MEMS：物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)所在

      MEMS：傳感器的微雕技藝

　　人通過感覺器官來感知自然界的多姿與多彩。而人的感覺器官常常被等同于五官。人的感覺器官主要是眼、耳、鼻、舌、皮膚等5種，但與人們常說的眼、耳、鼻、口、舌這五官還是有區(qū)別的。這五種感知器官主要感知的是光、機(jī)械、熱等物理量，當(dāng)然鼻和舌兼具感知化學(xué)量(如酸等)的功能。

　　自然界中絕大多數(shù)物理量和化學(xué)量的變化都是連續(xù)的，因而被稱之為模擬量。而當(dāng)今的計算機(jī)(有別于模擬計算機(jī))能夠識別、處理、存儲的卻是離散量，或者說數(shù)字量，而且在計算機(jī)的信息處理的大部分過程中，信息都是以電為載體的。因此，就需要傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

　　通俗地說，傳感器就是將非電量的模擬量轉(zhuǎn)化成模擬的電信號。而這些轉(zhuǎn)換后的模擬電信號通常十分微弱，因此需要通過放大器放大后，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而被計算機(jī)所識別和處理。

　　傳感器對于物聯(lián)網(wǎng)之所以重要，是因為傳感器在信息空間與自然界之間搭建了一個溝通的橋梁。既然人對自然界的日常感受大都以物體的物理屬性為主，那么，在龐大的傳感器家族中，物理量傳感器的種類和數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過化學(xué)量、生物量等非物理量傳感器。

　　傳感器有多種分類，如按被測量(位移)、被測參數(shù)(加速度傳感器)傳感材料(半導(dǎo)體傳感器)、敏感機(jī)理(電容傳感器)，甚至按應(yīng)用類型(汽車傳感器)來分類。

　　半導(dǎo)體傳感器因能探測多種物理量且制造容易，而得到了較為廣泛的應(yīng)用，但它也僅能覆蓋傳感器家族的一部分，而且，在有些物理量的測量精度上也不能達(dá)到最佳效果，比如說，在溫度測量方面，精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于熱電耦。

　　正是因為很多傳感器的敏感材料難以用硅來替代，而傳感器又都面臨著小型化乃至微型化方面的強(qiáng)勁需求，所以MEMS有了大顯身手的機(jī)會。

　　iPhone 4再掀陀螺儀熱

　　陀螺儀因為能夠探測方位、水平、位置、速度和加速度等的變化，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器(如導(dǎo)彈的慣性制導(dǎo))等軍事領(lǐng)域。陀螺儀也歷經(jīng)了從三軸高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)電式陀螺儀到激光、光纖等固態(tài)陀螺儀的發(fā)展，直到MEMS陀螺儀的興起，陀螺儀才放下了高貴的身段，從高端的軍事應(yīng)用走入大眾化的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場。

　　陀螺儀的道理并不新鮮，它與三四十年前最流行的玩具之一——陀螺一樣，旋轉(zhuǎn)越快越穩(wěn)定。但它卻足夠神奇。十年前，賽格威(Segway)電動車問世時，人們對于站在兩輪同軸的電動自行車上的騎行者高超的平衡技巧驚嘆不已，而真正的幕后功臣則是陀螺儀。

　　之后，陀螺儀又出現(xiàn)在孩子們的玩具中，2006年11月，任天堂推出了Wii游戲機(jī)，給人帶來較為真實的乒乓球等運(yùn)動游戲。盡管Wii在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上索尼和微軟的游戲機(jī)，但因為嵌入的MEMS陀螺儀為Wii帶來了全新的游戲感受，因而在銷量上接近微軟和索尼游戲機(jī)銷量的總和，讓被索尼和微軟擠壓多年的游戲界老前輩任天堂得以出口惡氣。由于Wii可以通過互聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行比賽，因而稱之為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也不算牽強(qiáng)。

　　從技術(shù)上說，應(yīng)該是MEMS成就了任天堂。如果沒有應(yīng)用MEMS技術(shù)制造的陀螺儀，那么，手持式游戲控制器的狹小空間是難以容納陀螺儀的。退一步說，即便是陀螺儀能夠放進(jìn)去，原來的乒乓球游戲也就變成了健身游戲，因為陀螺儀的重量足以讓游戲控制器變成啞鈴。

　　在歷經(jīng)了首款iPhone問世時的驚艷，以及后續(xù)升級換代的改善后，審美疲勞應(yīng)該是喬布斯面臨的最大挑戰(zhàn)。于是乎，蘋果在剛剛發(fā)布的iPhone 4中依葫蘆畫瓢，把MEMS陀螺儀嵌到手機(jī)中。但是與任天堂Wii的控制器與顯示器相互獨(dú)立不同，iPhone 4集控制器與顯示器于一身，在玩運(yùn)動游戲時，手眼很難兼顧，除非iPhone 4利用無線去連接外部顯示器。有報道說，由于GPS進(jìn)入隧道后會因為電磁波被屏蔽而失去作用，這時iPhone中的陀螺儀就能大顯身手了。

　　當(dāng)然，這個賣點的充要條件必須是，隧道中遍布岔路口。否則，一旦進(jìn)入隧道，不管你愿意不愿意，有沒有GPS或者iPhone， 都得硬著頭皮走到底。

　　最近，iFixit網(wǎng)站在暴力拆解iPhone4時發(fā)現(xiàn)，iPhone 4使用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MEMS陀螺儀芯片——AGD1 2022 FP6AQ。但在意法半導(dǎo)體網(wǎng)站查不到這款芯片，最終在iFixit為該芯片做了一個全身X射線透視后，“潛伏”很深的3軸MEMS陀螺儀終于暴露。

　　皮星：太空中的無線傳感網(wǎng)

　　重量，長久以來被視為是衛(wèi)星同時也是運(yùn)載火箭的重要指標(biāo)之一。從蘇、美、法、日、中、英等國第一顆人造地球衛(wèi)星重量為數(shù)千克到上百千克，到2002年歐洲航天局發(fā)射的重達(dá)8000千克的環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星 “恩威薩特”號，與重量逐步增加的是衛(wèi)星性能的持續(xù)增強(qiáng)。

　　但是近些年來在衛(wèi)星高(性能)、大(體積)、全(功能)的發(fā)展主流之外，衛(wèi)星的超微化引起了人們的重視。微小衛(wèi)星大致上是以重量分類的：納星的重量在10千克~1千克之間，皮星的重量在1千克~100克之間，低于100克的被稱之為飛星。

　　“麻雀雖小，五臟俱全”。衛(wèi)星所具有的電池、軌道控制和定位系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)等自身控制功能，超微型衛(wèi)星一應(yīng)俱全，如果沒有MEMS技術(shù)，這是難以實現(xiàn)的。

　　超微衛(wèi)星因為重量輕，發(fā)射費(fèi)用較之常規(guī)衛(wèi)星呈數(shù)量級下降，衛(wèi)星的制造成本也顯著下降，以至于一些高校也有財力來制造衛(wèi)星。在我國，哈工大和清華大學(xué)發(fā)射過納星，浙江大學(xué)則發(fā)射過一顆皮星。

　　而超微衛(wèi)星最大的好處是可以像分布式計算機(jī)系統(tǒng)那樣，將多顆衛(wèi)星作分布式布局。這樣不但可以提高可靠性，當(dāng)數(shù)量足夠多時，性能還可以超過單顆常規(guī)衛(wèi)星，而且，可以通過適時發(fā)射搭載新的應(yīng)用的超微衛(wèi)星來升級超微衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，而常規(guī)衛(wèi)星發(fā)射后，很難增加新的應(yīng)用。超微衛(wèi)星還有一個優(yōu)勢是：一旦失效，在重返大氣層時就會完全燒毀，而前文中提到的重達(dá)8000千克的“恩威薩特”號到了2013年將會失效，現(xiàn)在人們已經(jīng)開始擔(dān)心這個龐然大物墜毀時的安全問題。

　　星云狀分布的超微衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相差無幾，區(qū)別在于，一個天上一個地下，一個較貴一個較便宜罷了。

　　HI-MEMS：一半是昆蟲一半是機(jī)器

　　2010年1月美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員做了一個演示。他們將6個神經(jīng)電極刺入犀牛甲蟲的蛹中，當(dāng)犀牛甲蟲成熟后，它們就能接收電信號。實驗人員通過無線電可以遙控犀牛甲蟲進(jìn)行起飛、著陸，向前向后飛行，向左向右轉(zhuǎn)彎。鑒于微型控制板和電池的總重量為1.3克，而犀牛甲蟲能夠攜帶大約3克的物體飛行，因此，犀牛甲蟲還有很大的余力來攜帶微型的傳感器、攝像頭或者麥克風(fēng)等裝置。

　　這個項目是美國國防部高技術(shù)計劃局(DARPA)資助的“混合昆蟲微機(jī)電系統(tǒng)”(HI-MEMS)項目。

　　然而，這種創(chuàng)新在很大程度上令人擔(dān)憂。