【導讀】微機電系統(tǒng)（MEMS），在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術，或在日本被稱為微機械，是一類器件，其特點是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS是指采用微機械加工技術批量制作的、集微型傳感器、微型機構、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、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往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。
今天很多產品都利用了MEMS技術，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器等。MEMS技術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處理電路都可以在只有幾毫米或更小的芯片上實現(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，而且它們往往會比傳統(tǒng)傳感器更加準確、更加靈敏。隨著人們對海洋觀測的需求不斷增加和海洋觀測技術的不斷發(fā)展，MEMS技術也在逐漸進入海洋觀測技術研究領域。
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機。他們告訴我，目前市場上有一種裝置，通過它你可以在大頭針頭上寫禱文。但這也沒什么；這是最原始的，只是我打算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個驚人的小世界。公元2000年，當他們回顧當前階段時，他們會想知道為何直到1960年，才有人開始認真地朝這個方向努力。”——理查德·費曼，《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（Caltech）舉辦的美國物理學會年會。但我們可能會問：為什么要在這樣一個微小尺上生成這些對象？
MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務，同時還有很多獨特的優(yōu)勢。這其中第一個以及最明顯的一個優(yōu)勢就是小型化。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工藝制造。如同集成電路產業(yè)一樣，批量制造能顯著降低大規(guī)模生產的成本。在一般情況下，微機電系統(tǒng)也需要非常量小的材料以進行生產，可進一步降低成本。
除了價格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價物的應用范圍更廣。在智能手機、相機、氣囊控制單元或類似的小型設備中，竭盡所能也設計不出金屬球和彈簧加速度計；但通過減小了幾個數(shù)量級，MEMS器件可以用在容不下傳統(tǒng)傳感器的應用中。
易于集成是MEMS技術的另一個優(yōu)點。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結構集成在一個真正的一體化器件中雖然挑戰(zhàn)性很大，但并非不可能，而且在逐步實現(xiàn)。與此同時，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來創(chuàng)造成功商用并具備成本效益的MEMS產品。
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）就是其中一個案例。DMD是TIDLP技術的核心，它廣泛應用于商用或教學用投影機單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進行靜電致動。灰度圖像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開啟和關閉狀態(tài)之間產生的。顏色通過使用三芯片方案（每一基色對應一個芯片），或通過一個單芯片以及一個色環(huán)或RGB LED光源來加入。采用后者技術的設計通過色環(huán)的旋轉與DLP芯片同步，以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個完整光譜的圖像。
簡化的MEMS加速度計
二、MEMS現(xiàn)狀
基于各種原因，許多MEMS產品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應用。汽車工業(yè)是MEMS技術的主要驅動力之一。例如MEMS振動結構陀螺儀，是一款新的相當便宜的設備，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、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集成在一個單芯片中可助力特定的汽車應用---因為它們的精度要求可能會非常高?；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代了機械式碰撞傳感器。上圖顯示了一個簡化的MEMS加速度計示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個帶有一定質量塊的懸臂梁連接到一個或多個固定點以作為彈簧。當傳感器沿梁的軸線加速時，該梁會移動一段距離，這段距離可以通過梁的“牙齒”與外部固定導體之間的電容變化來測量。
基于MEMS按需投放的打印機頭
許多商用和工業(yè)用噴墨打印機使用基于MEMS技術的打印機噴頭，保持這些墨滴并在需要時精確地放下這些墨滴——這一技術被稱為按需投放（DoD）。墨滴放置在橫跨壓電材料（比如lead zirconatetitanate，）組成的元件中，通過施加的電壓來進行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過施力形成一個非常小量（相對壓縮）的墨水，并從噴嘴中噴出。
與此同時，其它一些MEMS技術才剛開始大規(guī)模進入市場。微機械繼電器（MMR），比如歐姆龍開發(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)揮了自己的微機電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢，為市場帶來新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過程中集成了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）。
當然，當前的MEMS技術不限于單個傳感器器件，考慮一下人的感官：單只眼帶給我們顏色、運動和（一些）位置信息，而兩只眼睛將帶來雙眼視覺，改善立體感知。事實上，我們的許多感知體驗需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過將傳感數(shù)據(jù)組合起來，可以彌補單個感官器官的弱點和缺點，并達到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類領域，這就是所謂的“多通道整合”；而在電子領域，這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合，特別是當它涉及到MEMS時，是移動設備中傳感器技術的一個重要的進展。許多制造商已經(jīng)開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。該平臺集成了3軸加速度計，3軸磁力計，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環(huán)境光傳感器，并帶有一個ColdFire+MCU，以提供一個完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。
隨著MEMS器件的優(yōu)勢獲得認可，MEMS市場步伐也在持續(xù)加快。據(jù)YoleDéveloppement2012年MEMS產業(yè)報告中所述，在接下來6年，MEMS“將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù)的兩位數(shù)增長”，2017年全球市場價值將達到210億美元。
三、MEMS的應用領域
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、功能強大、可以批量生產等傳統(tǒng)機械無法比擬的優(yōu)點, 在很多領域得到廣泛的應用。
⒈ 信息業(yè)
信息技術的發(fā)展，對設備提出了更高的要求，功能更加強大的同時體積縮小。從多媒體人機界面(HI)看，使用微麥克風的語音輸入和使用微攝像系統(tǒng)的圖形輸入都有廣闊市場，如今正在大力研制的微型智能機器人更是控制系統(tǒng)的最高目標之一。用微陀螺裝在鼠標上以穩(wěn)定其運動，把微機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年的國際會議上已有人提出研制全硅衛(wèi)星，即整個衛(wèi)星由硅太陽能電池板、硅導航模塊、硅通信模塊等組合而成，這樣可使整個衛(wèi)星的重量縮小到以千克計算，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。
MEMS對航空器的性能改善也值得一提，今后在飛機的要害部位都可裝上各種SMART傳感器，包括力學、聲學、氣流等，及時提供信息和進行實時控制各種執(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
生物細胞的典型尺寸為1～10μm，生物大分子的厚度為納米量級，長為微米量級。微加工技術制造的器件尺寸在這個范圍內，因而適合于操作生物細胞和生物大分子，各種微泵、微閥、微鑷子、微溝槽、微器皿和微流量計都可以用 MEMS技術制造。利用這種技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有10萬種DNA片段的芯片，無疑對遺傳學研究、疾病診斷、檢測和治療等具有極其重要的作用。Stanford和Affmetrix公司制作的DNA芯片是通過在玻璃上刻蝕出非常小的圖案來檢測DNA基因，該芯片已能夠檢測到6000多種DNA基因片段。
⒋ 環(huán)境科學
利用MEMS制造的由化學傳感器、生物傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的微型測量和分析設備，用來檢測氣體和液體的化學成分，檢測核生物、化學物質及有毒物品，其優(yōu)勢在于體積小、價格低、功耗小、便于攜帶。
美國密執(zhí)安大學1998年發(fā)表了環(huán)境監(jiān)測用無線微系統(tǒng)樣機—μCluster，由無線通訊、微系統(tǒng)控制和傳感器前端等三個方塊組成。該微系統(tǒng)未封裝時體積為10cm3，當掃描速度較低時，功耗小于1mW，遙測半徑50m，壓力測量范圍80KPa～105KPa，精度為±13Pa。該系統(tǒng)已在美國海軍使用。
四、在海洋觀測領域的應用
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。可以充分滿足海洋觀測領域高集成度、小型化、智能化、低功耗的需求。目前，國內外已有一些基于MEMS的海洋觀測技術的研究。
⒈ 基于MEMS的CTD設備
CTD設備是海洋觀測中常用的測量儀器，它可以測量海水的溫度、鹽度和深度。通常 CTD 設備包括三個傳感器件：溫度傳感器、電導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。這類MEMS溫度傳感器具有低成本、結構簡單、易于封裝等優(yōu)點，同時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。鉑電阻溫度計可以達到很高的精度，在0～50℃的范圍內，精度可以達到10－3℃～10－4℃。
基于MEMS的電導率傳感器通常采用平行板結構來測量極板間海水的電導率。為了提高測量的精度，消除誤差及其他影響，人們對平行板電導率傳感器的設計進行了許多改良。平行板電導率傳感器工作時，電場會分布在較大的區(qū)域內，任何導體或絕緣體進入電場范圍內都會干擾測量結果。為了減少外部電場帶來的影響，可通過設計將電場限制在所需的區(qū)域內。對于電極位于平行板兩個極板表面的電導率傳感器，外部電場只出現(xiàn)在相對電極四周的板間區(qū)域，通常可以采用在一側電極的四周加保護環(huán)的設計來于減弱或消除外部電場。另一種平行板電導率傳感器，電極位于其中一個極板上，這種結構雖然具有較高的分辨率，但其產生的外電場分布范圍更大，不僅極板間的區(qū)域、極板外側也分布有外電場。對于這種結構，人們通過增加電極以及增加輔助電路的方式限制電場。
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較為成熟，CTD設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構是一個固定隔膜結構，隔膜結構作為彈性元件感應壓力，通過壓阻特性將壓力轉變?yōu)樽柚档淖兓?。單晶硅本身就是很好的壓阻材料，可以直接作為結構材料，加工時通常在單晶硅基底上進行體加工形成隔膜，再在隔膜邊緣少量摻雜形成p型或n型電阻以便于測量。
⒉ 基于MEMS的聲學換能器
聲學換能器能夠使聲波和電信號相互轉化，具有接收聲波和發(fā)射聲波的功能。聲學換能器在海洋觀測中有著重要的作用，可以用于水聽器、水下聲納探測裝置，或用于水下通信，構建水下無線傳感器網(wǎng)絡?；?MEMS 的聲學換能器具有與壓力傳感器相近的結構，分別有基于壓電效應和電容檢測的聲學換能器。
基于壓電效應的聲學換能器利用的是壓電效應以及與之相反的逆壓電效應。壓電效應可以將隔膜的形變轉化為電荷的移動，用于感應聲波的震動，產生電信號。而逆壓電效應則相反，通過對壓電材料施加縱向的外電場，使壓電材料產生單一方向的側應力，導致隔膜彎曲。控制電場周期性的改變，即可產生一定頻率的聲波。電容式聲學換能器一般采用平行板電容結構，也可以采用叉指電容等相對復雜的結構。平行板電容結構上極板為可動(形變)的隔膜，下極板為固定的硅基底，可包含多個電極。作為聲波發(fā)射裝置時，在上下極板間外加直流的偏置電壓形成靜電場，再通過加載交流電壓信號驅動隔膜震動，產生聲波。作為聲波接收裝置時，隔膜結構感應震動，轉變?yōu)槠叫邪彘g電容的變化。
MEMS聲學換能器體積小巧，集成度高，并且可以在片內集成信號處理電路，用以補償換能器本身的非線性等。高集成度的MEMS器件可以實現(xiàn)微米級尺寸緊密排布的二維陣列結構，可應用與三維成像。
⒊ 基于MEMS的慣性傳感器
慣性(加速度)傳感器是一種技術比較成熟，應用比較廣泛的MEMS傳感器，主要應用于波浪觀測。目前國內外波浪測量浮標通常采用傳統(tǒng)的加速度傳感器，這些傳感器體積大、重量重、價格昂貴，從而使浮標的制作成本增加。近年來，隨著基于MEMS的慣性傳感器的技術逐漸成熟，MEMS慣性傳感器逐漸推廣應用于波浪的觀測。慣性傳感器的基本原理與壓力傳感器相似，是利用壓電效應或壓阻效應或電容位移檢測的原理，不同的是它不是感應外力引發(fā)的形變，而是在彈性結構上增加一個懸空的質量塊，當傳感器處于加速或減速運動時，由于慣性作用，質量塊的運動相對于基底的運動存在一定滯后，使得連接質量塊和基底的彈性隔膜產生形變，從而感應加速度。根據(jù)結構的不同，單一的慣性傳感器也可以檢測多個方向的加速度變化。由于波浪測量的原理與之前一致，從而促進了國外波浪測量浮標的更新?lián)Q代。
⒋ 基于MEMS的多傳感器觀測系統(tǒng)
除上述幾類MEMS傳感器外，地磁傳感器、光學傳感器等MEMS器件也能應用在海洋觀測中。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)點外，高集成度也是它的一個重要優(yōu)勢。利用先進的 MEMS 制造技術，可以在單一芯片上集成多個傳感器，同時觀測多方面的數(shù)據(jù)。CTD設備就是一個典型的多傳感器系統(tǒng)，通常集成有溫度傳感器、電導率傳感器和壓力傳感器，相比于應用傳統(tǒng)傳感器的CTD設備，基于MEMS的CTD設備具有更低的功耗和更高的靈敏度及分辨率。同時基于MEMS的CTD設備也具有非常小的體積，這使它不僅僅可以作為單獨的海洋觀測設備使用，也可以與其他海洋觀測設備相結合，組成功能更豐富的海洋觀測系統(tǒng)。
海洋觀測浮標通常也是多傳感器系統(tǒng)，因為浮標本身體積較大，往往可以根據(jù)需要集成多種傳感器。應用MEMS慣性傳感器和地磁傳感器設計的測波浮標，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。除了應用于波浪觀測，觀測浮標還可以同時采集其他所需的數(shù)據(jù)，如溫度和鹽度等。因為MEMS傳感器的功耗低，體積小，海洋浮標觀測系統(tǒng)一般都具有充足的空間和電源供應，可以靈活自由的配置所需的傳感器。同時，配置在距離較近的范圍內的浮標還可以彼此進行無線通信，組成無線傳感網(wǎng)絡。
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，由于這個特點，MEMS多傳感器系統(tǒng)可以應用在比傳統(tǒng)傳感器更廣泛的領域里，海洋動物標簽就是一種充分利用MEMS傳感器高集成度這一優(yōu)勢的海洋觀測儀器，研究者們已經(jīng)進行了很多關于海洋動物標簽的研究。海洋動物標簽是一種包含MEMS傳感器、數(shù)據(jù)采集和控制電路、通信電路(有源或無源標簽)和電源等于一體的小型標簽設備，通常包括封裝在內也只有幾厘米大小，可以固定在魚類身上而不影響魚類的活動，當被標記的魚再次被捕獲時，通過射頻閱讀設備讀取標簽中存儲的數(shù)據(jù)，這種標簽通常用于漁業(yè)和生態(tài)研究等。丹麥技術大學微納技術系的Anders Hyldg rd等人設計了一種用于漁業(yè)研究的多傳感器標簽。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。該標簽系統(tǒng)還包括控制芯片、存儲器、射頻標簽和電源等，這些模塊安置在一塊PCB板上，通過盆栽管(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。可將許多不同種類的傳感器以及控制、數(shù)據(jù)處理和存儲、通信模塊等集成在一塊PCB板上，甚至是一塊芯片上。可根據(jù)應用需求定制不同的器件，應用范圍十分廣泛。
五、在我國的研制現(xiàn)狀及未來展望
⒈ 我國MEMS的研制現(xiàn)狀
我國的MEMS研究始于20世紀90年代初，在“八五”、“九五”期間得到了科技部、教育部、中科院、國家自然科學基金委的支持，研制了微陀螺與微加速度計、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、微型光開關和RF MEMS器件、微型機器人和微操作系統(tǒng)、硅和非硅制造工藝。其中微型壓力傳感器、微型加速度計、微流量傳感器和微氣體傳感器已經(jīng)得到少量應用.目前全國約有50多個MEMS研制單位，形成了幾個MEMS研究力量相對集中的地區(qū)。如上海交通大學研制了用于小型直升飛機試驗的直徑2mm的微型馬達。
由于各種原因，我國的MEMS研究在質量、性能價格比及商品化等方面與國外有很大的差距。政府加大投入、企業(yè)參與開發(fā)應為MEMS從業(yè)人員提供更加強大的資金、技術支持。
⒉ MEMS發(fā)展趨勢
當前MEMS技術正處于突破和高速發(fā)展前夕，21世紀肯定會展現(xiàn)一個大發(fā)展的局面，其廣泛應用和效益將強有力的顯示出來，對信息、航天、航空、自動控制、醫(yī)學、生物學、力學、光學、熱學、近代物理和工程學等領域的影響將是深刻的人類的生產和生活方式也會因此而發(fā)生某些變化。
MEMS技術發(fā)展的目標是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及價格比，因此提高芯片的集成度是不斷縮小半導體器件特征尺寸的動力源泉。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技術的發(fā)展方向。
六、結束語
MEMS技術目前仍屬于新興的技術領域，并不是很成熟，許多領域的研究仍比較匱乏。但通過目前國內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。MEMS是21世紀推動國民經(jīng)濟的一項重要的技術，它們的實現(xiàn)和應用必將對許多重要技術領域的發(fā)展產生深遠的影響。
在海洋觀測中應用MEMS傳感器技術，可以實現(xiàn)傳感器的高集成度、小型化和低功耗，從而令海洋觀測儀器體積更小、功耗更低、配置更靈活。另外MEMS聲學換能器不僅可以作為一種觀測設備，同時還可以實現(xiàn)水下通信，以構建水下無線傳感網(wǎng)。
隨著人們對海洋研究的深入和未來海洋觀測技術智能化、網(wǎng)絡化和小型化的發(fā)展，MEMS傳感器技術將以其特有的優(yōu)勢，在海洋觀測技術的發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用。相信隨著MEMS技術的日趨成熟，MEMS傳感器技術將更廣泛的應用在海洋觀測的各個領域中。
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