微机电系统在海洋观测中的应用

1、微机电系统（MEM）在海洋观测中的应用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。一、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MEM

2、S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 050C的范围内，精度可以达到 10-3C10-4C。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

3、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，

4、 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。二、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

5、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

6、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，可应用与三维成像三、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

7、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。四、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

8、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400卩W，

9、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

10、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，通常包括圭寸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AndersHyldg 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4X6mm2。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（p

11、otted -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、我国MEMS的研制现状及未来展望（一）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

12、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。（二） 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

13、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、MEMS技术发展前景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、