MEMS技术在海洋观测中的应用

时间:2021-01-26 16:55来源:电子元件技术网 作者:郑州炜盛科技 点击:

MEMS传感器与传统传感器相比,体积更小,灵敏度更高,响应速度更快,功耗更小,而且可以制作传感器阵列以及与处理电路相集成。可以充分满足海洋观测领域高集成度、小型化、智能化、低功耗的需求。目前,国内外已有一些基于MEMS的海洋观测技术的研究。

1、基于MEMS的CTD设备

CTD设备是海洋观测中常用的测量仪器,它可以测量海水的温度、盐度和深度。通常 CTD 设备包括三个传感器件:温度传感器、电导率传感器和压力传感器。基于MEMS的CTD传感器已有较广泛的研究。

在基于MEMS的CTD设备中,温度传感器通常采用在硅基底上掺杂铂或金制成的电阻温度计。这类MEMS温度传感器具有低成本、结构简单、易于封装等优点,同时由于它直接制作在硅基底上,可以与处理电路或其他制作在硅基底上的传感器相集成。铂电阻温度计可以达到很高的精度,在0~50℃的范围内,精度可以达到10-3℃~10-4℃。

基于MEMS的电导率传感器通常采用平行板结构来测量极板间海水的电导率。为了提高测量的精度,消除误差及其他影响,人们对平行板电导率传感器的设计进行了许多改良。平行板电导率传感器工作时,电场会分布在较大的区域内,任何导体或绝缘体进入电场范围内都会干扰测量结果。为了减少外部电场带来的影响,可通过设计将电场限制在所需的区域内。对于电极位于平行板两个极板表面的电导率传感器,外部电场只出现在相对电极四周的板间区域,通常可以采用在一侧电极的四周加保护环的设计来于减弱或消除外部电场。另一种平行板电导率传感器,电极位于其中一个极板上,这种结构虽然具有较高的分辨率,但其产生的外电场分布范围更大,不仅极板间的区域、极板外侧也分布有外电场。对于这种结构,人们通过增加电极以及增加辅助电路的方式限制电场。

完整的CTD系统中通常还包含压力传感器,但在一些系统中也会省去压力传感器。压力传感器可以采用压阻或压电式传感器,目前压阻式传感器技术较为成熟,CTD设备中的压力传感器往往采用压阻式传感器。压力传感器的基本结构是一个固定隔膜结构,隔膜结构作为弹性元件感应压力,通过压阻特性将压力转变为阻值的变化。单晶硅本身就是很好的压阻材料,可以直接作为结构材料,加工时通常在单晶硅基底上进行体加工形成隔膜,再在隔膜边缘少量掺杂形成p型或n型电阻以便于测量。

2、基于MEMS的声学换能器

声学换能器能够使声波和电信号相互转化,具有接收声波和发射声波的功能。声学换能器在海洋观测中有着重要的作用,可以用于水听器、水下声纳探测装置,或用于水下通信,构建水下无线传感器网络。基于 MEMS 的声学换能器具有与压力传感器相近的结构,分别有基于压电效应和电容检测的声学换能器。

基于压电效应的声学换能器利用的是压电效应以及与之相反的逆压电效应。压电效应可以将隔膜的形变转化为电荷的移动,用于感应声波的震动,产生电信号。而逆压电效应则相反,通过对压电材料施加纵向的外电场,使压电材料产生单一方向的侧应力,导致隔膜弯曲。控制电场周期性的改变,即可产生一定频率的声波。电容式声学换能器一般采用平行板电容结构,也可以采用叉指电容等相对复杂的结构。平行板电容结构上极板为可动(形变)的隔膜,下极板为固定的硅基底,可包含多个电极。作为声波发射装置时,在上下极板间外加直流的偏置电压形成静电场,再通过加载交流电压信号驱动隔膜震动,产生声波。作为声波接收装置时,隔膜结构感应震动,转变为平行板间电容的变化。

MEMS声学换能器体积小巧,集成度高,并且可以在片内集成信号处理电路,用以补偿换能器本身的非线性等。高集成度的MEMS器件可以实现微米级尺寸紧密排布的二维阵列结构,可应用与三维成像。

3、基于MEMS的惯性传感器

惯性(加速度)传感器是一种技术比较成熟,应用比较广泛的MEMS传感器,主要应用于波浪观测。目前国内外波浪测量浮标通常采用传统的加速度传感器,这些传感器体积大、重量重、价格昂贵,从而使浮标的制作成本增加。近年来,随着基于MEMS的惯性传感器的技术逐渐成熟,MEMS惯性传感器逐渐推广应用于波浪的观测。惯性传感器的基本原理与压力传感器相似,是利用压电效应或压阻效应或电容位移检测的原理,不同的是它不是感应外力引发的形变,而是在弹性结构上增加一个悬空的质量块,当传感器处于加速或减速运动时,由于惯性作用,质量块的运动相对于基底的运动存在一定滞后,使得连接质量块和基底的弹性隔膜产生形变,从而感应加速度。根据结构的不同,单一的惯性传感器也可以检测多个方向的加速度变化。由于波浪测量的原理与之前一致,从而促进了国外波浪测量浮标的更新换代。

4、基于MEMS的多传感器观测系统

除上述几类MEMS传感器外,地磁传感器、光学传感器等MEMS器件也能应用在海洋观测中。相比与许多传统器件,MEMS传感器除了具有体积小、灵敏度高等优点外,高集成度也是它的一个重要优势。利用先进的 MEMS 制造技术,可以在单一芯片上集成多个传感器,同时观测多方面的数据。CTD设备就是一个典型的多传感器系统,通常集成有温度传感器、电导率传感器和压力传感器,相比于应用传统传感器的CTD设备,基于MEMS的CTD设备具有更低的功耗和更高的灵敏度及分辨率。同时基于MEMS的CTD设备也具有非常小的体积,这使它不仅仅可以作为单独的海洋观测设备使用,也可以与其他海洋观测设备相结合,组成功能更丰富的海洋观测系统。

海洋观测浮标通常也是多传感器系统,因为浮标本身体积较大,往往可以根据需要集成多种传感器。应用MEMS惯性传感器和地磁传感器设计的测波浮标,它的MEMS传感器具有极低的功耗和极小的体积,其中MEMS惯性传感器的功耗只有不到400μW,包括封装和PCB 板在也只有几厘米大小。除了应用于波浪观测,观测浮标还可以同时采集其他所需的数据,如温度和盐度等。因为MEMS传感器的功耗低,体积小,海洋浮标观测系统一般都具有充足的空间和电源供应,可以灵活自由的配置所需的传感器。同时,配置在距离较近的范围内的浮标还可以彼此进行无线通信,组成无线传感网络。

MEMS传感器具有极高的集成度,多传感器系统也可以集成在很小的体积内,由于这个特点,MEMS多传感器系统可以应用在比传统传感器更广泛的领域里,海洋动物标签就是一种充分利用MEMS传感器高集成度这一优势的海洋观测仪器,研究者们已经进行了很多关于海洋动物标签的研究。海洋动物标签是一种包含MEMS传感器、数据采集和控制电路、通信电路(有源或无源标签)和电源等于一体的小型标签设备,通常包括封装在内也只有几厘米大小,可以固定在鱼类身上而不影响鱼类的活动,当被标记的鱼再次被捕获时,通过射频阅读设备读取标签中存储的数据,这种标签通常用于渔业和生态研究等。丹麦技术大学微纳技术系的Anders Hyldg rd等人设计了一种用于渔业研究的多传感器标签。该多传感器系统包括了温度、盐度、压力和光敏传感器,这些传感器全部集成于一块芯片,传感器芯片的尺寸仅为4×6mm2。该标签系统还包括控制芯片、存储器、射频标签和电源等,这些模块安置在一块PCB板上,通过盆栽管(potted-tube)封装以密封电路部分。