧道电流类型；由控制方法分开，包括开环和闭环类型。

2 MEMS传感器研究的当前状态

MEMS Technology是1959年由诺贝尔物理学奖获得者Richard Pfeynman于1959年提出的。 1962年，GUI的微压传感器释放了。 1979年，Roylance和Angel开始开发Pilezoresisissive微型螺丝仪。 1991年，Cole开始开发电容性微螺旋仪。 1998年，美国CSDL设计和开发了最早的MEMS陀螺仪。同年，德雷珀实验室开发了另一种形式的mems陀螺仪。

1993年，这家美国ADI公司成功地使用了技术将微加速度计商业化，并大量将其应用于汽车反碰撞安全气囊，这标志着MEMS技术商业化的开始。在1990年代，发达国家连续投资了大量资金，并建立了主要的国家项目以促进其发展。从那时起，MEMS技术已经迅速发展，尤其是围绕深水蜡烛雕刻技术开发了各种新的加工技术。近年来，基于MEMS光学开关的路由器已尝试在美国开发的MEMS光学转换，这表明MEMS的发展高潮。

近年来，无线传感器网络的研究受到了越来越多的关注。节点定位技术是无线传感器网络的关键问题之一。 Li Jianpo，Mu Baochun和其他人分析了无线电路径损失模型，并根据（接收信号强度指示器的拟合关系模型，RSSI）和距离建立了信号接收强度，并提出了距离，以及一种无线传感器的完全移动节点定位方法提出了基于协作预测的网络。该方法解决了一个问题，即当可以与未知节点通信的锚节点数量小于3但无法定位时。该算法使用未知节点历史力矩的位置信息来协助当前时刻的未知节点定位，即未知节点历史矩的位置用作锚节点的位置，速度，速度价值有助于将未知节点定位为通信半径。模拟结果表明，与传统的RSSI定位算法相比，该算法的定位成功率提高了约30％，并且每回合的平均相对误差降低了约47％。

机械MEMS传感器（例如压力传感器和陀螺仪）仍然是研究的热门话题和重点。 Han Yingdang和Li Zhe设计了一个基于微电机电系统（MEMS）加速传感器的数据采集单元。微处理器使用内部集成电路（I2C）总线来收集加速度传感器ADXL345的数据，并对数据进行低通滤波。零偏差误差校正和重力加速度的去除等，从而获得了载体的运动加速度，并执行加速度的二次整合以获得位移。它在100 m的范围内进行了多次测量。仿真计算位移误差在2％之内，可实现良好的结果。 。为了实现微型化，抗电磁干扰，长期工作和长距离传播，Zhong Shaolong和其他人提出了基于微电动机电系统（MEMS）的非对称扭转镜结构（MEMS）的纤维加速度计设计方案，并使用了双纤维函数。这对角度变化非常敏感，可检测扭转镜的扭转角变化。使用MEMS加速传感器来测量速度和位移，在国内工业和学术领域中的应用相对较少，测量位移的准确性很差或精度范围有限。

响应压力传感器的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，在恒定电流激发条件下使用了压力传感器的批次温度补偿方法，以补偿压力传感器的温度补偿。补偿后，零点温度漂移为0.004％〜0.015％FSO /℃，灵敏度温度漂移为0.0035％〜0.024％FSO /℃，达到良好的补偿效果。

Wilma和Yada提出了用于噪声建模的MEMS电容传感器的理论框架，使用了指数指数的自相关函数来描述噪声的固有过程，并给出了MEMS Cantilever响应中随机共振的数值示例分析。

在结构分析方面，Yu Jingming使用编程分析来研究微型谐振器被空气抑制时的动态特征。该程序基于对微孔子的结构和功能的分析，并通过添加条件和约束来建立程序模型。 ，使用不同的有限元单位类型，而不是微型振子谐振器的不同功能组件，并使用单位类型设置空气阻尼模型，最后，通过Microcomb谐振器的振动汇总空气阻尼的动态特性。分析结果数据。 ，与其他方法相比，此方法是快速，实用和适应性的。这为微孔子的后续动态分析提供了理论基础，并建立了串行微孔子设备的动态特征分析和解决方案程序。

研究机构，各个国家的公司和大学对MEMS传感器技术的发展非常重要。在这方面，欧洲，美国和日本具有很大的优势。相比之下，我国家的MEMS传感器技术仍在可靠性开yunapp体育官网入口下载手机版，敏感性和提高新技术能力方面落后。 MEMS传感器的许多品种无法大量生产，并且产品的实际和工业化性能相对较低。但是，我认为，随着社会的快速发展以及科学技术的持续发展，MEMS压力传感器技术将得到进一步改进和改进，其应用领域将变得越来越广泛，为社会创造了更多的价值和财富。

3 MEMS传感器应用的当前状态

3.1汽车上的MEMS传感器

汽车中使用的传感器中约有1/3使用MEMS传感器，而汽车越先进开元ky888棋牌官网版，您使用的MEMS传感器就越多。汽车上的MEMS传感器主要用于发动机操作管理，车辆动态控制，自适应导航，车辆驾驶安全系统，车辆监控和自我诊断。

物理MEMS传感器是汽车中最常用的传感器，基本上参与了汽车电子控制的各个方面。化学MEMS传感器主要是指测量汽车系统中气体成分的气体传感器；生物MEMS传感器在预测驾驶疲劳和其他汽车驾驶安全的领域中更具使用。

3.2生物医学和生物医学领域的应用

MEMS传感器广泛用于生物医学中。目前，MEMS传感器主要用于临床实验室系统，诊断和健康监测系统，包括压力传感器，集成加速传感器，微流体传感器等。通过口服或皮下注射，MEMS传感器被发送到人体以实现有效的监测人体中各种器官的同时，它还可以根据监测来清除人体中可能的癌细胞，使用特殊的微型仪器刮掉人体的内部油沉积物，减少心脏病的可能性，然后去除人体内部的胆固醇。在生物医学应用方面，MEMS传感器由于尺寸很小而可以平稳地进入较小的器官和组，从而准确监控内部器官和组织的特定操作条件，从而提高介入治疗的准确性并降低手术风险。

3.3军事应用

MEMS已用于太空超微米卫星，重量仅为250 g，尺寸极小。此外，由于小型卫星传感器的飞行寿命不长，因此在宇宙辐射下暴露并没有主要问题。 MEMS轮胎压力传感器已被广泛用于某些发达国家的军事装甲人员载体轮胎。通过分布式的战场微型传感器网络系统，陆军可以准确检测对手的战斗部署和动员的各种检测设备。该分布式的微型传感器还具有耐用性，脆弱性和布局的优势，并受到军队的高度赞扬。在空军的应用中，使用F-14战斗机弹药助推器火箭测试了MEMS压力传感器。喷射涡轮发动机在机械特性的MEMS传感器上应用材料以监测此类发动机增强了其对恶劣环境的阻力。在战斗情况的信息传输方面，空中传感器，微通信组件和微型电源源已成功开发。这些新的微型系统芯片的应用使无人飞机和战斗机能够具有新的实用功能，例如通信和地形识别。

3.4航空航天的申请

在航空和航空航天领域，MEMS具有良好的应用前景。 MEMS技术的使用大大提高了飞机的性能。在未来的开发中，MEMS传感器可以被广泛放置在飞机的关键部分中，实现了飞机重要的操作组件的精确控制和测量，包括气流，声学，机械师等，提供及时的信息和实时控制执行组件。在确保飞机的平稳飞行的同时，它可以最大程度地减少飞机飞行产生的噪音，并实现飞机燃料的有效利用。在空间中，就星际物质的检测和生命的起源而言，完全集成的气相色谱微系统可用于将其分散在太空中以实现检测目的。同时，将特殊的微型机器人传输到特定的行星并在行星周围飞行。配置的摄像头系统有助于轨道绘制相关行星的地形和地形特征。

3.5惯性MEMS设备产品

微型螺旋桨和Microgyros是当前惯性MEMS设备的主要产品，已被广泛用于汽车制造领域。商业微型加速度计的运动部件具有高质量，高灵敏度和轻巧的优势。它的测量精度高达1 mg，可以有效地测量几千分之一的重力加速度。汽车行业是微型加速器商业化最重要的驱动力之一。美国模拟设备公司开发的最具代表性的ADXL05和ADXL50系列整体差分电容器，平均年产量高达2400万件。 。目前，传统的机电加速度传感器市场正在逐渐被微型螺丝计量机占据，并且随着汽车安全气囊系统的持续普及，它显示出快速增长的趋势。

3.6无线传感器网络

无线传感器网络集成了多个学科，例如现代传感器技术，微电子技术，通信技术，嵌入式计算技术和分布式信息处理技术。这是一个新兴的研究跨学科领域，具有重要的科学研究价值和广泛的应用前景，这引起了全球广泛关注。 2003年2月，美国杂志的“技术评论”评估了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络首先排名。近年来，全球各国对无线传感器网络的研究充满了热情，并且已经实施了许多相关的研究计划，例如IBM在美国提出的“智能地球”和“环境”情报“在欧洲（环境情报，AMI），“日本的U-Japan”，韩国的“ U-Korea”，等等。

我的国家还在WSN进行了大量研究工作，并取得了许多研究结果。目前，它正在进一步增加促进传感器网络的研究和应用的努力。

4 MEMS传感器开发趋势

基于MEMS技术的微型传感器具有降低汽车电子系统成本并提高性能的优势。他们已经开始基于传统的机电技术逐渐替换传感器，并将成为汽车传感器的主流产品。特别是，对MEMS传感器网络的研究是将来的关键研究领域，预计将发现以下研究方向。

1）被动性：在物联网时代，网络测量和控制系统通常需要无线MEMS传感器。作为将非动力转换为电力的传感器，功率是关键点。能源收集芯片用于收集其他能源，例如太阳能和风能，然后将它们转换为电能以提供传感器的功率。无线传感模块和能源收集技术的结合将使MEMS传感器被动。

2）材料多样化：随着材料合成技术的开发以及制造过程的多样化，研究人员使用了新材料，例如氧化陶瓷，软磁性膜和剥离材料，光纤材料和生物材料来制造MMES传感器。制造材料将更加多样化。

3）小型化：可穿戴技术和便携式设备越来越需要传感器的小型化。纳米技术，集成技术和包装技术的研究与开发将促进MEMS以实现较小的包装。

4）节点小型化：使用当前的微电力和微型通信技术，设计微量卷和长寿命传感器节点是一个重要的研究方向。伯克利大学开发的防尘传感器节点将传感器的大小减少到一个立方毫米，从而使这些传感器颗粒可以漂浮在空中。

5）寻求系统节能策略：在特殊场合使用无线传感器网络时，无法更换电源，因此电力消耗问题至关重要。现在，关于节点低功耗的问题，在国内外已经取得了良好的研究结果，并且已经提出了一些低功耗的无线传感器网络协议，这将在未来取得更大的进步。

6）低成本：由于传感器网络中的节点数量很大，因此通常是数千个。为了使传感器网络实用，每个节点的价格必须以低于1美元的价格控制，而每个传感器节点的成本现在约为80美元。如果可以有效降低节点的成本，则将大力促进传感器网络的发展。

7）节点的自动配置：将来，我们将专注于研究如何根据某些规则形成大量节点。当某些节点有错误时，网络可以快速找到这些节点，并且不会影响网络的正常使用。配置冗余节点是必要的。

8）传感器网络安全问题和反干扰问题：像普通网络一样，传感器网络也面临安全测试，即如何使用较小的能量和较小的计算量来完成数据加密，身份认证等。在中断或干扰下执行的任务的可靠完成也是一个重要的研究主题。

5结论

通过最近的研究，人们对传感器网络固有特征的理解逐渐变得清晰。但是，如果传感器网络需要真正实用，则需要在基本层，网络层等中解决许多基本问题和关键技术。目前，世界各地的传感器网络仍然非常分散，并且都是本地独家应用程序，与“感知到一切并且充满智慧”的事物互联网仍然很远。特定的应用程序，例如预防远程盗窃，不可阻挡的高速公路通行，智能库，远程电表读数等，只是物联网的原型，尚未形成巨大的网络。随着传感器网络技术的开发和成熟度，传感器网络将来将与当前的Internet和通信网络形成更大，更复杂的网络。无线传感器网络技术将继续生产新的应用模型，这将对我们的生活产生深远的影响。

目前，MEMS传感器技术仍处于快速发展的早期阶段。随着社会经济和技术的发展，其广泛的应用和实际收益将继续得到强调。 MEMS传感器的应用和开发将对许多领域（例如医学，生物学，热力学，光学，力学，工程等）产生深远的影响，并且人类的生活和生产方法将发生重大变化。