MEMS技術(shù)無處不在，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了機器人、智慧城市、醫(yī)療設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)、自動駕駛等生活的各個領(lǐng)域。ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品線總監(jiān)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(qū)微機電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝
過去多年，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，正逐漸成為微型傳感器的主力軍，大有取代傳統(tǒng)機械傳感器的趨勢。
MEMS傳感器迎來新的發(fā)展趨勢
據(jù)Yole Developpement的最新研究數(shù)據(jù)顯示，2018年，全球MEMS市場達到116億美元，按照每年8%市場增長率來看，預(yù)計2024年將增長到180億美元。
MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，為微型傳感器市場帶來了福音，也解決了我們生活中一些常見的難題，甚至成為一部分新興技術(shù)不可或缺一部分。
5G時代的到來，可以實現(xiàn)萬物互聯(lián)，這意味著連接到網(wǎng)絡(luò)里的東西，需要知道準確的位置。所以在今年10月底的時候，中國移動投入了3億多資金，購買了4千多個基站，這個基站并不是普通的手機通信基站，主要是用來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，也為傳感器市場帶來了非常大的需求。只有傳感器才能讓冰冷的機器與我們對話。趙延輝補充表示。
如果仔細來看，會發(fā)現(xiàn)傳感器的應(yīng)用無處不在，傳感器有振動分析、紅外成像、超聲、電壓電流的檢測等等，但這些都是傳統(tǒng)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(jié)點。
什么是集成式智能節(jié)點？趙延輝認為，以往傳感器檢測都是現(xiàn)場檢測，只能檢測出儀器設(shè)備的現(xiàn)況，這也就滿足當(dāng)下的需求。隨著市場的不斷發(fā)展，更小、成本更低、功耗更低的MEMS傳感器出來了，這時候?qū)τ跈C器的檢測、預(yù)測都可以用MEMS加速器來做。它可以通過檢測的數(shù)據(jù)分析機器內(nèi)部存在的問題，預(yù)測機器的使用壽命，提前規(guī)避風(fēng)險。
這里有一個很明顯的趨勢，未來的傳感器除了要檢測設(shè)備使用現(xiàn)狀，還可以通過數(shù)據(jù)分析，預(yù)測機器設(shè)備的使用壽命及異常風(fēng)險，提前預(yù)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(jiān)測就可能會被MEMS技術(shù)所取代。最直觀的是壓電成本已經(jīng)和MEMS成本相差太大，同時壓電監(jiān)測無法監(jiān)測低頻信號，比如橋梁監(jiān)測方面，就需要一些非常低頻的檢測，這是壓電傳感器沒辦法實現(xiàn)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，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。
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傳感器進行實測數(shù)據(jù)對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對兩個傳感器同時加上100g加速度沖擊，壓電傳感器會發(fā)生明顯的滯留偏移，而MEMS不會。
MEMS傳感器市場需求的不斷增加，背后一定有它的商業(yè)邏輯。除了它外在表現(xiàn)的體積小、功耗低、成本低等特點外，它在實際應(yīng)用中的作用正在不斷被挖掘。
典型的預(yù)測性應(yīng)用：地震波檢測
前不久，四川長寧發(fā)生6.1級地震，但憑借設(shè)備，當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)了提前61秒預(yù)警避險，降低了當(dāng)?shù)氐呢敭a(chǎn)損失。這是如何做到的呢？
一般來說，發(fā)生地震時，會產(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L波的傳播速度與S波相當(dāng)。
可以看出，通過提前檢測P波，預(yù)測地震的發(fā)生是一個很好的思路。實際上也是這樣操作的，檢測到P波在傳輸后，通過網(wǎng)絡(luò)通信，將信息及時傳輸出去，通信傳輸速度是300000km/s。如果一個地方離震中有100km距離的話，基本可以提前25s知道地震發(fā)生信息。
這個地震預(yù)警與MEMS有關(guān)系嗎？其實關(guān)系很大，過去的地震監(jiān)測設(shè)計都是低密度布置的，每一個專業(yè)地震監(jiān)測節(jié)點之間的距離都在80km以上，也能預(yù)警，但是預(yù)警的時間很短。
當(dāng)下，MEMS傳感器成本低、體積小及功耗低等特點，則為高密度布置地震設(shè)備提供了可能。低密度專業(yè)地震監(jiān)測設(shè)備配置高密度輔助地震監(jiān)測設(shè)備（MEMS加速度計），可以增加地震提前預(yù)測的時間，實現(xiàn)更早的預(yù)警。
舉個例子，高密度地震監(jiān)測輔助設(shè)備精度可能沒有低密度專業(yè)地震監(jiān)測設(shè)備精度高，但可以大面積覆蓋。這個時候，如果一片區(qū)域內(nèi)的很多高密度地震監(jiān)測輔助設(shè)備都有反應(yīng)，這意味著地震要來了，如果只是部分有反應(yīng)，可能就是其它的狀況，這是可以基于大數(shù)據(jù)來處理的。
這種MEMS加速度計需要什么特點呢？其實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(dāng)然，低功耗也很重要。畢竟地震發(fā)生的時間不知道，所以必須要MEMS加速度計自鋪設(shè)開始便一直保持正常工作狀態(tài)。
如果結(jié)合這兩個特性，那么ADXL355絕對是市場第一。當(dāng)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(jiān)測時間。趙延輝補充表示。
除了以上可以提前預(yù)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(shù)發(fā)生在旋轉(zhuǎn)機械中的故障（如滑動軸承損壞、器械不穩(wěn)、運行摩擦、零件松動、齒輪齒缺陷、軸承磨損和氣蝕等）都可以通過該傳感器系列來檢測。
值得一提的是，為了更好服務(wù)客戶，ADI將自研的MEMS傳感器集成各種信號調(diào)理，可以提供一個完整振動的解決方案?？蛻艨梢灾苯訉⒛K裝到機器上使用，也可以直接買ADI的內(nèi)核傳感器，基于自身的產(chǎn)品應(yīng)用，設(shè)計并考慮不同的封裝形式。
寫在最后
過去，機器設(shè)備的維護都是按照周期性來維護的，而MEMS加速度計這種預(yù)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(xiàn)故障，減免財產(chǎn)損失具有非常好的價值。可以看到一個趨勢，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提供了可能，它或?qū)⒊蔀楸O(jiān)控系統(tǒng)最理想的選擇。
