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盘点MEMS传感器的六大趋势与四大新兴应用领域

更新时间:2023-05-17 点击量:562
本文主要探讨MEMS传感器的发展趋势以及现在主要的应用几个重要领域。MEMS传感器是一种新型的传感器技术,是多学科领域交叉的前沿科技技术。



MEMS突出的优点是利用微电子技术把传感器、执行器和处理电路这三部分集成在一起,组成单片集成传感器或系统,更可以实现传感器芯片的大规模批量制造,已广泛用于信息、汽车、消费、工控等领域,并成为国际竞争的战略制高点。

究其传感器和MEMS的发展过程,二十世纪六十年代刚出现微加工器件,七十年代主要研究新的技术和扩展应用方面,八十年代系列生产更为复杂的器件,九十年代是集成敏感系统的发展,2000年以后无线微系统开始发展。


纵观2000年以后的MEMS传感器数据,得到以下的数据:虽然从2000年以后,MEMS传感器技术迅速发展,但是每个阶段都有各自独到的特点并且存在很大的差异。为便于分析可以把它划分成三个阶段,2000至2006年称之为成长期,2007至2010年定义为发展期,2011年到现在被视为迅猛成长期。



随着MEMS市场需求的日益增长,可以预测到MEMS技术必定会以快速发展的状态并且一直保持快速地增长势头MEMS技术发展依赖与市场的需求,并且以市场需求为导向,它的发展快慢和所需的类型都和市场的所需密不可分。上世纪九十年代末,随着MEMS技术越来越走向商业,该技术经历了起步期、生长期,大量的微传感器产物大量的冲入了市场。


随后2000至2006年这六年期间,主要为汽车工业的发展,而汽车上需要的传感器之多,这其中主要以压力、加速度和热传感器为代表。而2007至2010年这三年,MEMS的发展可以说是进入了多元化阶段,虽然在从数量方面分析并没有发生很大的变化,但是应用领域却在不断的扩大、拓宽,例如:在航空航天技术、生物医药领域、医疗电子、消费电子和化工机械等方面,都逐渐展现出了MEMS传感器的影子。与此同时,物联网和智能制造的成长在一定程度上起到了催促作用。

通过对权人的分析,可以获得下面的定论:美国的霍尼韦尔公司和德国的罗伯特•博世公司,在世界的MEMS研发中很长一段时间都占居重要的地位。罗伯特•博世公司的Gerhard Lammel预测:汽车工业是MEMS传感器第一次被大量的推广并被广泛应用,消费类产业占主导地位的就是智能手机,被认为是第二次大潮,而物联网及服务被视为第三次大潮。



国家“863计划"15年持续不断的支持,MEMS传感器在设计、加工、测试、封装、装配等方面都有了突飞猛进的提升,在科研人员的不懈努力下,开发研究出有独立自主的知识产权,并且形成了我国自己的MEMS研究队伍,建立了一大批MEMS研发基地,在短时间内,形成了我国微纳制造技术(NEMS)的研究和开发体系。


这十几年以来,我国已经有数百家公司从事MEMS/NEMS产品研发,已经介入MEMS/NEMS技术研发的企业中也出现了大型集成电路生产骨干企业。实现了在消费类、汽车工业等行业的MEMS/NEMS的代工生产模式。

结合国外的发展趋势,可以看出,我国在MEMS技术方面和规模化生产方面的研究和投入较为不足,这就使得MEMS产业在产业化集成设计与规模生产两方面的能力就显得比较薄弱。

1.自供能化



传感器低功耗及自供能需求日趋增加。随着物联网等应用对传感需求的快速增长,传感器使用数量急剧增加,能耗也将随之翻倍。降低传感器功耗,采用环境能量收集实现自供能,增强续航能力的需求将会伴随传感器发展的始终,且日趋强烈。


2. 集成化



MEMS和传感器呈现多项功能高度集成化和组合化的趋势。由于设计空间、成本和功耗预算日益紧缩,在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成能够检测多个参量的多功能组合MEMS传感器成为重要解决方案。


3.智能化及边缘计算



软件正成为MEMS传感器的重要组成部分,随着多种传感器进一步集成,越来越多的数据需要处理,软件使得多种数据融合成为可能。MEMS产品发展必将从系统应用的定义开始,开发具有软件融合功能的智能传感器,促进人工智能在传感器领域更广阔的应用。


4. MEMS向NEMS演进



随着终端设备小型化、种类多样化,推动微电子加工技术特别是纳米加工技术的快速发展,智能传感器向更小尺寸演进是大势所趋。与MEMS类似,NEMS(纳机电系统)是专注纳米尺度领域的微纳系统技术,只不过尺寸更小。


5.大量使用新敏感材料



薄膜型压电材料具有更好的工艺一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面积,可用于MEMS执行器、扬声器、触觉和触摸界面等。未来MEMS器件的驱动模式预计将从传统的静电梳齿驱动转向压电驱动。


6.更大的晶圆尺寸



相比于目前业界普遍应用的6英寸、8英寸晶圆制造工艺,更大的晶圆尺寸能够很大程度上降低成本、提高产量,并且晶圆尺寸的扩大与芯片特征尺寸的缩小是相应促进和互相推动的。


MEMS的四大新兴应用领域:


1.在生物医药领域的应用



我国的生物医药领域使用MEMS传感器的频率较高,主要可用于临床化验、健康指数的检测等多项内容。使用的MEMS传感器主要为压力传感器、微型流体传感器等多种系统。将MEMS传感器应用到医用口服液当中,可通过口服方式将芯片送入人体,实现对身体目标器官的检验与分析。


此外,还可发挥MEMS传感器的吸附作用,逐渐消除人体内存在的危害细胞等物质,同时清除多余的脂肪,以此降低人体出现心脏疾病的几率。在生物医疗应用方面,MEMS传感器还可介入到手术之前来发挥功能,从而降低术中所形成风险,为提高手术的成功率提供重要的保障。



2.在环保项目生产运营管理领域中的应用

从污泥处理方面来讲,企业需在整个运营期间对各类机组进行随时监控,搜集一手数据信息,并将其发送到中央控制室,依据项目的具体要求来完成生产运营系统、全厂视频监控系统等内容的构建。


结合项目所提出的具体要求,接入对应的监管平台中,将项目各监控子站的数据同步上传到监管平台,同时还需依据运营平台数据库及界面风格的具体要求,对设计进行统一设置,为后续的数据等层面对接提供便利。为实现上述要求,可对污泥处理企业的运营管理系统E-MES进行深度开发。该系统具有多协议接入功能,可接入到监管平台,对污泥的计量、视频场景等各指标进行远程监控。



3.在军事中的应用

将MEMS传感器系统与卫星技术结合使用,便可在既定的空间范围内实现信号传输。由于传感器的质量较小,其可应用在超微型卫星中。但卫星系统的飞行时间较短,这便会影响MEMS传感器在军事系统中发挥更大的作用。


部分国家也将其应用在装甲兵的车用轮胎内,可通过使用卫星技术及探测仪等设备,拓展MEMS传感器的应用范围。MEMS传感器的耐磨和耐久性均较为理想,可布设在较为恶劣的环境中。



在军事方面,可通过战斗机的弹座系统对传感器进行科学的测试,提升系统对恶劣环境条件的适应性,以此促使传统MEMS传感器芯片能够在使用期间具有更高的稳定性。此外还可对通信环境和地形进行系统识别,以此提高应用功能。

4. 在航空航天领域中的应用

MEMS传感器能够在航空航天领域具有更为理想的应用前景,不但可将其安装在飞机的核心部分,同时还可依据安装位置来实施更为精准的操作,提高控制的精准性。


如在飞机飞行期间,可通过MEMS传感器来分析气流环境、声学等信息,同时对系统的控制部件进行研究,在保证飞机平稳运行的前提下,提高燃料系统的运行效果,减少飞机飞行产生的噪音。此外,MEMS传感器还可用于对宇宙的探索,将其植入到探测设备中,可实现数据的传输,辅助完成拍摄的工作内容。

推进中国MEMS传感器技术发展思路:


1. 完善产业链



可将研究院、高校作为创新的载体,将工业类的MEMS传感器的研究作为后续的发展方向,设置囊括产品设计、封装和测试等的全产业链的服务平台,打造资源共享的服务体系,从而开辟出技术创新的新渠道。将公共服务平台作为基础,将工业MEMS传感器等的应用作为目标,可尽量对示范企业提供扶持,形成布局更为优化的产业结构。

2.攻克关键核心技术

可广泛利用各类资源协同实施研究活动,深化研究多种能量收集器的集成设计、规模化测试、晶圆级封装等技术,研发出多种能量收集器传感设备,从而能够拓展能量收集器的应用范围,促使其发挥作用,实现更为理想的应用效果。

3. 提升应用规模与水平

可通过发挥公共技术平台的作用来实现多个工业类MEMS传感器等的转化工作,并将其拓展应用到工业互联网领域,针对重点领域和行业应用各类产品,促使产品数量和质量均能够实现质的提升。研究人员需努力挖掘产品的功能及优势,结合产品的特征来将其投放到适合的领域,充分发挥产品的价值,从而实现预期目标。

4.加强支持力度

依据我国目前在智能微纳传感设备等方面提出的要求,针对“工业互联网"等的应用需求,选择市场需求量较大的MEMS传感器,开展封装技术、单片集成多传感设备等方面的重点技术研究,充分发挥研究人员的职业精神与素养,深化钻研技术,全面提升产品的技术水平,不断提升我国的科技竞争力,促使我国成为国际工业领域传感器市场的重要供应商,以科技创新推动我国向强国迈进,深化落实科技兴国的战略思想。






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