MEMS技術(shù)無(wú)處不在，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了機(jī)器人、智慧城市、醫(yī)療設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、自動(dòng)駕駛等生活的各個(gè)領(lǐng)域。ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝在近日的ADI中國(guó)25周年媒體技術(shù)日上表示。
ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)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(tǒng)機(jī)械傳感器的趨勢(shì)。
MEMS傳感器迎來(lái)新的發(fā)展趨勢(shì)
據(jù)Yole Developpement的最新研究數(shù)據(jù)顯示，2018年，全球MEMS市場(chǎng)達(dá)到116億美元，按照每年8%市場(chǎng)增長(zhǎng)率來(lái)看，預(yù)計(jì)2024年將增長(zhǎng)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(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，這意味著連接到網(wǎng)絡(luò)里的東西，需要知道準(zhǔn)確的位置。所以在今年10月底的時(shí)候，中國(guó)移動(dòng)投入了3億多資金，購(gòu)買(mǎi)了4千多個(gè)基站，這個(gè)基站并不是普通的手機(jī)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(jī)器與我們對(duì)話(huà)。趙延輝補(bǔ)充表示。
如果仔細(xì)來(lái)看，會(huì)發(fā)現(xiàn)傳感器的應(yīng)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(cè)等等，但這些都是傳統(tǒng)的傳感器。但目前的趨勢(shì)不同了，新興的趨勢(shì)就是要有一些集成式智能節(jié)點(diǎn)。
什么是集成式智能節(jié)點(diǎn)？趙延輝認(rèn)為，以往傳感器檢測(cè)都是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，只能檢測(cè)出儀器設(shè)備的現(xiàn)況，這也就滿(mǎn)足當(dāng)下的需求。隨著市場(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?qū)τ跈C(jī)器的檢測(cè)、預(yù)測(cè)都可以用MEMS加速器來(lái)做。它可以通過(guò)檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析機(jī)器內(nèi)部存在的問(wèn)題，預(yù)測(cè)機(jī)器的使用壽命，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。
這里有一個(gè)很明顯的趨勢(shì)，未來(lái)的傳感器除了要檢測(cè)設(shè)備使用現(xiàn)狀，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)機(jī)器設(shè)備的使用壽命及異常風(fēng)險(xiǎn)，提前預(yù)警，這樣能更好的降低損失。
在大趨勢(shì)下，以往的壓電傳感器監(jiān)測(cè)就可能會(huì)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(shí)壓電監(jiān)測(cè)無(wú)法監(jiān)測(cè)低頻信號(hào)，比如橋梁監(jiān)測(cè)方面，就需要一些非常低頻的檢測(cè)，這是壓電傳感器沒(méi)辦法實(shí)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(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，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(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(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類(lèi)傳感器稱(chēng)為壓電傳感器。
此外，為了更詳細(xì)對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(xiàn)的體積小、功耗低、成本低等特點(diǎn)外，它在實(shí)際應(yīng)用中的作用正在不斷被挖掘。
典型的預(yù)測(cè)性應(yīng)用：地震波檢測(cè)
前不久，四川長(zhǎng)寧發(fā)生6.1級(jí)地震，但憑借設(shè)備，當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)了提前61秒預(yù)警避險(xiǎn)，降低了當(dāng)?shù)氐呢?cái)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(duì)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(guò)提前檢測(cè)P波，預(yù)測(cè)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(cè)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(yù)警與MEMS有關(guān)系嗎？其實(shí)關(guān)系很大，過(guò)去的地震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)都是低密度布置的，每一個(gè)專(zhuān)業(yè)地震監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離都在80km以上，也能預(yù)警，但是預(yù)警的時(shí)間很短。
當(dāng)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(shè)備提供了可能。低密度專(zhuān)業(yè)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備配置高密度輔助地震監(jiān)測(cè)設(shè)備（MEMS加速度計(jì)），可以增加地震提前預(yù)測(cè)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更早的預(yù)警。
舉個(gè)例子，高密度地震監(jiān)測(cè)輔助設(shè)備精度可能沒(méi)有低密度專(zhuān)業(yè)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備精度高，但可以大面積覆蓋。這個(gè)時(shí)候，如果一片區(qū)域內(nèi)的很多高密度地震監(jiān)測(cè)輔助設(shè)備都有反應(yīng)，這意味著地震要來(lái)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(lái)處理的。
這種MEMS加速度計(jì)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(jí)，等級(jí)越低，振幅越小。如果振幅很小，則要求加速度計(jì)必須具備夠低的噪聲辨識(shí)。當(dāng)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(jì)自鋪設(shè)開(kāi)始便一直保持正常工作狀態(tài)。
如果結(jié)合這兩個(gè)特性，那么ADXL355絕對(duì)是市場(chǎng)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(jí)以上的地震，因?yàn)樵肼曋饕直娴卣鸬膹?qiáng)度，功耗則決定了產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)時(shí)間。趙延輝補(bǔ)充表示。
除了以上可以提前預(yù)測(cè)的MEMS傳感器外，ADI推出的ADXL100x也可以提前檢測(cè)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(jī)械中的故障（如滑動(dòng)軸承損壞、器械不穩(wěn)、運(yùn)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(cè)。
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(hào)調(diào)理，可以提供一個(gè)完整振動(dòng)的解決方案。客戶(hù)可以直接將模塊裝到機(jī)器上使用，也可以直接買(mǎi)ADI的內(nèi)核傳感器，基于自身的產(chǎn)品應(yīng)用，設(shè)計(jì)并考慮不同的封裝形式。
寫(xiě)在最后
過(guò)去，機(jī)器設(shè)備的維護(hù)都是按照周期性來(lái)維護(hù)的，而MEMS加速度計(jì)這種預(yù)測(cè)、分析性能力，對(duì)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(cái)產(chǎn)損失具有非常好的價(jià)值。可以看到一個(gè)趨勢(shì)，MEMS加速度計(jì)的高分辨率、出色的漂移速度、極強(qiáng)的靈敏度與更高的信噪比，為檢測(cè)接近直流范圍極低頻振動(dòng)提供了可能，它或?qū)⒊蔀楸O(jiān)控系統(tǒng)最理想的選擇。
