MEMS传感器和智能传感器的发展

　　引言

　　MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。它具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、技术附加值高，适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。

　　智能传感器充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对其内部工作状况进行调节，使采集的数据最佳，使其具有自补偿、自校准、自诊断的功能，具备了数值处理、双向通信、信息存储和记忆以及数字量输出等功能。它将利用人工神经网络、人工智能、信息处理技术，使其具有分析、判断、自适应、自学习的功能，还可以完成图像识别、特征检测和多维检测等复杂任务。

　　文中介绍了MEMS传感器和智能传感器的最新发展情况，介绍了2种传感器的应用实例。从6个方面分析了传感器发展趋势。

　　1 MEMS传感器的发展状况

　　美国Oak Ridge国家实验室的Panos Datskos与Nickolay Lavrik使用MEMS传感器检测出5．5 fs的物质，创造了一项新的世界纪录。其使用的只有2 tun长、50 am厚的硅悬臂，由一种廉价的二极管激光器振动。

　　Datskos计划提高MEMS传感器的灵敏度，通过将谐振频率从目前的2 MHz提高到50 MHz，并且相应地使悬臂更小、更硬，最终完成检测单个分子的目标。

　　飞思卡尔半导体(Freescale)推出3款具备高感应度的传感器，采用微机电制成的MMA6270Q(XY一轴)、MMA6280Q( 一轴)和MMA7261Q(XYZ一轴)传感器，为锁定低成本消费电子市场的低重力(1ow—g)传感器，可以探测透过微小的力量变化就可导致的坠落、倾斜、移动、定位和振动。

　　模拟器件(日本)公司计划同时推进MEMS传感器的集成化和多轴化，以实现可用1个传感器来测定加速度3轴和角速度3轴的6轴传感器。市场的大量需求，必将推进MEMS传感器和小型化、高性能化和低耗电化等方面的开发。

　　2 智能传感器的发展状况

　　2．1 物理转化机理

　　由于集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递对传感器应用的制约。该机理具有稳定性好、精确度高、灵敏度高的特点。

　　利用同一硅片上集成的智能检测电路，可以迅速提取频率信号，使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域的一个研究热点。

　　2．2 数据融合理论

　　数据融合是集成智能传感器理论的重要领域，也是各国研究的热点，对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命。

　　2．3 CMO$工艺兼容

　　目前，国外在研究二次集成技术的同时，集成智能传感器在工艺上的研究热点集中在研制与CMOS工艺兼容的各种传感器结构及制造工艺流程，探求在制造工艺和微机械加工技术上有所突破。

　　2．4 传感器的微型化

　　集成智能传感器的微型化决不仅是尺寸上的缩微与减少，而且是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统，并在智能程度上与先进科技融合。其微型化主要基于以下发展趋势：尺寸上的缩微和性质上的增强性；各要素的集成化和用途上的多样化；功能上的系统化、智能化和结构上的复合性。

　　2．5 提高测温精度和分辨力

　　目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器。由美国DAIJAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0．031 25℃，测温精度为±0．2℃ ．为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A／D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27 、9 ．

　　2．6 增加测试功能

　　新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC)，使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A／D转换速率(典型产品为MAX6654)、分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。

　　3 应用实例

　　3．1 MEMS传感器的应用

　　3．1 1 仿生机器人
　　仿生机器人是借助MEMS技术进行开发的研究、模仿动物或昆虫的生物形态、结构、习性行为的电子装置，可执行拍照、目标搜索、毒气探测、地雷探测等人无法到达或相当危险环境内的任务。

　　3．1．2 微飞行器
　　微飞行器MAV集MEMS、航空电子、飞行力学、推进器技术于一体，用于侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等用途。国际上很多科研机构积极从事这一开发，研制出多种MAV的雏形，按其飞行原理分为固定翼、旋翼、扑翼3大类型，同时加速研制的还有微涡轮机、微转子发动机、微燃气轮机、控制部件的微动力机电系统。研制目标是MAV的长宽高不超过150 mlyl，重10—120 g，续航时间20～60 min，巡航速度30 60 km／h，有效载荷1—20 g，最大飞行距离10 l(m，实现传输图像，可自主飞行。

　　3．1．3 微纳卫星
　　国外正研制质量低于10 k的超微卫星以及质量小于0．1kg的纳米卫星。采用MEMS技术，可将常规卫星上的许多部件微型化，例如气相分析仪、环形激光光纤陀螺、图像传感器、微波收发射机、电动机、执行器等，制作成专用集成微型部件或仪器，甚至在同一芯片上构成芯片级卫星，提高卫星信息获取和防御能力，降低卫星制作和发射成本。一枚高推力质量比的小型火箭可发射数百颗超微卫星，或采用机动应急发射方式，既单颗廉价快速完成专项任务，也能组成分布式星座或局部星团，完成以往大型卫星的任务。越来越多的理论与实践表明：微纳卫星组成的星座在遥感、通信、军事等领域有很好的应用前景。

　　3．2 智能传感器的应用

　　3．2．1 爱立信眼球
由爱立信微波技术公司研制的E眦Ⅶ (爱立信眼球)采用了智能传感器技术和一个用户界面友好的指挥和控制系统，可以快速获取准确和综合的信息。它是一种出色的雷达系统，可以在陆地和水面上分辨和跟踪海上及空中目标，通过仪器观测到的距离远远超过了地平线之外。

　　3．2．2 计算机视觉系统
在计算机视觉系统中，智能传感器不仅直接确定数据集的范围，还通过测量确保系统的安全。获得需要到达的地点信息，安置系统以得到高质量的信息。适应实践和环境的变化，甚至获得特殊的指令，控制器件的动作。
 
　　4 传感器的发展趋势

　　4．1 向高精度发展

　　随着自动化生产程度的提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

　　4 2 向高可靠性、宽温度范围发展

　　传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。发展新兴材料(如陶瓷)传感器将很有前途。

　　4．3 向微型化发展

　　各种控制仪器设备的功能越来越强，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

　　4．4 向微功耗及无源化发展

　　传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1．5 ，而工作电压只需2～5 v。

　　4．5 向智能化数字化发展

　　随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号(如0～10mV)，而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

　　4．6 向网络化发展

　　网络化是传感器发展的一个重要方向，网络的作用和优势正逐步显现出来。网络传感器必将促进电子科技的发展。

　　5 结束语

　　新型传感器技术正在不断发展并面临着更大的机遇和挑战，服务于信息科学的MEMS传感器和智能传感器日益受到科技工作者、政府和产业界的重视，今后必将发挥重要作用。