MEMS技術(shù)無(wú)處不在，其應用已經(jīng)覆蓋了機器人、智慧城市、醫療設備、狀態(tài)監測、智慧農業(yè)、自動(dòng)駕駛等生活的各個(gè)領(lǐng)域。ADI亞太區微機電產(chǎn)品線(xiàn)總監趙延輝在近日的ADI中國25周年媒體技術(shù)日上表示。
ADI亞太區微機電產(chǎn)品線(xiàn)總監趙延輝
過(guò)去多年，MEMS傳感器憑借體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為微型傳感器的主力軍，大有取代傳統機械傳感器的趨勢。
MEMS傳感器迎來(lái)新的發(fā)展趨勢
據Yole Developpement的最新研究數據顯示，2018年，全球MEMS市場(chǎng)達到116億美元，按照每年8%市場(chǎng)增長(cháng)率來(lái)看，預計2024年將增長(cháng)到180億美元。
MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，為微型傳感器市場(chǎng)帶來(lái)了福音，也解決了我們生活中一些常見(jiàn)的難題，甚至成為一部分新興技術(shù)不可或缺一部分。
5G時(shí)代的到來(lái)，可以實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)，這意味著(zhù)連接到網(wǎng)絡(luò )里的東西，需要知道準確的位置。所以在今年10月底的時(shí)候，中國移動(dòng)投入了3億多資金，購買(mǎi)了4千多個(gè)基站，這個(gè)基站并不是普通的手機通信基站，主要是用來(lái)提供高精度位置服務(wù)的。趙延輝介紹道。
此外，新制造及智能制造等概念的提出，也為傳感器市場(chǎng)帶來(lái)了非常大的需求。只有傳感器才能讓冰冷的機器與我們對話(huà)。趙延輝補充表示。
如果仔細來(lái)看，會(huì )發(fā)現傳感器的應用無(wú)處不在，傳感器有振動(dòng)分析、紅外成像、超聲、電壓電流的檢測等等，但這些都是傳統的傳感器。但目前的趨勢不同了，新興的趨勢就是要有一些集成式智能節點(diǎn)。
什么是集成式智能節點(diǎn)？趙延輝認為，以往傳感器檢測都是現場(chǎng)檢測，只能檢測出儀器設備的現況，這也就滿(mǎn)足當下的需求。隨著(zhù)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，更小、成本更低、功耗更低的MEMS傳感器出來(lái)了，這時(shí)候對于機器的檢測、預測都可以用MEMS加速器來(lái)做。它可以通過(guò)檢測的數據分析機器內部存在的問(wèn)題，預測機器的使用壽命，提前規避風(fēng)險。
這里有一個(gè)很明顯的趨勢，未來(lái)的傳感器除了要檢測設備使用現狀，還可以通過(guò)數據分析，預測機器設備的使用壽命及異常風(fēng)險，提前預警，這樣能更好的降低損失。
在大趨勢下，以往的壓電傳感器監測就可能會(huì )被MEMS技術(shù)所取代。最直觀(guān)的是壓電成本已經(jīng)和MEMS成本相差太大，同時(shí)壓電監測無(wú)法監測低頻信號，比如橋梁監測方面，就需要一些非常低頻的檢測，這是壓電傳感器沒(méi)辦法實(shí)現的。
壓電傳感器是什么呢？某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內部會(huì )產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會(huì )恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現象稱(chēng)為正壓電效應。當作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì )發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現象稱(chēng)為逆壓電效應。依據電介質(zhì)壓電效應研制的一類(lèi)傳感器稱(chēng)為壓電傳感器。
此外，為了更詳細對比壓電傳感器與MEMS傳感器的差異，ADI用業(yè)界最領(lǐng)先的，價(jià)格大約在500-1000的壓電傳感器，與自研的同等水平的MEMS傳感器進(jìn)行實(shí)測數據對比。結果發(fā)現，對兩個(gè)傳感器同時(shí)加上100g加速度沖擊，壓電傳感器會(huì )發(fā)生明顯的滯留偏移，而MEMS不會(huì )。
MEMS傳感器市場(chǎng)需求的不斷增加，背后一定有它的商業(yè)邏輯。除了它外在表現的體積小、功耗低、成本低等特點(diǎn)外，它在實(shí)際應用中的作用正在不斷被挖掘。
典型的預測性應用：地震波檢測
前不久，四川長(cháng)寧發(fā)生6.1級地震，但憑借設備，當地實(shí)現了提前61秒預警避險，降低了當地的財產(chǎn)損失。這是如何做到的呢？
一般來(lái)說(shuō)，發(fā)生地震時(shí)，會(huì )產(chǎn)生P波和S波，P波的傳播速度比S波快，但P波屬于縱波，對于環(huán)境的影響不太大，而真正造成影響的是S波與P波形成L波，其中S波的傳播速度很慢，大概是3.2km/h—4.0km/h，這也就意味著(zhù)L波的傳播速度與S波相當。
可以看出，通過(guò)提前檢測P波，預測地震的發(fā)生是一個(gè)很好的思路。實(shí)際上也是這樣操作的，檢測到P波在傳輸后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信，將信息及時(shí)傳輸出去，通信傳輸速度是300000km/s。如果一個(gè)地方離震中有100km距離的話(huà)，基本可以提前25s知道地震發(fā)生信息。
這個(gè)地震預警與MEMS有關(guān)系嗎？其實(shí)關(guān)系很大，過(guò)去的地震監測設計都是低密度布置的，每一個(gè)專(zhuān)業(yè)地震監測節點(diǎn)之間的距離都在80km以上，也能預警，但是預警的時(shí)間很短。
當下，MEMS傳感器成本低、體積小及功耗低等特點(diǎn)，則為高密度布置地震設備提供了可能。低密度專(zhuān)業(yè)地震監測設備配置高密度輔助地震監測設備（MEMS加速度計），可以增加地震提前預測的時(shí)間，實(shí)現更早的預警。
舉個(gè)例子，高密度地震監測輔助設備精度可能沒(méi)有低密度專(zhuān)業(yè)地震監測設備精度高，但可以大面積覆蓋。這個(gè)時(shí)候，如果一片區域內的很多高密度地震監測輔助設備都有反應，這意味著(zhù)地震要來(lái)了，如果只是部分有反應，可能就是其它的狀況，這是可以基于大數據來(lái)處理的。
這種MEMS加速度計需要什么特點(diǎn)呢？其實(shí)最重要的就是低噪聲和低功耗。地震有不同的等級，等級越低，振幅越小。如果振幅很小，則要求加速度計必須具備夠低的噪聲辨識。當然，低功耗也很重要。畢竟地震發(fā)生的時(shí)間不知道，所以必須要MEMS加速度計自鋪設開(kāi)始便一直保持正常工作狀態(tài)。
如果結合這兩個(gè)特性，那么ADXL355絕對是市場(chǎng)第一。當然，ADI提供的ADXL362比ADXL355功耗低很多，但它的噪聲也很高，這種情況就僅適用于5級以上的地震，因為噪聲主要分辨地震的強度，功耗則決定了產(chǎn)品的監測時(shí)間。趙延輝補充表示。
除了以上可以提前預測的MEMS傳感器外，ADI推出的ADXL100x也可以提前檢測軸承中的早期故障，由于帶寬高，大多數發(fā)生在旋轉機械中的故障（如滑動(dòng)軸承損壞、器械不穩、運行摩擦、零件松動(dòng)、齒輪齒缺陷、軸承磨損和氣蝕等）都可以通過(guò)該傳感器系列來(lái)檢測。
值得一提的是，為了更好服務(wù)客戶(hù)，ADI將自研的MEMS傳感器集成各種信號調理，可以提供一個(gè)完整振動(dòng)的解決方案?？蛻?hù)可以直接將模塊裝到機器上使用，也可以直接買(mǎi)ADI的內核傳感器，基于自身的產(chǎn)品應用，設計并考慮不同的封裝形式。
寫(xiě)在最后
過(guò)去，機器設備的維護都是按照周期性來(lái)維護的，而MEMS加速度計這種預測、分析性能力，對于高安全、高成本的產(chǎn)業(yè)而言，極早發(fā)現故障，減免財產(chǎn)損失具有非常好的價(jià)值?？梢钥吹揭粋€(gè)趨勢，MEMS加速度計的高分辨率、出色的漂移速度、極強的靈敏度與更高的信噪比，為檢測接近直流范圍極低頻振動(dòng)提供了可能，它或將成為監控系統最理想的選擇。
