新型MEMS传感器：高精度、微型化、智能化、网络化的一体化微型器件系统

智能制造系统对传感器高度依赖，同时也对传感器的各项性能提出更高的技术要求，需要加大关键技术研究，开发高性能的新型传感器。目前传感器正向高精度、微型化、智能化、集成化和网络化的方向发展。应用于智能制造的传感器具备以下特点：

1）传感器必须具备灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好和可靠性高等特性；

2）传感器应设计成为微型嵌入式信息装置，具备高性能、小体积和低功耗特点，便于传感器的部署和使用以及与其他智能体的融合；

3）传感器既要具备信息感知、处理和传输的基本功能，也要有高度的自治和自适应能力，能够实现自动补偿、自动校正、自选量程、自寻故障；

4）传感器应实现传感器、处理器、RF通信器和嵌入式软件的高度集成，同时具备感知多种信息的能力，可加载各种嵌入式应用软件；

5）传感器应具备强大的无线通信能力，能够实现和其他传感器或执行器之间的信息自主交换（M2M方式），同时具备路由和网络自组织能力，可充当无线传感网的智能节点。

1.微纳制造技术

微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是在集成电路工艺的基础上发展起来的多学科交叉的新型学科，涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料学等多种工程技术和学科。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等组成的一体化微型器件系统。

MEMS传感器是设备与外界接触的“眼睛、耳朵和手指”，而微电子电路增强了MEMS器件的功能性，它们负责连接从机械传感器获得的信号到放大器和数字预处理器。单片集成可以减少负载电阻和杂散电容。MEMS传感器的种类很多，包括惯性、光、声、射频、温湿度等。

CMOS-MEMS（Complementary Metal Oxide Semiconductor-MEMS）系统是构成小型化无线传感网络节点的关键。基于CMOS工艺的节点需要高性能的离散元器件，如电容、电感、开关和谐振器等。CMOS-MEMS的制造方式为：在芯片设计中设置两个基本单元，一个单元是CMOS区，包括控制电路、信号处理电路、接口电路等外围电路；另一个单元是MEMS器件区，主要进行微结构的制造。未来CMOS-MEMS的集成化和系统化仍是发展趋势，包括数字接口、自测、校准、信号处理；补偿在内的更多精密的电路与多种不同种类的传感器将被集成在同一芯片上，形成智能化多功能的传感器系统。

随着尺寸的微小化，要从微观领域中的材料强度及表面效应等基础领域开始，对加工制造、微系统集成化、信息的交换处理和传输，以及控制等一系列关键技术进行研究，具体关键技术有微系统材料、微细加工技术、微系统的基础单元、微系统的集成与控制技术、微系统的测试评价技术、微系统的设计技术等。

2.基于RFID和MEMS的新型传感器设计(www.xing528.com)

RFID技术目前仅用于物品的识别，可以非接触地读到一定距离内通过电子编码标示的物体。未来RFID技术的发展远不止停留在无线鉴别层面，它将成为一种泛在的基本单元技术，在网络通信和无线传感中得到广泛应用。如它的从环境中获取能量的能力可用于传感器的无源设计，它的超带宽、高覆盖无线通信功能可用于传感器的数据传输，它的设备标识功能可用于传感器的识别等。

MEMS技术给无线传感器带来了革命性的变化。将MEMS技术应用于无线传感器，可以显著降低其体积和成本，同时大大提高无线传感器的整体性能和智能化水平，促进智能制造工业用传感器由灵巧型向智能化过渡。

智能化微传感器经历了3个过程，即首先实现温度补偿电路、输出电路等特殊电路的集成化；随之发展赋予传感器新的功能（识别功能、控制功能等），采用微处理器作为信号处理电路，并同传感器一体化；第三代智能微传感器是进一步提高集成规模，在一个芯片上构筑传感器系统，实现并行处理电路功能等更高级的功能。

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术而制造出来的新型传感器。它具有体积小、功耗低、高可靠、易集成等特点，是未来传感器发展的重要方向（王淑华，2011），在传感网和智能制造领域有着广阔的发展空间，是实现传感器高精度、微型化、智能化、集成化和网络化的主要途径。

RFID和MEMS两者结合将是未来传感器发展的一个重要方向。基于RFID和MEMS技术的无源微型无线传感器（见图10.9）可以将处理器、传感器、RFID通信器和各种功能模块及信号处理电路集成在一个芯片上，成为一个片上系统，与普通的微型有源传感器（见图10.10）（Chen et al.，2010）相比具有更低的功耗和更小的体积，能通过吸收RFID读写设备释放出的能量维持自身的运行，同时以被动无线通信的方式将检测数据传递给读写设备。读写设备只需不断地循环读取各传感器的数据，读取方式和现有的RFID标签类似，轮循时间根据系统对监测数据的实时性要求灵活设置。

图10.9　无源微型无线传感器

图10.10　有源微型无线传感器

3.多功能传感器自校正技术

传感器是获取信息的源头，其输入输出值的可靠性影响着整个工业生产过程。将不准确的、错误的数据用于工业控制和领导决策，将影响生产系统的正常运行，甚至可能引发灾难。近年来，随着监测的需要，多功能传感器应运而生。多功能传感器将多种不同类型的敏感单元集成在一起，用于在空间有限、关联处理等特殊应用场景下同时测量多个量值。随着MEMS技术的发展，多功能传感器在国内外得到了广泛应用（徐敬波等，2007；王祁等，2011）。但由于多功能传感器功能复杂、敏感元件较多，发生故障的概率也较高，人们迫切希望传感器在发生采集、输出等异常时，能够进行自我校正，恢复正常状态，或者采用次优值代替异常输出，直至异常设备被更换，避免其他系统受到连带影响。

多功能传感器自校正技术涉及的领域范围较广，是传感技术、信息预处理技术、故障检测及恢复技术、计量技术和状态评估技术相结合的技术领域（申争光，2013）。其中比较关键的技术包括：故障预测和健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技术，多故障检测、隔离及恢复技术（Multi-Failure Detection Isolation and Recovery，MFDIR）。PHM最初主要面向航空航天等复杂系统和军事装备，其思想在大系统中屡见不鲜，但涉及传感器领域的很少。多功能传感器虽然体积不大，但在功能架构、敏感单元数量上均比普通传感器复杂，结构健康检测十分必要。在实际应用中，用户也希望能够直观地了解系统的健康度，需要研究定量的装备健康度评估技术；同时，传感器发生异常后，经过自校正技术可以实现短期恢复，但敏感单元自身硬件的健康度可能已经下降，此时如何对整个多功能传感器的健康状态进行评价也是一个值得研究的问题。

多功能传感器通常包含多类敏感单元，且大多工作在高压、高温、噪声、震动等恶劣环境下，容易发生故障。MFDIR主要是指在故障发生时，快速检测出故障点，采取隔离措施，避免连带效应，并根据预设条件进行恢复的机制。该技术的研究目前着重于单敏感单元的故障诊断，故障隔离技术研究较少，数据恢复主要采用基于神经网络的算法，实时性较差，不容易收敛。将现有技术扩展到多功能传感器下，提高多故障间的隔离能力，避免单敏感单元的错误输入/输出导致传感器整体不可用是值得研究的方向。同时加强对数据恢复的算法研究、解决小样本下收敛慢的问题、加快突发故障的在线恢复速率也是未来研究的重要方向。