MEMS技术在海洋观测中的应用（三）
三、MEMS的应用领域
MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统机械无法比拟的优点， 在很多领域得到广泛的应用。
⒈ 信息业
信息技术的发展，对设备提出了更高的要求，功能更加强大的同时体积缩小。从多媒体人机界面（HI）看，使用微麦克风的语音输入和使用微摄像系统的图形输入都有广阔市场，如今正在大力研制的微型智能机器人更是控制系统的最高目标之一。用微陀螺装在鼠标上以稳定其运动，把微机械及其控制电路集成的微器件装于磁头上可使其在磁道上运行精度大大提高（<0.1μm），提高磁盘的磁道密度。至于微喷头用于打印则早已有所报道。
⒉ 航空、航天业
由于卫星及其发射的高成本，工作者早已提出小卫星、微小卫星、微卫星和纳米卫星等概念。在1995年的国际会议上已有人提出研制全硅卫星，即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成，这样可使整个卫星的重量缩小到以千克计算，大幅度降低卫星的成本，使较密集的分布式卫星系统成为现实。
MEMS对航空器的性能改善也值得一提，今后在飞机的要害部位都可装上各种SMART传感器，包括力学、声学、气流等，及时提供信息和进行实时控制各种执行部件，从而使飞行更加平稳，噪声大大的被抑制，并节省燃料。
⒊ 医疗和生物技术
生物细胞的典型尺寸为1～10μm，生物大分子的厚度为纳米量级，长为微米量级。微加工技术制造的器件尺寸在这个范围内，因而适合于操作生物细胞和生物大分子，各种微泵、微阀、微镊子、微沟槽、微器皿和微流量计都可以用 MEMS技术制造。利用这种技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有10万种DNA片段的芯片，无疑对遗传学研究、疾病诊断、检测和治疗等具有极其重要的作用。Stanford和Affmetrix公司制作的DNA芯片是通过在玻璃上刻蚀出非常小的图案来检测DNA基因，该芯片已能够检测到6000多种DNA基因片段。
⒋ 环境科学
利用MEMS制造的由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备，用来检测气体和液体的化学成分，检测核生物、化学物质及有毒物品，其优势在于体积小、价格低、功耗小、便于携带。
美国密执安大学1998年发表了环境监测用无线微系统样机—μCluster，由无线通讯、微系统控制和传感器前端等三个方块组成。该微系统未封装时体积为10cm3，当扫描速度较低时，功耗小于1mW，遥测半径50m，压力测量范围80KPa～105KPa，精度为±13Pa。该系统已在美国海军使用。
四、在海洋观测领域的应用
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。
⒈ 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。
⒉ 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。
