小鼠和MEMS

这是一个关于老鼠和MEMS的故事。

这就是MEMS，也就是微机电系统，一种新兴的集成微芯片技术，还有老鼠——不是你双击的那种，而是那种生活在全世界大约1600万个实验室笼子里的老鼠，其中大约一半位于北美。

西门子建筑技术公司(Siemens Building Technologies Inc.)位于伊利诺伊州布法罗格罗夫(Buffalo Grove)。研究人员奥斯曼·艾哈迈德(Osman Ahmed)正在为这些老鼠笼子制定一个不小的计划。1月31日，Ahmed完成了一个为期18个月的项目，该项目由西门子与佛罗里达大学合作资助，证明了利用无线mems技术监测鼠笼环境的可行性。

如果鼠笼微监测技术能够成功商业化，将成为西门子在健康与制药研究实验室市场的新商机。更重要的是，如果进一步的研究成功，Ahmed的基于mems的无线微监控平台可能会成为其他行业领域新产品的启动平台。可能性包括改善办公楼、学校和工厂的环境监测和控制，以及用于预测和按需维护应用的低成本工业设备监测。

SBT楼宇自动化部门的高级首席工程师Ahmed解释说:“我们为这个项目选择了一个特定的应用，即监控实验室老鼠笼，但我们的目标是看看我们现在是否能找到许多我们现在可以做的应用，以及未来，这些应用可以在这个微系统平台上启动。”

艾哈迈德最近被评为2004年西门子12大发明家之一。

MEMS，即微机电系统，之所以如此命名，是因为它们利用了在硅芯片上形成的微米级器件的机械和电气特性。该技术依靠传统的集成电路制造技术与兼容的“微加工”方法相结合来形成电气和机械结构。一个微小的悬臂梁蚀刻出硅可以作为振动或压力传感器，例如，通过传播物理力作为电信号，可以由芯片上的电路处理。

MEMS集成中存在各种各样的传感器可能性。例如，用于检测各种气体的基于mems的传感器可以通过在硅基上沉积一层特定气体的传感材料来制造;当气体接触传感材料时，它通过传感层扩散，引起与气体浓度水平相对应的电特性的可测量变化。

Ahmed在1997年开始对MEMS感兴趣。但直到本世纪初，他才发现了一种具有足够商业潜力的应用，西门子才开始进行实地试验研究。

2001年，艾哈迈德和他的合作者在动物研究实验室发现了一个潜在的市场机会，这些实验室有时会维持数百只老鼠的笼子。用老鼠做实验的科学家需要确保动物的反应是某种药物或治疗的结果，而不是由于笼子里环境的波动。

田间试验

艾哈迈德解释说:“这些老鼠必须被关在一个非常严格控制的环境中，但是现在，这个行业没有任何好的监控系统来监控这些老鼠笼子。”通过开发一种基于mems的微监控系统，该系统可以将来自每个笼子的传感器数据无线传输回研究人员，Ahmed相信西门子可以帮助科学家提高研究质量，同时提高生产率并降低实验室运营成本。该系统的现场试验开始于2003年8月。

在开发老鼠笼微监控系统的过程中，艾哈迈德与西门子内外的一个研究团队合作。合作者包括德国慕尼黑西门子公司技术实验室的一组工程师，他们专注于西门子各个部门的MEMS器件开发。进行实地试验的佛罗里达大学的研究人员贡献了他们对动物护理设施的专业知识和知识。

对于微监控项目，西门子公司技术工程师创造了一种设计，可以将五个独立的MEMS传感器以及相关的支持电路集成在一个硅芯片上。Ahmed说，现场试验中使用的MEMS芯片包含传感二氧化碳(CO2)、氨、相对湿度(RH)和温度的元件，第五个传感器空间被保留为“备用”。对于未来的应用，“这可能是一个光传感器，或者其他的东西，这取决于需要什么。”

该MEMS传感器组非常适合鼠笼监测应用。例如，笼子里高浓度的氨或二氧化碳——MEMS芯片可以检测到——表明空气令人窒息，或者笼子里的稻草需要更换了。同样，必须监测和控制笼子内的温度和相对湿度，以获得最佳的实验结果。

Ahmed说，未来的商用MEMS芯片将把无线通信功能与传感器集成在同一芯片上。但在现场试验中，西门子公司的工程师提供了单独的射频(RF)收发器芯片，这些芯片与MEMS传感器芯片一起安装在多芯片组件中。这些组件被放置在老鼠笼子里，传感器数据被无线传输到房间里的集线站，也传输到研究人员使用的笔记本电脑上。

艾哈迈德说:“集线器实际上与西门子楼宇自动化系统相连，我们使用标准以太网协议从所有传感器获取数据。”“然后，建筑自动化系统可以作为存储和存档数据的平台，并为需要它的人创建应用程序。”通过与笔记本电脑的无线连接，研究人员只需发送一个查询，就可以立即访问任何一个笼子的实时传感器数据。艾哈迈德说，同样的问题也可以通过无线个人数字助理(PDA)发送，“所以有人可以带着手持PDA走进房间，说，‘给我45号笼子的氨的值。’”

此外，现场试验系统还配备了一个基于低功率雷达技术的笼子定位系统，该系统也由西门子公司技术工程师提供。使用该系统，研究人员可以快速学习房间内任何笼子的X-Y-Z坐标，这可以节省时间并提高现实世界动物实验室的生产力。

产品的前景

Ahmed称田间试验的结果“非常有希望”。他指出，与MEMS传感器芯片的包装或封装有关的一些问题，以保护它们在笼洗涤周期中不受水的影响，仍然需要解决。“但到目前为止，我们还没有发现任何重大的技术障碍。”目前的工作重点是评估试验数据，并确定“我们必须在哪里将这种产品推向市场”。

Ahmed说，如果商业案例得到证实，笼微监控系统的商业化版本可能在2007年准备就绪，其他行业领域的其他产品也可能随之而来。

由于能够在单个半导体器件上集成多种功能，包括传感、处理、电源管理和无线通信，因此MEMS技术具有极大改进建筑控制系统的潜力，这些系统将在很大程度上实现自我控制。Ahmed说，与目前的有线建筑控制系统相比，基于mems的芯片无线处理和传输传感器数据的能力将大大降低安装成本。此外，这种芯片在批量生产时成本非常低。

艾哈迈德设想，未来的建筑将能够“感知”居住者的舒适度，并立即自动调整温度、湿度和其他环境参数的设置。例如，数千个微型MEMS传感器可以嵌入建筑物的地毯或墙壁上的油漆中，以测量温度或空气中的二氧化碳含量，然后将数据传输到控制系统以采取行动。艾哈迈德说，结果将提高工人的舒适度，同时提高能源效率，在某些情况下可能会提高30%到50%。

Ahmed指出，在此之前，无线传感器电池技术或设备的功耗要求必须有所改进。他说，这种复杂的无线建筑控制系统需要MEMS设备频繁采样，大约每10毫秒采样一次。这种占空比超出了当今技术的能力，无法为设备提供足够长的供电时间。他说:“如果我们想让它们完全即插即用，就像贴在墙上一样，我们必须解决电力问题，这样它们才能在被替换之前持续使用数年。”“而现在，这项技术还不具备。”

然而，这并不是说，高度集成的MEMS设备不能用于有线应用，以提供当今传统控制技术无法提供的新功能，或者用于需要较少采样频率的无线监控应用。艾哈迈德说，对于可以接受采样间隔为15分钟的应用，今天的电池技术足以支持无线应用。

他说，老鼠笼监控就是这样一个应用的例子。在人类环境中，艾哈迈德预见了诸如学校的霉菌监测系统等应用。艾哈迈德说:“我们在美国的学校里遇到了霉菌和潮湿的巨大问题，我们今天不能做得更多的原因之一是缺乏感应。”他说，一个基于mems传感器的无线网络遍布整个学校，可以定期取样，检测漏水、霉菌生长或空气中的过敏原，这可以为学生创造更健康的环境。艾哈迈德补充说，在工业领域，无线应用可以包括工业设备监控。

依赖传统电力线路的其他应用也可能显示出希望。艾哈迈德说:“在许多情况下，你可以为不同的应用提供非常经济高效的有线传感器网络，这些应用超出了我们今天拥有的传统温度和湿度控制。”工业应用可能包括专门的环境监测和控制系统，例如，用于生产有毒烟雾或蒸汽的工厂区域。艾哈迈德说，高度集成的基于mems的芯片同样可能被证明在机场、政府大楼和其他公共场所用于检测炭疽、沙林或其他恐怖分子释放的物质具有成本效益。

从应用的角度来看，“我们将从技术和商业的角度来看这些微监测系统容易实现的目标，”Ahmed说。“我们正在研究各种各样的应用程序，看看今天能做什么，市场能接受什么，不能接受什么，以及我们能做些什么来消除未来的障碍。”

欲了解更多信息，请搜索关键字“MEMS”www.automationworld。com。

请参阅本文的侧边栏:尊敬的发明家