本文主要探討MEMS傳感器的發(fā)展趨勢以及現(xiàn)在主要的應用幾個重要領(lǐng)域。MEMS傳感器是一種新型的傳感器技術(shù)，是多學科領(lǐng)域交叉的前沿科技技術(shù)。
MEMS突出的優(yōu)點是利用微電子技術(shù)把傳感器、執(zhí)行器和處理電路這三部分集成在一起，組成單片集成傳感器或系統(tǒng)，更可以實現(xiàn)傳感器芯片的大規(guī)模批量制造，已廣泛用于信息、汽車、消費、工控等領(lǐng)域，并成為國際競爭的戰(zhàn)略制高點。究其傳感器和MEMS的發(fā)展過程，二十世紀六十年代剛出現(xiàn)微加工器件，七十年代主要研究新的技術(shù)和擴展應用方面，八十年代系列生產(chǎn)更為復雜的器件，九十年代是集成敏感系統(tǒng)的發(fā)展，2000年以后無線微系統(tǒng)開始發(fā)展。
縱觀2000年以后的MEMS傳感器數(shù)據(jù)，得到以下的數(shù)據(jù)：雖然從2000年以后，MEMS傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，但是每個階段都有各自獨到的特點并且存在很大的差異。為便于分析可以把它劃分成三個階段，2000至2006年稱之為成長期，2007至2010年定義為發(fā)展期，2011年到現(xiàn)在被視為迅猛成長期。
伴隨著MEMS市場需求的日益增長，可以預測到MEMS技術(shù)必定會以快速發(fā)展的狀態(tài)并且一直保持快速地增長勢頭MEMS技術(shù)發(fā)展依賴與市場的需求，并且以市場需求為導向，它的發(fā)展快慢和所需的類型都和市場的所需密不可分。上世紀九十年代末，隨著MEMS技術(shù)越來越走向商業(yè)，該技術(shù)經(jīng)歷了起步期、生長期，大量的微傳感器產(chǎn)物大量的沖入了市場。
隨后2000至2006年這六年期間，主要為汽車工業(yè)的發(fā)展，而汽車上需要的傳感器之多，這其中主要以壓力、加速度和熱傳感器為代表。而2007至2010年這三年，MEMS的發(fā)展可以說是進入了多元化階段，雖然在從數(shù)量方面分析并沒有發(fā)生很大的變化，但是應用領(lǐng)域卻在不斷的擴大、拓寬，例如：在航空航天技術(shù)、生物醫(yī)藥領(lǐng)域、醫(yī)療電子、消費電子和化工機械等方面，都逐漸展現(xiàn)出了MEMS傳感器的影子。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的成長在一定程度上起到了催促作用。
通過對權(quán)人的分析，可以獲得下面的定論：美國的霍尼韋爾公司和德國的羅伯特•博世公司，在世界的MEMS研發(fā)中很長一段時間都占居重要的地位。羅伯特•博世公司的Gerhard Lammel預測：汽車工業(yè)是MEMS傳感器第一次被大量的推廣并被廣泛應用，消費類產(chǎn)業(yè)占主導地位的就是智能手機，被認為是第二次大潮，而物聯(lián)網(wǎng)及服務被視為第三次大潮。
國家“863計劃"15年持續(xù)不斷的支持，MEMS傳感器在設(shè)計、加工、測試、封裝、裝配等方面都有了突飛猛進的提升，在科研人員的不懈努力下，開發(fā)研究出有獨立自主的知識產(chǎn)權(quán)，并且形成了我國自己的MEMS研究隊伍，建立了一大批MEMS研發(fā)基地，在短時間內(nèi)，形成了我國微納制造技術(shù)（NEMS）的研究和開發(fā)體系。
這十幾年以來，我國已經(jīng)有數(shù)百家公司從事MEMS/NEMS產(chǎn)品研發(fā)，已經(jīng)介入MEMS/NEMS技術(shù)研發(fā)的企業(yè)中也出現(xiàn)了大型集成電路生產(chǎn)骨干企業(yè)。實現(xiàn)了在消費類、汽車工業(yè)等行業(yè)的MEMS/NEMS的代工生產(chǎn)模式。
結(jié)合國外的發(fā)展趨勢，可以看出，我國在MEMS技術(shù)方面和規(guī)模化生產(chǎn)方面的研究和投入較為不足，這就使得MEMS產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)化集成設(shè)計與規(guī)模生產(chǎn)兩方面的能力就顯得比較薄弱。
傳感器低功耗及自供能需求日趨增加。隨著物聯(lián)網(wǎng)等應用對傳感需求的快速增長，傳感器使用數(shù)量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低傳感器功耗，采用環(huán)境能量收集實現(xiàn)自供能，增強續(xù)航能力的需求將會伴隨傳感器發(fā)展的始終，且日趨強烈。
MEMS和傳感器呈現(xiàn)多項功能高度集成化和組合化的趨勢。由于設(shè)計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
軟件正成為MEMS傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器進一步集成，越來越多的數(shù)據(jù)需要處理，軟件使得多種數(shù)據(jù)融合成為可能。MEMS產(chǎn)品發(fā)展必將從系統(tǒng)應用的定義開始，開發(fā)具有軟件融合功能的智能傳感器，促進人工智能在傳感器領(lǐng)域更廣闊的應用。
隨著終端設(shè)備小型化、種類多樣化，推動微電子加工技術(shù)特別是納米加工技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器向更小尺寸演進是大勢所趨。與MEMS類似，NEMS（納機電系統(tǒng)）是專注納米尺度領(lǐng)域的微納系統(tǒng)技術(shù)，只不過尺寸更小。
薄膜型壓電材料具有更好的工藝一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面積，可用于MEMS執(zhí)行器、揚聲器、觸覺和觸摸界面等。未來MEMS器件的驅(qū)動模式預計將從傳統(tǒng)的靜電梳齒驅(qū)動轉(zhuǎn)向壓電驅(qū)動。
相比于目前業(yè)界普遍應用的6英寸、8英寸晶圓制造工藝，更大的晶圓尺寸能夠很大程度上降低成本、提高產(chǎn)量，并且晶圓尺寸的擴大與芯片特征尺寸的縮小是相應促進和互相推動的。
MEMS的四大新興應用領(lǐng)域：
我國的生物醫(yī)藥領(lǐng)域使用MEMS傳感器的頻率較高，主要可用于臨床化驗、健康指數(shù)的檢測等多項內(nèi)容。使用的MEMS傳感器主要為壓力傳感器、微型流體傳感器等多種系統(tǒng)。將MEMS傳感器應用到醫(yī)用口服液當中，可通過口服方式將芯片送入人體，實現(xiàn)對身體目標器官的檢驗與分析。
此外，還可發(fā)揮MEMS傳感器的吸附作用，逐漸消除人體內(nèi)存在的危害細胞等物質(zhì)，同時清除多余的脂肪，以此降低人體出現(xiàn)心臟疾病的幾率。在生物醫(yī)療應用方面，MEMS傳感器還可介入到手術(shù)之前來發(fā)揮功能，從而降低術(shù)中所形成風險，為提高手術(shù)的成功率提供重要的保障。
2.在環(huán)保項目生產(chǎn)運營管理領(lǐng)域中的應用從污泥處理方面來講，企業(yè)需在整個運營期間對各類機組進行隨時監(jiān)控，搜集一手數(shù)據(jù)信息，并將其發(fā)送到中央控制室，依據(jù)項目的具體要求來完成生產(chǎn)運營系統(tǒng)、全廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)等內(nèi)容的構(gòu)建。
結(jié)合項目所提出的具體要求，接入對應的監(jiān)管平臺中，將項目各監(jiān)控子站的數(shù)據(jù)同步上傳到監(jiān)管平臺，同時還需依據(jù)運營平臺數(shù)據(jù)庫及界面風格的具體要求，對設(shè)計進行統(tǒng)一設(shè)置，為后續(xù)的數(shù)據(jù)等層面對接提供便利。為實現(xiàn)上述要求，可對污泥處理企業(yè)的運營管理系統(tǒng)E-MES進行深度開發(fā)。該系統(tǒng)具有多協(xié)議接入功能，可接入到監(jiān)管平臺，對污泥的計量、視頻場景等各指標進行遠程監(jiān)控。
將MEMS傳感器系統(tǒng)與衛(wèi)星技術(shù)結(jié)合使用，便可在既定的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)信號傳輸。由于傳感器的質(zhì)量較小，其可應用在超微型衛(wèi)星中。但衛(wèi)星系統(tǒng)的飛行時間較短，這便會影響MEMS傳感器在軍事系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。
部分國家也將其應用在裝甲兵的車用輪胎內(nèi)，可通過使用衛(wèi)星技術(shù)及探測儀等設(shè)備，拓展MEMS傳感器的應用范圍。MEMS傳感器的耐磨和耐久性均較為理想，可布設(shè)在較為惡劣的環(huán)境中。
在軍事方面，可通過戰(zhàn)斗機的彈座系統(tǒng)對傳感器進行科學的測試，提升系統(tǒng)對惡劣環(huán)境條件的適應性，以此促使傳統(tǒng)MEMS傳感器芯片能夠在使用期間具有更高的穩(wěn)定性。此外還可對通信環(huán)境和地形進行系統(tǒng)識別，以此提高應用功能。MEMS傳感器能夠在航空航天領(lǐng)域具有更為理想的應用前景，不但可將其安裝在飛機的核心部分，同時還可依據(jù)安裝位置來實施更為精準的操作，提高控制的精準性。
如在飛機飛行期間，可通過MEMS傳感器來分析氣流環(huán)境、聲學等信息，同時對系統(tǒng)的控制部件進行研究，在保證飛機平穩(wěn)運行的前提下，提高燃料系統(tǒng)的運行效果，減少飛機飛行產(chǎn)生的噪音。此外，MEMS傳感器還可用于對宇宙的探索，將其植入到探測設(shè)備中，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，輔助完成拍攝的工作內(nèi)容。
推進中國MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展思路：
可將研究院、高校作為創(chuàng)新的載體，將工業(yè)類的MEMS傳感器的研究作為后續(xù)的發(fā)展方向，設(shè)置囊括產(chǎn)品設(shè)計、封裝和測試等的全產(chǎn)業(yè)鏈的服務平臺，打造資源共享的服務體系，從而開辟出技術(shù)創(chuàng)新的新渠道。將公共服務平臺作為基礎(chǔ)，將工業(yè)MEMS傳感器等的應用作為目標，可盡量對示范企業(yè)提供扶持，形成布局更為優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。可廣泛利用各類資源協(xié)同實施研究活動，深化研究多種能量收集器的集成設(shè)計、規(guī)模化測試、晶圓級封裝等技術(shù)，研發(fā)出多種能量收集器傳感設(shè)備，從而能夠拓展能量收集器的應用范圍，促使其發(fā)揮作用，實現(xiàn)更為理想的應用效果。可通過發(fā)揮公共技術(shù)平臺的作用來實現(xiàn)多個工業(yè)類MEMS傳感器等的轉(zhuǎn)化工作，并將其拓展應用到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，針對重點領(lǐng)域和行業(yè)應用各類產(chǎn)品，促使產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量均能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)的提升。研究人員需努力挖掘產(chǎn)品的功能及優(yōu)勢，結(jié)合產(chǎn)品的特征來將其投放到適合的領(lǐng)域，充分發(fā)揮產(chǎn)品的價值，從而實現(xiàn)預期目標。依據(jù)我國目前在智能微納傳感設(shè)備等方面提出的要求，針對“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)"等的應用需求，選擇市場需求量較大的MEMS傳感器，開展封裝技術(shù)、單片集成多傳感設(shè)備等方面的重點技術(shù)研究，充分發(fā)揮研究人員的職業(yè)精神與素養(yǎng)，深化鉆研技術(shù)，全面提升產(chǎn)品的技術(shù)水平，不斷提升我國的科技競爭力，促使我國成為國際工業(yè)領(lǐng)域傳感器市場的重要供應商，以科技創(chuàng)新推動我國向強國邁進，深化落實科技興國的戰(zhàn)略思想。
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