科技前沿▏MEMS技术在海洋观测中的应用
今天很多产品都利用了MEMS技术，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。MEMS技术可以用于制造压力传感器、惯性传感器、磁力传感器、温度传感器等微型传感器，这些传感器以及它们的部分信号处理电路都可以在只有几毫米或更小的芯片上实现。与传统的传感器相比，MEMS传感器不仅体积更小、功耗更低，而且它们往往会比传统传感器更加准确、更加灵敏。随着人们对海洋观测的需求不断增加和海洋观测技术的不断发展，MEMS技术也在逐渐进入海洋观测技术研究领域。
一、我们为何需要MEMS？
“他们告诉我一种小手指指甲大小的电动机。他们告诉我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写祷文。但这也没什么；这是最原始的，只是我打算讨论方向上的暂停的一小步。在其下是一个惊人的小世界。公元2000年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开始认真地朝这个方向努力。”——理查德·费曼，《底部仍然存在充足的空间》发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举办的美国物理学会年会。但我们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象？
MEMS器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。这其中第一个以及最明显的一个优势就是小型化。如前所述，MEMS规模的器件，小到可以使用与目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业一样，批量制造能显著降低大规模生产的成本。在一般情况下，微机电系统也需要非常量小的材料以进行生产，可进一步降低成本。
除了价格更便宜，MEMS器件也比它们更大等价物的应用范围更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小型设备中，竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计；但通过减小了几个数量级，MEMS器件可以用在容不下传统传感器的应用中。
易于集成是MEMS技术的另一个优点。因为它们采用与ASIC制造相似的制造流程，MEMS结构可以更容易地与微电子集成。将MEMS与CMOS结构集成在一个真正的一体化器件中虽然挑战性很大，但并非不可能，而且在逐步实现。与此同时，许多制造商已经采用了混合方法来创造成功商用并具备成本效益的MEMS产品。
数字微镜像素的拆解视图
德州仪器的数字微镜器件（DMD）就是其中一个案例。DMD是TIDLP技术的核心，它广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案（每一基色对应一个芯片），或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步，以连续快速的方式显示每种颜色，让观众看到一个完整光谱的图像。
简化的MEMS加速度计
二、MEMS现状
基于各种原因，许多MEMS产品在商业上取得了巨大成功，其中许多器件已经获得广泛应用。汽车工业是MEMS技术的主要驱动力之一。例如MEMS振动结构陀螺仪，是一款新的相当便宜的设备，目前用于汽车防滑或电子稳定控制系统中。村田电子的SCX系列MEMS加速度计、陀螺仪和倾斜仪，以及将这些功能集成在一个单芯片中可助力特定的汽车应用---因为它们的精度要求可能会非常高。基于MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代了机械式碰撞传感器。上图显示了一个简化的MEMS加速度计示例，同碰撞传感器中使用的类似。一个带有一定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹簧。当传感器沿梁的轴线加速时，该梁会移动一段距离，这段距离可以通过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容变化来测量。
基于MEMS按需投放的打印机头
许多商用和工业用喷墨打印机使用基于MEMS技术的打印机喷头，保持这些墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴——这一技术被称为按需投放（DoD）。墨滴放置在横跨压电材料（比如lead zirconatetitanate，）组成的元件中，通过施加的电压来进行挤压。这增加了打印头墨水室的压力，通过施力形成一个非常小量（相对压缩）的墨水，并从喷嘴中喷出。
与此同时，其它一些MEMS技术才刚开始大规模进入市场。微机械继电器（MMR），比如欧姆龙开发的，这种继电器更快，更高效，其集成度前所未有。欧姆龙发挥了自己的微机电系统专业优势，为市场带来新款温度传感器：D6T非接触式MEMS温度传感器。该D6TMEMS制作过程中集成了ASIC和热电堆元件，所以这种小型化的非接触式温度传感器大小仅为18×14×8.8毫米（4x4元件类型）。
当然，当前的MEMS技术不限于单个传感器器件，考虑一下人的感官：单只眼带给我们颜色、运动和（一些）位置信息，而两只眼睛将带来双眼视觉，改善立体感知。事实上，我们的许多感知体验需要感官的组合，这样的感知才是最终有意义的。我们的思路是，通过将传感数据组合起来，可以弥补单个感官器官的弱点和缺点，并达到某种程度上最佳的环境理解。在人类领域，这就是所谓的“多通道整合”；而在电子领域，这就是所谓的传感器融合。传感器融合，特别是当它涉及到MEMS时，是移动设备中传感器技术的一个重要的进展。许多制造商已经开始提供完整的解决方案，如飞思卡尔面向Win8的12轴Xtrinsic传感器平台。该平台集成了3轴加速度计，3轴磁力计，压力传感器，3轴陀螺仪，环境光传感器，并带有一个ColdFire+MCU，以提供一个完全硬件解决方案——还打包提供专用的传感器融合软件。
随着MEMS器件的优势获得认可，MEMS市场步伐也在持续加快。据YoleDéveloppement2012年MEMS产业报告中所述，在接下来6年，MEMS“将继续保持平稳、持续的两位数增长”，2017年全球市场价值将达到210亿美元。
三、MEMS的应用领域
MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统机械无法比拟的优点, 在很多领域得到广泛的应用。
⒈ 信息业
信息技术的发展，对设备提出了更高的要求，功能更加强大的同时体积缩小。从多媒体人机界面(HI)看，使用微麦克风的语音输入和使用微摄像系统的图形输入都有广阔市场，如今正在大力研制的微型智能机器人更是控制系统的最高目标之一。用微陀螺装在鼠标上以稳定其运动，把微机械及其控制电路集成的微器件装于磁头上可使其在磁道上运行精度大大提高(<0.1μm)，提高磁盘的磁道密度。至于微喷头用于打印则早已有所报道。
⒉ 航空、航天业
由于卫星及其发射的高成本，工作者早已提出小卫星、微小卫星、微卫星和纳米卫星等概念。在1995年的国际会议上已有人提出研制全硅卫星，即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成，这样可使整个卫星的重量缩小到以千克计算，大幅度降低卫星的成本，使较密集的分布式卫星系统成为现实。
MEMS对航空器的性能改善也值得一提，今后在飞机的要害部位都可装上各种SMART传感器，包括力学、声学、气流等，及时提供信息和进行实时控制各种执行部件，从而使飞行更加平稳，噪声大大的被抑制，并节省燃料。
⒊ 医疗和生物技术
生物细胞的典型尺寸为1～10μm，生物大分子的厚度为纳米量级，长为微米量级。微加工技术制造的器件尺寸在这个范围内，因而适合于操作生物细胞和生物大分子，各种微泵、微阀、微镊子、微沟槽、微器皿和微流量计都可以用 MEMS技术制造。利用这种技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有10万种DNA片段的芯片，无疑对遗传学研究、疾病诊断、检测和治疗等具有极其重要的作用。Stanford和Affmetrix公司制作的DNA芯片是通过在玻璃上刻蚀出非常小的图案来检测DNA基因，该芯片已能够检测到6000多种DNA基因片段。
⒋ 环境科学
利用MEMS制造的由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备，用来检测气体和液体的化学成分，检测核生物、化学物质及有毒物品，其优势在于体积小、价格低、功耗小、便于携带。
美国密执安大学1998年发表了环境监测用无线微系统样机—μCluster，由无线通讯、微系统控制和传感器前端等三个方块组成。该微系统未封装时体积为10cm3，当扫描速度较低时，功耗小于1mW，遥测半径50m，压力测量范围80KPa～105KPa，精度为±13Pa。该系统已在美国海军使用。
四、在海洋观测领域的应用
MEMS传感器与传统传感器相比，体积更小，灵敏度更高，响应速度更快，功耗更小，而且可以制作传感器阵列以及与处理电路相集成。可以充分满足海洋观测领域高集成度、小型化、智能化、低功耗的需求。目前，国内外已有一些基于MEMS的海洋观测技术的研究。
⒈ 基于MEMS的CTD设备
CTD设备是海洋观测中常用的测量仪器，它可以测量海水的温度、盐度和深度。通常 CTD 设备包括三个传感器件：温度传感器、电导率传感器和压力传感器。基于MEMS的CTD传感器已有较广泛的研究。
在基于MEMS的CTD设备中，温度传感器通常采用在硅基底上掺杂铂或金制成的电阻温度计。这类MEMS温度传感器具有低成本、结构简单、易于封装等优点，同时由于它直接制作在硅基底上，可以与处理电路或其他制作在硅基底上的传感器相集成。铂电阻温度计可以达到很高的精度，在0～50℃的范围内，精度可以达到10－3℃～10－4℃。
基于MEMS的电导率传感器通常采用平行板结构来测量极板间海水的电导率。为了提高测量的精度，消除误差及其他影响，人们对平行板电导率传感器的设计进行了许多改良。平行板电导率传感器工作时，电场会分布在较大的区域内，任何导体或绝缘体进入电场范围内都会干扰测量结果。为了减少外部电场带来的影响，可通过设计将电场限制在所需的区域内。对于电极位于平行板两个极板表面的电导率传感器，外部电场只出现在相对电极四周的板间区域，通常可以采用在一侧电极的四周加保护环的设计来于减弱或消除外部电场。另一种平行板电导率传感器，电极位于其中一个极板上，这种结构虽然具有较高的分辨率，但其产生的外电场分布范围更大，不仅极板间的区域、极板外侧也分布有外电场。对于这种结构，人们通过增加电极以及增加辅助电路的方式限制电场。
完整的CTD系统中通常还包含压力传感器，但在一些系统中也会省去压力传感器。压力传感器可以采用压阻或压电式传感器，目前压阻式传感器技术较为成熟，CTD设备中的压力传感器往往采用压阻式传感器。压力传感器的基本结构是一个固定隔膜结构，隔膜结构作为弹性元件感应压力，通过压阻特性将压力转变为阻值的变化。单晶硅本身就是很好的压阻材料，可以直接作为结构材料，加工时通常在单晶硅基底上进行体加工形成隔膜，再在隔膜边缘少量掺杂形成p型或n型电阻以便于测量。
⒉ 基于MEMS的声学换能器
声学换能器能够使声波和电信号相互转化，具有接收声波和发射声波的功能。声学换能器在海洋观测中有着重要的作用，可以用于水听器、水下声纳探测装置，或用于水下通信，构建水下无线传感器网络。基于 MEMS 的声学换能器具有与压力传感器相近的结构，分别有基于压电效应和电容检测的声学换能器。
基于压电效应的声学换能器利用的是压电效应以及与之相反的逆压电效应。压电效应可以将隔膜的形变转化为电荷的移动，用于感应声波的震动，产生电信号。而逆压电效应则相反，通过对压电材料施加纵向的外电场，使压电材料产生单一方向的侧应力，导致隔膜弯曲。控制电场周期性的改变，即可产生一定频率的声波。电容式声学换能器一般采用平行板电容结构，也可以采用叉指电容等相对复杂的结构。平行板电容结构上极板为可动(形变)的隔膜，下极板为固定的硅基底，可包含多个电极。作为声波发射装置时，在上下极板间外加直流的偏置电压形成静电场，再通过加载交流电压信号驱动隔膜震动，产生声波。作为声波接收装置时，隔膜结构感应震动，转变为平行板间电容的变化。
MEMS声学换能器体积小巧，集成度高，并且可以在片内集成信号处理电路，用以补偿换能器本身的非线性等。高集成度的MEMS器件可以实现微米级尺寸紧密排布的二维阵列结构，可应用与三维成像。
⒊ 基于MEMS的惯性传感器
惯性(加速度)传感器是一种技术比较成熟，应用比较广泛的MEMS传感器，主要应用于波浪观测。目前国内外波浪测量浮标通常采用传统的加速度传感器，这些传感器体积大、重量重、价格昂贵，从而使浮标的制作成本增加。近年来，随着基于MEMS的惯性传感器的技术逐渐成熟，MEMS惯性传感器逐渐推广应用于波浪的观测。惯性传感器的基本原理与压力传感器相似，是利用压电效应或压阻效应或电容位移检测的原理，不同的是它不是感应外力引发的形变，而是在弹性结构上增加一个悬空的质量块，当传感器处于加速或减速运动时，由于惯性作用，质量块的运动相对于基底的运动存在一定滞后，使得连接质量块和基底的弹性隔膜产生形变，从而感应加速度。根据结构的不同，单一的惯性传感器也可以检测多个方向的加速度变化。由于波浪测量的原理与之前一致，从而促进了国外波浪测量浮标的更新换代。
⒋ 基于MEMS的多传感器观测系统
除上述几类MEMS传感器外，地磁传感器、光学传感器等MEMS器件也能应用在海洋观测中。相比与许多传统器件，MEMS传感器除了具有体积小、灵敏度高等优点外，高集成度也是它的一个重要优势。利用先进的 MEMS 制造技术，可以在单一芯片上集成多个传感器，同时观测多方面的数据。CTD设备就是一个典型的多传感器系统，通常集成有温度传感器、电导率传感器和压力传感器，相比于应用传统传感器的CTD设备，基于MEMS的CTD设备具有更低的功耗和更高的灵敏度及分辨率。同时基于MEMS的CTD设备也具有非常小的体积，这使它不仅仅可以作为单独的海洋观测设备使用，也可以与其他海洋观测设备相结合，组成功能更丰富的海洋观测系统。
海洋观测浮标通常也是多传感器系统，因为浮标本身体积较大，往往可以根据需要集成多种传感器。应用MEMS惯性传感器和地磁传感器设计的测波浮标，它的MEMS传感器具有极低的功耗和极小的体积，其中MEMS惯性传感器的功耗只有不到400μW，包括封装和PCB 板在也只有几厘米大小。除了应用于波浪观测，观测浮标还可以同时采集其他所需的数据，如温度和盐度等。因为MEMS传感器的功耗低，体积小，海洋浮标观测系统一般都具有充足的空间和电源供应，可以灵活自由的配置所需的传感器。同时，配置在距离较近的范围内的浮标还可以彼此进行无线通信，组成无线传感网络。
MEMS传感器具有极高的集成度，多传感器系统也可以集成在很小的体积内，由于这个特点，MEMS多传感器系统可以应用在比传统传感器更广泛的领域里，海洋动物标签就是一种充分利用MEMS传感器高集成度这一优势的海洋观测仪器，研究者们已经进行了很多关于海洋动物标签的研究。海洋动物标签是一种包含MEMS传感器、数据采集和控制电路、通信电路(有源或无源标签)和电源等于一体的小型标签设备，通常包括封装在内也只有几厘米大小，可以固定在鱼类身上而不影响鱼类的活动，当被标记的鱼再次被捕获时，通过射频阅读设备读取标签中存储的数据，这种标签通常用于渔业和生态研究等。丹麦技术大学微纳技术系的Anders Hyldg rd等人设计了一种用于渔业研究的多传感器标签。该多传感器系统包括了温度、盐度、压力和光敏传感器，这些传感器全部集成于一块芯片，传感器芯片的尺寸仅为4×6mm2。该标签系统还包括控制芯片、存储器、射频标签和电源等，这些模块安置在一块PCB板上，通过盆栽管(potted－tube)封装以密封电路部分。
MEMS多传感器系统具有极高的灵活性和集成度。可将许多不同种类的传感器以及控制、数据处理和存储、通信模块等集成在一块PCB板上，甚至是一块芯片上。可根据应用需求定制不同的器件，应用范围十分广泛。
五、在我国的研制现状及未来展望
⒈ 我国MEMS的研制现状
我国的MEMS研究始于20世纪90年代初，在“八五”、“九五”期间得到了科技部、教育部、中科院、国家自然科学基金委的支持，研制了微陀螺与微加速度计、微型传感器和微型执行器、微流量器件和系统、生物芯片和微电泳仪、微型光开关和RF MEMS器件、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺。其中微型压力传感器、微型加速度计、微流量传感器和微气体传感器已经得到少量应用.目前全国约有50多个MEMS研制单位，形成了几个MEMS研究力量相对集中的地区。如上海交通大学研制了用于小型直升飞机试验的直径2mm的微型马达。
由于各种原因，我国的MEMS研究在质量、性能价格比及商品化等方面与国外有很大的差距。政府加大投入、企业参与开发应为MEMS从业人员提供更加强大的资金、技术支持。
⒉ MEMS发展趋势
当前MEMS技术正处于突破和高速发展前夕，21世纪肯定会展现一个大发展的局面，其广泛应用和效益将强有力的显示出来，对信息、航天、航空、自动控制、医学、生物学、力学、光学、热学、近代物理和工程学等领域的影响将是深刻的人类的生产和生活方式也会因此而发生某些变化。
MEMS技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及价格比，因此提高芯片的集成度是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。研究方向的多样化、加工工艺的多样化、系统单片集成化将是MEMS技术的发展方向。
六、结束语
MEMS技术目前仍属于新兴的技术领域，并不是很成熟，许多领域的研究仍比较匮乏。但通过目前国内外的研究成果可以看到，MEMS传感器系统具有高集成度、高灵敏度、高分辨率、低功耗、低成本等优势。MEMS是21世纪推动国民经济的一项重要的技术，它们的实现和应用必将对许多重要技术领域的发展产生深远的影响。
在海洋观测中应用MEMS传感器技术，可以实现传感器的高集成度、小型化和低功耗，从而令海洋观测仪器体积更小、功耗更低、配置更灵活。另外MEMS声学换能器不仅可以作为一种观测设备，同时还可以实现水下通信，以构建水下无线传感网。
随着人们对海洋研究的深入和未来海洋观测技术智能化、网络化和小型化的发展，MEMS传感器技术将以其特有的优势，在海洋观测技术的发展中发挥更重要的作用。相信随着MEMS技术的日趋成熟，MEMS传感器技术将更广泛的应用在海洋观测的各个领域中。
■文章中“在海洋观测领域的应用”一节引自《信息技术》上论文“MEMS传感器技术及其在海洋观测中的应用”，作者董叶梓 张鹏 张锁平，国家海洋技术中心。其他依据网络资料综合编写，用于学习与交流。