⒋ 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。

MEMS多传感器系统具有极高的灵活性和集成度。可将许多不同种类的传感器以及控制、数据处理和存储、通信模块等集成在一块PCB板上,甚至是一块芯片上。可根据应用需求定制不同的器件,应用范围十分广泛。

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