MEMS技術(shù)在海洋觀(guān)測(cè)中的應(yīng)用

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），在歐洲也被稱(chēng)為微系統(tǒng)技術(shù)，或在日本被稱(chēng)為微機(jī)械，是一類(lèi)器件，其特點(diǎn)是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS是指采用微機(jī)械加工技術(shù)批量制作的、集微型傳感器、微型機(jī)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口、通訊等于一體的微型器件或微型系統(tǒng)。

MEMS器件的特征長(zhǎng)度從1毫米到1微米--1微米可是要比人們頭發(fā)的直徑小很多。MEMS往往會(huì)采用常見(jiàn)的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)微觀(guān)模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結(jié)構(gòu)。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反，它們采用類(lèi)似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。

今天很多產(chǎn)品都利用了MEMS技術(shù)，如微換熱器、噴墨打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測(cè)器等。MEMS技術(shù)可以用于制造壓力傳感器、慣性傳感器、磁力傳感器、溫度傳感器等微型傳感器，這些傳感器以及它們的部分信號(hào)處理電路都可以在只有幾毫米或更小的芯片上實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳感器不僅體積更小、功耗更低，而且它們往往會(huì)比傳統(tǒng)傳感器更加準(zhǔn)確、更加靈敏。隨著人們對(duì)海洋觀(guān)測(cè)的需求不斷增加和海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，MEMS技術(shù)也在逐漸進(jìn)入海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)研究領(lǐng)域。

一、我們?yōu)楹涡枰狹EMS？

“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動(dòng)機(jī)。他們告訴我，目前市場(chǎng)上有一種裝置，通過(guò)它你可以在大頭針頭上寫(xiě)禱文。但這也沒(méi)什么；這是最原始的，只是我打算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個(gè)驚人的小世界。公元2000年，當(dāng)他們回顧當(dāng)前階段時(shí)，他們會(huì)想知道為何直到1960年，才有人開(kāi)始認(rèn)真地朝這個(gè)方向努力。”——理查德·費(fèi)曼，《底部仍然存在充足的空間》發(fā)表于1959年12月29日于加州理工大學(xué)（Caltech）舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)。但我們可能會(huì)問(wèn)：為什么要在這樣一個(gè)微小尺上生成這些對(duì)象？

MEMS器件可以完成許多宏觀(guān)器件同樣的任務(wù)，同時(shí)還有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這其中第一個(gè)以及最明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是小型化。如前所述，MEMS規(guī)模的器件，小到可以使用與目前集成電路類(lèi)似的批量生產(chǎn)工藝制造。如同集成電路產(chǎn)業(yè)一樣，批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。在一般情況下，微機(jī)電系統(tǒng)也需要非常量小的材料以進(jìn)行生產(chǎn)，可進(jìn)一步降低成本。

除了價(jià)格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價(jià)物的應(yīng)用范圍更廣。在智能手機(jī)、相機(jī)、氣囊控制單元或類(lèi)似的小型設(shè)備中，竭盡所能也設(shè)計(jì)不出金屬球和彈簧加速度計(jì)；但通過(guò)減小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，MEMS器件可以用在容不下傳統(tǒng)傳感器的應(yīng)用中。

易于集成是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈儾捎门cASIC制造相似的制造流程，MEMS結(jié)構(gòu)可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)真正的一體化器件中雖然挑戰(zhàn)性很大，但并非不可能，而且在逐步實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng)造成功商用并具備成本效益的MEMS產(chǎn)品。

數(shù)字微鏡像素的拆解視圖

德州儀器的數(shù)字微鏡器件（DMD）就是其中一個(gè)案例。DMD是TIDLP技術(shù)的核心，它廣泛應(yīng)用于商用或教學(xué)用投影機(jī)單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲(chǔ)單元之間的電勢(shì)進(jìn)行靜電致動(dòng)。灰度圖像是由脈沖寬度調(diào)制的反射鏡的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。顏色通過(guò)使用三芯片方案（每一基色對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片），或通過(guò)一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來(lái)加入。采用后者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過(guò)色環(huán)的旋轉(zhuǎn)與DLP芯片同步，以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色，讓觀(guān)眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。

二、MEMS現(xiàn)狀

基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車(chē)工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。例如MEMS振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，是一款新的相當(dāng)便宜的設(shè)備，目前用于汽車(chē)防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集成在一個(gè)單芯片中可助力特定的汽車(chē)應(yīng)用---因?yàn)樗鼈兊木纫罂赡軙?huì)非常高?；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀(jì)90年代起在幾乎所有汽車(chē)中已經(jīng)普遍取代了機(jī)械式碰撞傳感器。上圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的MEMS加速度計(jì)示例，同碰撞傳感器中使用的類(lèi)似。一個(gè)帶有一定質(zhì)量塊的懸臂梁連接到一個(gè)或多個(gè)固定點(diǎn)以作為彈簧。當(dāng)傳感器沿梁的軸線(xiàn)加速時(shí)，該梁會(huì)移動(dòng)一段距離，這段距離可以通過(guò)梁的“牙齒”與外部固定導(dǎo)體之間的電容變化來(lái)測(cè)量。

基于MEMS按需投放的打印機(jī)頭

許多商用和工業(yè)用噴墨打印機(jī)使用基于MEMS技術(shù)的打印機(jī)噴頭，保持這些墨滴并在需要時(shí)精確地放下這些墨滴——這一技術(shù)被稱(chēng)為按需投放（DoD）。墨滴放置在橫跨壓電材料（比如lead zirconatetitanate，）組成的元件中，通過(guò)施加的電壓來(lái)進(jìn)行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過(guò)施力形成一個(gè)非常小量（相對(duì)壓縮）的墨水，并從噴嘴中噴出。

與此同時(shí)，其它一些MEMS技術(shù)才剛開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。微機(jī)械繼電器（MMR），比如歐姆龍開(kāi)發(fā)的，這種繼電器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆龍發(fā)揮了自己的微機(jī)電系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，為市場(chǎng)帶來(lái)新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過(guò)程中集成了ASIC和熱電堆元件，所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18×14×8.8毫米（4x4元件類(lèi)型）。

當(dāng)然，當(dāng)前的MEMS技術(shù)不限于單個(gè)傳感器器件，考慮一下人的感官：?jiǎn)沃谎蹘Ыo我們顏色、運(yùn)動(dòng)和（一些）位置信息，而兩只眼睛將帶來(lái)雙眼視覺(jué)，改善立體感知。事實(shí)上，我們的許多感知體驗(yàn)需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過(guò)將傳感數(shù)據(jù)組合起來(lái)，可以彌補(bǔ)單個(gè)感官器官的弱點(diǎn)和缺點(diǎn)，并達(dá)到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類(lèi)領(lǐng)域，這就是所謂的“多通道整合”；而在電子領(lǐng)域，這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合，特別是當(dāng)它涉及到MEMS時(shí)，是移動(dòng)設(shè)備中傳感器技術(shù)的一個(gè)重要的進(jìn)展。許多制造商已經(jīng)開(kāi)始提供完整的解決方案，如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平臺(tái)。該平臺(tái)集成了3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環(huán)境光傳感器，并帶有一個(gè)ColdFire+MCU，以提供一個(gè)完全硬件解決方案——還打包提供專(zhuān)用的傳感器融合軟件。

隨著MEMS器件的優(yōu)勢(shì)獲得認(rèn)可，MEMS市場(chǎng)步伐也在持續(xù)加快。據(jù)YoleDéveloppement2012年MEMS產(chǎn)業(yè)報(bào)告中所述，在接下來(lái)6年，MEMS“將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù)的兩位數(shù)增長(zhǎng)”，2017年全球市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到210億美元。

三、MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)機(jī)械無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)， 在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

⒈ 信息業(yè)

信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備提出了更高的要求，功能更加強(qiáng)大的同時(shí)體積縮小。從多媒體人機(jī)界面（HI）看，使用微麥克風(fēng)的語(yǔ)音輸入和使用微攝像系統(tǒng)的圖形輸入都有廣闊市場(chǎng)，如今正在大力研制的微型智能機(jī)器人更是控制系統(tǒng)的最高目標(biāo)之一。用微陀螺裝在鼠標(biāo)上以穩(wěn)定其運(yùn)動(dòng)，把微機(jī)械及其控制電路集成的微器件裝于磁頭上可使其在磁道上運(yùn)行精度大大提高（《0.1μm），提高磁盤(pán)的磁道密度。至于微噴頭用于打印則早已有所報(bào)道。

⒉ 航空、航天業(yè)

由于衛(wèi)星及其發(fā)射的高成本，工作者早已提出小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、微衛(wèi)星和納米衛(wèi)星等概念。在1995年的國(guó)際會(huì)議上已有人提出研制全硅衛(wèi)星，即整個(gè)衛(wèi)星由硅太陽(yáng)能電池板、硅導(dǎo)航模塊、硅通信模塊等組合而成，這樣可使整個(gè)衛(wèi)星的重量縮小到以千克計(jì)算，大幅度降低衛(wèi)星的成本，使較密集的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。

MEMS對(duì)航空器的性能改善也值得一提，今后在飛機(jī)的要害部位都可裝上各種SMART傳感器，包括力學(xué)、聲學(xué)、氣流等，及時(shí)提供信息和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制各種執(zhí)行部件，從而使飛行更加平穩(wěn)，噪聲大大的被抑制，并節(jié)省燃料。

⒊ 醫(yī)療和生物技術(shù)

生物細(xì)胞的典型尺寸為1～10μm，生物大分子的厚度為納米量級(jí)，長(zhǎng)為微米量級(jí)。微加工技術(shù)制造的器件尺寸在這個(gè)范圍內(nèi)，因而適合于操作生物細(xì)胞和生物大分子，各種微泵、微閥、微鑷子、微溝槽、微器皿和微流量計(jì)都可以用 MEMS技術(shù)制造。利用這種技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有10萬(wàn)種DNA片段的芯片，無(wú)疑對(duì)遺傳學(xué)研究、疾病診斷、檢測(cè)和治療等具有極其重要的作用。Stanford和Affmetrix公司制作的DNA芯片是通過(guò)在玻璃上刻蝕出非常小的圖案來(lái)檢測(cè)DNA基因，該芯片已能夠檢測(cè)到6000多種DNA基因片段。

⒋ 環(huán)境科學(xué)

利用MEMS制造的由化學(xué)傳感器、生物傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的微型測(cè)量和分析設(shè)備，用來(lái)檢測(cè)氣體和液體的化學(xué)成分，檢測(cè)核生物、化學(xué)物質(zhì)及有毒物品，其優(yōu)勢(shì)在于體積小、價(jià)格低、功耗小、便于攜帶。

美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)1998年發(fā)表了環(huán)境監(jiān)測(cè)用無(wú)線(xiàn)微系統(tǒng)樣機(jī)—μCluster，由無(wú)線(xiàn)通訊、微系統(tǒng)控制和傳感器前端等三個(gè)方塊組成。該微系統(tǒng)未封裝時(shí)體積為10cm3，當(dāng)掃描速度較低時(shí)，功耗小于1mW，遙測(cè)半徑50m，壓力測(cè)量范圍80KPa～105KPa，精度為±13Pa。該系統(tǒng)已在美國(guó)海軍使用。

四、在海洋觀(guān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，體積更小，靈敏度更高，響應(yīng)速度更快，功耗更小，而且可以制作傳感器陣列以及與處理電路相集成?？梢猿浞譂M(mǎn)足海洋觀(guān)測(cè)領(lǐng)域高集成度、小型化、智能化、低功耗的需求。目前，國(guó)內(nèi)外已有一些基于MEMS的海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)的研究。

⒈ 基于MEMS的CTD設(shè)備

CTD設(shè)備是海洋觀(guān)測(cè)中常用的測(cè)量?jī)x器，它可以測(cè)量海水的溫度、鹽度和深度。通常 CTD 設(shè)備包括三個(gè)傳感器件：溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和壓力傳感器?；贛EMS的CTD傳感器已有較廣泛的研究。

在基于MEMS的CTD設(shè)備中，溫度傳感器通常采用在硅基底上摻雜鉑或金制成的電阻溫度計(jì)。這類(lèi)MEMS溫度傳感器具有低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于封裝等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于它直接制作在硅基底上，可以與處理電路或其他制作在硅基底上的傳感器相集成。鉑電阻溫度計(jì)可以達(dá)到很高的精度，在0～50℃的范圍內(nèi)，精度可以達(dá)到10－3℃～10－4℃。

基于MEMS的電導(dǎo)率傳感器通常采用平行板結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量極板間海水的電導(dǎo)率。為了提高測(cè)量的精度，消除誤差及其他影響，人們對(duì)平行板電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了許多改良。平行板電導(dǎo)率傳感器工作時(shí)，電場(chǎng)會(huì)分布在較大的區(qū)域內(nèi)，任何導(dǎo)體或絕緣體進(jìn)入電場(chǎng)范圍內(nèi)都會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果。為了減少外部電場(chǎng)帶來(lái)的影響，可通過(guò)設(shè)計(jì)將電場(chǎng)限制在所需的區(qū)域內(nèi)。對(duì)于電極位于平行板兩個(gè)極板表面的電導(dǎo)率傳感器，外部電場(chǎng)只出現(xiàn)在相對(duì)電極四周的板間區(qū)域，通?？梢圆捎迷谝粋?cè)電極的四周加保護(hù)環(huán)的設(shè)計(jì)來(lái)于減弱或消除外部電場(chǎng)。另一種平行板電導(dǎo)率傳感器，電極位于其中一個(gè)極板上，這種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的分辨率，但其產(chǎn)生的外電場(chǎng)分布范圍更大，不僅極板間的區(qū)域、極板外側(cè)也分布有外電場(chǎng)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，人們通過(guò)增加電極以及增加輔助電路的方式限制電場(chǎng)。

完整的CTD系統(tǒng)中通常還包含壓力傳感器，但在一些系統(tǒng)中也會(huì)省去壓力傳感器。壓力傳感器可以采用壓阻或壓電式傳感器，目前壓阻式傳感器技術(shù)較為成熟，CTD設(shè)備中的壓力傳感器往往采用壓阻式傳感器。壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)固定隔膜結(jié)構(gòu)，隔膜結(jié)構(gòu)作為彈性元件感應(yīng)壓力，通過(guò)壓阻特性將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚档淖兓?。單晶硅本身就是很好的壓阻材料，可以直接作為結(jié)構(gòu)材料，加工時(shí)通常在單晶硅基底上進(jìn)行體加工形成隔膜，再在隔膜邊緣少量摻雜形成p型或n型電阻以便于測(cè)量。

⒉ 基于MEMS的聲學(xué)換能器

聲學(xué)換能器能夠使聲波和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)化，具有接收聲波和發(fā)射聲波的功能。聲學(xué)換能器在海洋觀(guān)測(cè)中有著重要的作用，可以用于水聽(tīng)器、水下聲納探測(cè)裝置，或用于水下通信，構(gòu)建水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。基于 MEMS 的聲學(xué)換能器具有與壓力傳感器相近的結(jié)構(gòu)，分別有基于壓電效應(yīng)和電容檢測(cè)的聲學(xué)換能器。

基于壓電效應(yīng)的聲學(xué)換能器利用的是壓電效應(yīng)以及與之相反的逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可以將隔膜的形變轉(zhuǎn)化為電荷的移動(dòng)，用于感應(yīng)聲波的震動(dòng)，產(chǎn)生電信號(hào)。而逆壓電效應(yīng)則相反，通過(guò)對(duì)壓電材料施加縱向的外電場(chǎng)，使壓電材料產(chǎn)生單一方向的側(cè)應(yīng)力，導(dǎo)致隔膜彎曲。控制電場(chǎng)周期性的改變，即可產(chǎn)生一定頻率的聲波。電容式聲學(xué)換能器一般采用平行板電容結(jié)構(gòu)，也可以采用叉指電容等相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。平行板電容結(jié)構(gòu)上極板為可動(dòng)（形變）的隔膜，下極板為固定的硅基底，可包含多個(gè)電極。作為聲波發(fā)射裝置時(shí)，在上下極板間外加直流的偏置電壓形成靜電場(chǎng)，再通過(guò)加載交流電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)隔膜震動(dòng)，產(chǎn)生聲波。作為聲波接收裝置時(shí)，隔膜結(jié)構(gòu)感應(yīng)震動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫邪彘g電容的變化。

MEMS聲學(xué)換能器體積小巧，集成度高，并且可以在片內(nèi)集成信號(hào)處理電路，用以補(bǔ)償換能器本身的非線(xiàn)性等。高集成度的MEMS器件可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)尺寸緊密排布的二維陣列結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用與三維成像。

慣性（加速度）傳感器是一種技術(shù)比較成熟，應(yīng)用比較廣泛的MEMS傳感器，主要應(yīng)用于波浪觀(guān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外波浪測(cè)量浮標(biāo)通常采用傳統(tǒng)的加速度傳感器，這些傳感器體積大、重量重、價(jià)格昂貴，從而使浮標(biāo)的制作成本增加。近年來(lái)，隨著基于MEMS的慣性傳感器的技術(shù)逐漸成熟，MEMS慣性傳感器逐漸推廣應(yīng)用于波浪的觀(guān)測(cè)。慣性傳感器的基本原理與壓力傳感器相似，是利用壓電效應(yīng)或壓阻效應(yīng)或電容位移檢測(cè)的原理，不同的是它不是感應(yīng)外力引發(fā)的形變，而是在彈性結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)懸空的質(zhì)量塊，當(dāng)傳感器處于加速或減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于慣性作用，質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于基底的運(yùn)動(dòng)存在一定滯后，使得連接質(zhì)量塊和基底的彈性隔膜產(chǎn)生形變，從而感應(yīng)加速度。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，單一的慣性傳感器也可以檢測(cè)多個(gè)方向的加速度變化。由于波浪測(cè)量的原理與之前一致，從而促進(jìn)了國(guó)外波浪測(cè)量浮標(biāo)的更新?lián)Q代。

⒋ 基于MEMS的多傳感器觀(guān)測(cè)系統(tǒng)

除上述幾類(lèi)MEMS傳感器外，地磁傳感器、光學(xué)傳感器等MEMS器件也能應(yīng)用在海洋觀(guān)測(cè)中。相比與許多傳統(tǒng)器件，MEMS傳感器除了具有體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)外，高集成度也是它的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。利用先進(jìn)的 MEMS 制造技術(shù)，可以在單一芯片上集成多個(gè)傳感器，同時(shí)觀(guān)測(cè)多方面的數(shù)據(jù)。CTD設(shè)備就是一個(gè)典型的多傳感器系統(tǒng)，通常集成有溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和壓力傳感器，相比于應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的CTD設(shè)備，基于MEMS的CTD設(shè)備具有更低的功耗和更高的靈敏度及分辨率。同時(shí)基于MEMS的CTD設(shè)備也具有非常小的體積，這使它不僅僅可以作為單獨(dú)的海洋觀(guān)測(cè)設(shè)備使用，也可以與其他海洋觀(guān)測(cè)設(shè)備相結(jié)合，組成功能更豐富的海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。

海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)通常也是多傳感器系統(tǒng)，因?yàn)楦?biāo)本身體積較大，往往可以根據(jù)需要集成多種傳感器。應(yīng)用MEMS慣性傳感器和地磁傳感器設(shè)計(jì)的測(cè)波浮標(biāo)，它的MEMS傳感器具有極低的功耗和極小的體積，其中MEMS慣性傳感器的功耗只有不到400μW，包括封裝和PCB 板在也只有幾厘米大小。除了應(yīng)用于波浪觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)浮標(biāo)還可以同時(shí)采集其他所需的數(shù)據(jù)，如溫度和鹽度等。因?yàn)镸EMS傳感器的功耗低，體積小，海洋浮標(biāo)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)一般都具有充足的空間和電源供應(yīng)，可以靈活自由的配置所需的傳感器。同時(shí)，配置在距離較近的范圍內(nèi)的浮標(biāo)還可以彼此進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，組成無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。

MEMS傳感器具有極高的集成度，多傳感器系統(tǒng)也可以集成在很小的體積內(nèi)，由于這個(gè)特點(diǎn)，MEMS多傳感器系統(tǒng)可以應(yīng)用在比傳統(tǒng)傳感器更廣泛的領(lǐng)域里，海洋動(dòng)物標(biāo)簽就是一種充分利用MEMS傳感器高集成度這一優(yōu)勢(shì)的海洋觀(guān)測(cè)儀器，研究者們已經(jīng)進(jìn)行了很多關(guān)于海洋動(dòng)物標(biāo)簽的研究。海洋動(dòng)物標(biāo)簽是一種包含MEMS傳感器、數(shù)據(jù)采集和控制電路、通信電路（有源或無(wú)源標(biāo)簽）和電源等于一體的小型標(biāo)簽設(shè)備，通常包括封裝在內(nèi)也只有幾厘米大小，可以固定在魚(yú)類(lèi)身上而不影響?hù)~(yú)類(lèi)的活動(dòng)，當(dāng)被標(biāo)記的魚(yú)再次被捕獲時(shí)，通過(guò)射頻閱讀設(shè)備讀取標(biāo)簽中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，這種標(biāo)簽通常用于漁業(yè)和生態(tài)研究等。丹麥技術(shù)大學(xué)微納技術(shù)系的Anders Hyldg rd等人設(shè)計(jì)了一種用于漁業(yè)研究的多傳感器標(biāo)簽。該多傳感器系統(tǒng)包括了溫度、鹽度、壓力和光敏傳感器，這些傳感器全部集成于一塊芯片，傳感器芯片的尺寸僅為4×6mm2。該標(biāo)簽系統(tǒng)還包括控制芯片、存儲(chǔ)器、射頻標(biāo)簽和電源等，這些模塊安置在一塊PCB板上，通過(guò)盆栽管（potted－tube）封裝以密封電路部分。

MEMS多傳感器系統(tǒng)具有極高的靈活性和集成度。可將許多不同種類(lèi)的傳感器以及控制、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、通信模塊等集成在一塊PCB板上，甚至是一塊芯片上?？筛鶕?jù)應(yīng)用需求定制不同的器件，應(yīng)用范圍十分廣泛。

五、在我國(guó)的研制現(xiàn)狀及未來(lái)展望

⒈ 我國(guó)MEMS的研制現(xiàn)狀

我國(guó)的MEMS研究始于20世紀(jì)90年代初，在“八五”、“九五”期間得到了科技部、教育部、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持，研制了微陀螺與微加速度計(jì)、微型傳感器和微型執(zhí)行器、微流量器件和系統(tǒng)、生物芯片和微電泳儀、微型光開(kāi)關(guān)和RF MEMS器件、微型機(jī)器人和微操作系統(tǒng)、硅和非硅制造工藝。其中微型壓力傳感器、微型加速度計(jì)、微流量傳感器和微氣體傳感器已經(jīng)得到少量應(yīng)用。目前全國(guó)約有50多個(gè)MEMS研制單位，形成了幾個(gè)MEMS研究力量相對(duì)集中的地區(qū)。如上海交通大學(xué)研制了用于小型直升飛機(jī)試驗(yàn)的直徑2mm的微型馬達(dá)。

由于各種原因，我國(guó)的MEMS研究在質(zhì)量、性能價(jià)格比及商品化等方面與國(guó)外有很大的差距。政府加大投入、企業(yè)參與開(kāi)發(fā)應(yīng)為MEMS從業(yè)人員提供更加強(qiáng)大的資金、技術(shù)支持。

⒉ MEMS發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前MEMS技術(shù)正處于突破和高速發(fā)展前夕，21世紀(jì)肯定會(huì)展現(xiàn)一個(gè)大發(fā)展的局面，其廣泛應(yīng)用和效益將強(qiáng)有力的顯示出來(lái)，對(duì)信息、航天、航空、自動(dòng)控制、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、近代物理和工程學(xué)等領(lǐng)域的影響將是深刻的人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式也會(huì)因此而發(fā)生某些變化。

MEMS技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及價(jià)格比，因此提高芯片的集成度是不斷縮小半導(dǎo)體器件特征尺寸的動(dòng)力源泉。研究方向的多樣化、加工工藝的多樣化、系統(tǒng)單片集成化將是MEMS技術(shù)的發(fā)展方向。

六、結(jié)束語(yǔ)

MEMS技術(shù)目前仍屬于新興的技術(shù)領(lǐng)域，并不是很成熟，許多領(lǐng)域的研究仍比較匱乏。但通過(guò)目前國(guó)內(nèi)外的研究成果可以看到，MEMS傳感器系統(tǒng)具有高集成度、高靈敏度、高分辨率、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)。MEMS是21世紀(jì)推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)重要的技術(shù)，它們的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用必將對(duì)許多重要技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

在海洋觀(guān)測(cè)中應(yīng)用MEMS傳感器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的高集成度、小型化和低功耗，從而令海洋觀(guān)測(cè)儀器體積更小、功耗更低、配置更靈活。另外MEMS聲學(xué)換能器不僅可以作為一種觀(guān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)水下通信，以構(gòu)建水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。

隨著人們對(duì)海洋研究的深入和未來(lái)海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和小型化的發(fā)展，MEMS傳感器技術(shù)將以其特有的優(yōu)勢(shì)，在海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用。相信隨著MEMS技術(shù)的日趨成熟，MEMS傳感器技術(shù)將更廣泛的應(yīng)用在海洋觀(guān)測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域中。