物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和具身智能的快速發(fā)展，對(duì)節(jié)能并減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)提出了更高需求，尤其對(duì)于資源受限的應(yīng)用場(chǎng)景。在此背景下，基于事件驅(qū)動(dòng)的傳感器應(yīng)運(yùn)而生，它們通過減少數(shù)據(jù)冗余并降低功耗來滿足這一需求。在事件驅(qū)動(dòng)型傳感器領(lǐng)域，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性開關(guān)作為一種解決傳統(tǒng)電池供電傳感器功耗問題的有效方案脫穎而出，能夠滿足針對(duì)慣性傳感應(yīng)用的廣泛需求。
MEMS慣性開關(guān)為物聯(lián)網(wǎng)和具身智能應(yīng)用提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在能源受限的環(huán)境（例如水下系統(tǒng)、邊境地區(qū)、可穿戴設(shè)備）中，其接近于零的漏電流和納瓦級(jí)運(yùn)行能力，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，延長(zhǎng)導(dǎo)彈監(jiān)控、入侵檢測(cè)或跌倒檢測(cè)設(shè)備的使用壽命。對(duì)于大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)業(yè)和物流部署，其超低延遲和簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì)支持無線、高性價(jià)比、對(duì)時(shí)間敏感的事件監(jiān)控，同時(shí)能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本降至最低。在極端環(huán)境（航空航天、國(guó)防、汽車）中，其抗輻射能力、電磁干擾免疫性和機(jī)械堅(jiān)固性，可確保在安全關(guān)鍵任務(wù)中的可靠性。這些特性共同解決了許多行業(yè)在能效、可擴(kuò)展性和工作彈性方面的挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，清華大學(xué)的研究人員近期在Microsystems & Nanoengineering上發(fā)表了一篇題為“Optimizing MEMS inertial switches for efficient event-based environmental interaction: motivation, approaches, and purposes”的綜述性文章。這篇綜述對(duì)MEMS慣性開關(guān)進(jìn)行了全面概述和分類。首先，文章總結(jié)了這些MEMS慣性開關(guān)的常見設(shè)計(jì)目標(biāo)，突出了關(guān)鍵特性。接下來，文章深入探討了如何通過敏感結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、接觸電極、執(zhí)行器和制造工藝的具體設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)目標(biāo)。然后，研究人員概述了MEMS慣性開關(guān)的廣泛應(yīng)用前景，突出了它們?cè)趯?shí)際技術(shù)、制造和日常生活中的獨(dú)特性能。最后，文章討論了MEMS慣性開關(guān)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來展望，為該領(lǐng)域的潛在發(fā)展提供了見解。
優(yōu)化目標(biāo)
MEMS慣性開關(guān)的進(jìn)步展示了跨行業(yè)應(yīng)用的變革性潛力。MEMS慣性開關(guān)正變得越來越可靠、精確以及更強(qiáng)的適應(yīng)能力，旨在滿足各種工作條件。研究人員設(shè)計(jì)了多種變體，這些變體在加速度閾值、方向響應(yīng)和接觸性能方面有所區(qū)別。MEMS慣性開關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)可分為七個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。其優(yōu)化目標(biāo)包括擴(kuò)大閾值范圍以實(shí)現(xiàn)極高和極低的閾值，整合多個(gè)閾值和可調(diào)閾值，實(shí)現(xiàn)多方向響應(yīng)，提高接觸性能，以及集成自鎖功能。
表1 具有高閾值（HT）、低閾值（LT）、多閾值（MT）、可調(diào)閾值（TT）、多方向（MD）、接觸增強(qiáng)（CE）和自鎖（SL）優(yōu)化目標(biāo)的幾種典型MEMS慣性開關(guān)的特性概覽
MEMS慣性開關(guān)的設(shè)計(jì)目標(biāo)
設(shè)計(jì)目標(biāo)的技術(shù)路徑
對(duì)MEMS慣性開關(guān)工作至關(guān)重要的因素包括質(zhì)量、彈簧、電極和執(zhí)行器的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。這些器件通常采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，其中懸浮的質(zhì)量通過精密彈簧運(yùn)動(dòng)。這種設(shè)計(jì)將外部加速度轉(zhuǎn)換為相對(duì)于固定錨點(diǎn)的可測(cè)量位移，其靈敏度由質(zhì)量-彈簧參數(shù)決定。兩個(gè)接觸電極，一個(gè)在質(zhì)量上移動(dòng)，一個(gè)在錨點(diǎn)上固定，實(shí)現(xiàn)電氣開關(guān)。加速度引起的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)打開/關(guān)閉這對(duì)接觸點(diǎn)，產(chǎn)生二進(jìn)制電信號(hào)。集成的MEMS執(zhí)行器提供精確的質(zhì)量控制，能夠調(diào)節(jié)加速度響應(yīng)閾值。優(yōu)化這些組件可以確保靈敏度、準(zhǔn)確性和可靠性。研究人員在文章中總結(jié)并分析了現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法和性能提升，以指導(dǎo)未來的進(jìn)一步開發(fā)。
MEMS慣性開關(guān)的敏感結(jié)構(gòu)
MEMS慣性開關(guān)的懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
MEMS慣性開關(guān)的接觸電極設(shè)計(jì)
MEMS慣性開關(guān)的制造工藝設(shè)計(jì)
MEMS慣性開關(guān)的應(yīng)用
MEMS慣性開關(guān)的快速發(fā)展帶來了令人印象深刻的特性，包括尺寸小、功耗低、數(shù)據(jù)輸出量小、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、靈敏度高、出色的抗沖擊性、多功能性和智能化。MEMS慣性開關(guān)的潛在應(yīng)用在眾多領(lǐng)域得到了廣泛研究，特別是在物聯(lián)網(wǎng)和具身智能領(lǐng)域，這些應(yīng)用通常需要在能量有限、規(guī)模龐大或惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。
MEMS慣性開關(guān)的應(yīng)用
展望
MEMS慣性開關(guān)是具有微米級(jí)尺寸和納瓦級(jí)功耗的事件驅(qū)動(dòng)型傳感器。這些特性使其適用于節(jié)能和資源有限型應(yīng)用，特別是在物聯(lián)網(wǎng)和具身智能系統(tǒng)中。盡管它們具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前仍有三個(gè)主要挑戰(zhàn)阻礙了其廣泛應(yīng)用：
普適性
固定閾值工作限制了它們?cè)诓煌瑧?yīng)用場(chǎng)景中的適應(yīng)性。通過尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行定制，會(huì)降低部署效率并增加生產(chǎn)成本。
低閾值
可靠的低閾值開關(guān)，特別是低于1 g的開關(guān)，由于其設(shè)計(jì)需要大質(zhì)量塊和柔性懸置結(jié)構(gòu)仍然存在問題。這些結(jié)構(gòu)容易受到機(jī)械損傷，并且對(duì)制造偏差、內(nèi)部應(yīng)力和熱波動(dòng)敏感。
系統(tǒng)集成
當(dāng)前研究側(cè)重于開關(guān)本身的設(shè)計(jì)，對(duì)其在更廣泛微系統(tǒng)中的集成探索有限。實(shí)際應(yīng)用需要與報(bào)警和處理器系統(tǒng)高效集成，這是關(guān)鍵但尚未充分開發(fā)的領(lǐng)域。
為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，當(dāng)前的研究工作集中在設(shè)計(jì)多個(gè)接觸電極、集成內(nèi)置執(zhí)行器以及優(yōu)化接觸性能上。盡管這些方法前景廣闊，但它們面臨著固有的局限性，這要求持續(xù)創(chuàng)新和迭代改進(jìn)。
多接觸電極
多電極設(shè)計(jì)通過離散閾值提高適應(yīng)性。然而，較大的閾值差異會(huì)損害精度，而最小化差異則會(huì)限制通用性。此外，在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)多閾值會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，擴(kuò)大器件占位面積，并提高數(shù)據(jù)處理需求。因此，未來研究應(yīng)聚焦于創(chuàng)新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)讀取方法。
執(zhí)行器集成
靜電和電磁執(zhí)行器為可調(diào)閾值提供了外力，并實(shí)現(xiàn)低閾值。然而，電磁執(zhí)行器阻礙了器件的小型化，而靜電執(zhí)行器需要連續(xù)的高壓電路。這導(dǎo)致控制和升壓電路中的功耗，與休眠期間的零功耗目標(biāo)相矛盾。此外，這兩種執(zhí)行器都易受外部電磁干擾，可能導(dǎo)致誤觸發(fā)并降低可靠性。因此，開發(fā)更穩(wěn)定和節(jié)能的閾值調(diào)整方法至關(guān)重要。
接觸增強(qiáng)
結(jié)合接觸增強(qiáng)和自鎖機(jī)制可以提高觸發(fā)信號(hào)和電氣路徑的可靠性，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成。然而，由于從靜態(tài)幀轉(zhuǎn)向脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN）事件流，具身智能應(yīng)用正面臨新的挑戰(zhàn)。這種轉(zhuǎn)變需要開發(fā)專門的接口、通信協(xié)議和事件處理軟件，以及明確定義的參數(shù)，如響應(yīng)時(shí)間和載流能力，以指導(dǎo)開關(guān)設(shè)計(jì)。
推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和系統(tǒng)集成，對(duì)于充分發(fā)揮MEMS慣性開關(guān)在能源受限、大規(guī)模應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。這些MEMS慣性開關(guān)為傳統(tǒng)電池供電傳感器提供了極具吸引力的替代方案，特別是在物聯(lián)網(wǎng)和具身智能系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的背景下。它們稀疏的數(shù)據(jù)輸出和超低功耗優(yōu)勢(shì)，使得在物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性資源分配成為可能，以支持實(shí)時(shí)、自適應(yīng)的監(jiān)控和控制。
本綜述中闡述的動(dòng)機(jī)、方法和目的有望促進(jìn)MEMS慣性開關(guān)的開發(fā)和更廣泛采用，提升其性能并簡(jiǎn)化其與物聯(lián)網(wǎng)和具身智能應(yīng)用的集成。最終，這一進(jìn)展將使我們向更高效、響應(yīng)更迅速、更可持續(xù)地與物理世界交互邁進(jìn)一大步。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00997-1
《下一代MEMS技術(shù)及市場(chǎng)-2025版》
