综述：MEMS惯性开关的优化，支持事件驱动的高效环境交互
2025-08-13 21:37:15   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

物联网（IoT）和具身智能的快速发展，对节能并减少数据传输的传感器节点提出了更高需求，尤其对于资源受限的应用场景。在此背景下，基于事件驱动的传感器应运而生，它们通过减少数据冗余并降低功耗来满足这一需求。在事件驱动型传感器领域，微机电系统（MEMS）惯性开关作为一种解决传统电池供电传感器功耗问题的有效方案脱颖而出，能够满足针对惯性传感应用的广泛需求。

MEMS惯性开关为物联网和具身智能应用提供了独特优势。在能源受限的环境（例如水下系统、边境地区、可穿戴设备）中，其接近于零的漏电流和纳瓦级运行能力，可实现免维护的传感器网络，延长导弹监控、入侵检测或跌倒检测设备的使用寿命。对于大规模基础设施、农业和物流部署，其超低延迟和简化的电路设计支持无线、高性价比、对时间敏感的事件监控，同时能够将网络维护成本降至最低。在极端环境（航空航天、国防、汽车）中，其抗辐射能力、电磁干扰免疫性和机械坚固性，可确保在安全关键任务中的可靠性。这些特性共同解决了许多行业在能效、可扩展性和工作弹性方面的挑战。

据麦姆斯咨询介绍，清华大学的研究人员近期在Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇题为“Optimizing MEMS inertial switches for efficient event-based environmental interaction: motivation, approaches, and purposes”的综述性文章。这篇综述对MEMS惯性开关进行了全面概述和分类。首先，文章总结了这些MEMS惯性开关的常见设计目标，突出了关键特性。接下来，文章深入探讨了如何通过敏感结构、悬挂结构、接触电极、执行器和制造工艺的具体设计，有效实现这些设计目标。然后，研究人员概述了MEMS惯性开关的广泛应用前景，突出了它们在实际技术、制造和日常生活中的独特性能。最后，文章讨论了MEMS惯性开关当前面临的挑战和未来展望，为该领域的潜在发展提供了见解。

优化目标

MEMS惯性开关的进步展示了跨行业应用的变革性潜力。MEMS惯性开关正变得越来越可靠、精确以及更强的适应能力，旨在满足各种工作条件。研究人员设计了多种变体，这些变体在加速度阈值、方向响应和接触性能方面有所区别。MEMS惯性开关的优化目标可分为七个关键参数，如表1所示。其优化目标包括扩大阈值范围以实现极高和极低的阈值，整合多个阈值和可调阈值，实现多方向响应，提高接触性能，以及集成自锁功能。

表1 具有高阈值（HT）、低阈值（LT）、多阈值（MT）、可调阈值（TT）、多方向（MD）、接触增强（CE）和自锁（SL）优化目标的几种典型MEMS惯性开关的特性概览

MEMS惯性开关的设计目标

设计目标的技术路径

对MEMS惯性开关工作至关重要的因素包括质量、弹簧、电极和执行器的协调设计。这些器件通常采用弹簧质量系统，其中悬浮的质量通过精密弹簧运动。这种设计将外部加速度转换为相对于固定锚点的可测量位移，其灵敏度由质量-弹簧参数决定。两个接触电极，一个在质量上移动，一个在锚点上固定，实现电气开关。加速度引起的质量运动打开/关闭这对接触点，产生二进制电信号。集成的MEMS执行器提供精确的质量控制，能够调节加速度响应阈值。优化这些组件可以确保灵敏度、准确性和可靠性。研究人员在文章中总结并分析了现有设计方法和性能提升，以指导未来的进一步开发。

MEMS惯性开关的敏感结构

MEMS惯性开关的悬挂结构设计

MEMS惯性开关的接触电极设计

MEMS惯性开关的制造工艺设计

MEMS惯性开关的应用

MEMS惯性开关的快速发展带来了令人印象深刻的特性，包括尺寸小、功耗低、数据输出量小、价格经济、灵敏度高、出色的抗冲击性、多功能性和智能化。MEMS惯性开关的潜在应用在众多领域得到了广泛研究，特别是在物联网和具身智能领域，这些应用通常需要在能量有限、规模庞大或恶劣的环境中运行。

MEMS惯性开关的应用

展望

MEMS惯性开关是具有微米级尺寸和纳瓦级功耗的事件驱动型传感器。这些特性使其适用于节能和资源有限型应用，特别是在物联网和具身智能系统中。尽管它们具有广阔的应用前景，但目前仍有三个主要挑战阻碍了其广泛应用：

普适性

固定阈值工作限制了它们在不同应用场景中的适应性。通过尺寸参数和结构调整进行定制，会降低部署效率并增加生产成本。

低阈值

可靠的低阈值开关，特别是低于1 g的开关，由于其设计需要大质量块和柔性悬置结构仍然存在问题。这些结构容易受到机械损伤，并且对制造偏差、内部应力和热波动敏感。

系统集成

当前研究侧重于开关本身的设计，对其在更广泛微系统中的集成探索有限。实际应用需要与报警和处理器系统高效集成，这是关键但尚未充分开发的领域。

为应对这些挑战，当前的研究工作集中在设计多个接触电极、集成内置执行器以及优化接触性能上。尽管这些方法前景广阔，但它们面临着固有的局限性，这要求持续创新和迭代改进。

多接触电极

多电极设计通过离散阈值提高适应性。然而，较大的阈值差异会损害精度，而最小化差异则会限制通用性。此外，在单个器件中实现多阈值会增加设计复杂性，扩大器件占位面积，并提高数据处理需求。因此，未来研究应聚焦于创新的机械结构和简化的数据读取方法。

执行器集成

静电和电磁执行器为可调阈值提供了外力，并实现低阈值。然而，电磁执行器阻碍了器件的小型化，而静电执行器需要连续的高压电路。这导致控制和升压电路中的功耗，与休眠期间的零功耗目标相矛盾。此外，这两种执行器都易受外部电磁干扰，可能导致误触发并降低可靠性。因此，开发更稳定和节能的阈值调整方法至关重要。

接触增强

结合接触增强和自锁机制可以提高触发信号和电气路径的可靠性，从而简化系统集成。然而，由于从静态帧转向脉冲神经网络（SNN）事件流，具身智能应用正面临新的挑战。这种转变需要开发专门的接口、通信协议和事件处理软件，以及明确定义的参数，如响应时间和载流能力，以指导开关设计。

推进结构设计、驱动机制和系统集成，对于充分发挥MEMS惯性开关在能源受限、大规模应用中的优势至关重要。这些MEMS惯性开关为传统电池供电传感器提供了极具吸引力的替代方案，特别是在物联网和具身智能系统蓬勃发展的背景下。它们稀疏的数据输出和超低功耗优势，使得在物联网中实现战略性资源分配成为可能，以支持实时、自适应的监控和控制。

本综述中阐述的动机、方法和目的有望促进MEMS惯性开关的开发和更广泛采用，提升其性能并简化其与物联网和具身智能应用的集成。最终，这一进展将使我们向更高效、响应更迅速、更可持续地与物理世界交互迈进一大步。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00997-1

延伸阅读：

《下一代MEMS技术及市场-2025版》

《消费类MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2022版》

《汽车级MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2024版》

《TDK InvenSense惯性测量单元（IMU）IAM-20685产品分析》

《博世MEMS惯性测量单元（IMU）SMI240产品分析》

《村田MEMS惯性测量单元（IMU）SCHA634产品分析》