第4章传感器与微机电系统

1、21世纪高等学校规划教材机械工业出版社机械工业出版社目 录全球定位与地理信息系统全球定位与地理信息系统第6章 第8章 第9章 第11章 第10章第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 物联网概述物联网概述 射频识别与产品电子编码射频识别与产品电子编码无线传感网络无线传感网络传感器与微机电系统传感器与微机电系统信息自动识别技术信息自动识别技术目 录物联网应用案例物联网应用案例第8章 第9章 第11章 第10章第7章 第8章 第9章 第10章 第11章 互联网与移动互联网互联网与移动互联网物联网应用接口技术物联网应用接口技术 物联网安全物联网安全 物联网支撑技术物联网支撑技术第第4章章 传感器与微

2、机电系统传感器与微机电系统v 4.1 传感器技术 4.1.1 传感器概述 4.1.2 传感器的定义和组成 4.1.3 传感器的作用和分类 4.1.4 传感器的特性参数 4.1.5 新型传感器介绍 v 4.2 微机电系统 4.2.1微机电系统的基本概念 4.2.2微机电系统分类 4.2.3微机电系统的发展前景 4.2.4微机电系统的特点和相关技术 4.2.5 微机电系统的发展趋势 4.1 传感器技术 传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗

3、透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。v3.2.1 传感器概述 1. 概念 人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感官来感知外界的信息，感知的信息输入大脑进行分析判断（即人的思维）和处理，再指挥人作出相应的动作，这是人类认识世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通过人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人不能利用触觉来感知超过几十甚至上千度的温度，也不可能辨别温度的微小变化，这就需要电子设备的帮助。同样，利用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，那么计算机类似于人的大脑，而仅有大脑而没有感知外界信息的“五官”显然是不足够的，中央处理系统也还需要它们的“五官”，即传感器。4.1 传感器技术 2. 2.

4、 传感技术的重要性传感技术的重要性 传感技术是一门集敏感材料科学、传感器技术及系统、微机电加工技术、微型计算机技术及通信技术等多学科相互交叉、相互渗透而形成的一门新型的工程技术，它是现代信息技术的重要组成部分。 传感技术与通信技术和计算机技术构成了现代信息技术的三大支柱，“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。 3. 3. 传感器的特点和发展趋势传感器的特点和发展趋势 传感技术是涉及传感器原理、传感器件研发、设计、制造、应用的一门专门用于信息检测与转换

5、的应用技术。传感技术具有知识密集性、功能智能性、测试精确性、品种庞杂性、内容离散性、工艺复杂性和应用广泛性等特点。4.1 传感器技术 3. 3. 传感器的特点和发展趋势传感器的特点和发展趋势 目前，传感技术正朝着集成化、微型化、数字化、智能化和仿生化方向发展。 （1）使用新技术、新材料的传感器 传感器工作的基本原理是建立在人们不断探索与发现各种新的物理现象、化学效应和生物效应以及具有特殊物理、化学特性的功能材料的基础上的。因而，发现新现象、反应、材料，研制新特性、功能的材料是现代传感器的重要基础，其意义也极为深远。 （2）集成传感器 集成传感器是新型传感器重要发展方向之一。微加工技术可将敏感元

6、件、测量电路、放大器及温度补偿元件等集成在一个芯片上，这样不仅具有体积小、重量轻、可靠性高、响应速度快、稳定等特点，而且便于批量生产，成本较低。 （3）智能传感器 自补偿功能。 自诊断功能。 自校正功能。 数据自动存储、分析、处理与传输。 微处理器、微机和基本传感器之间具有双向通信功能，构成一个闭环系统。4.1 传感器技术v 3.2.2 传感器的定义和组成传感器的定义和组成 1. 1. 传感器的定义传感器的定义 （1）国家标准GB7665-87对传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 （2）定义：传感器是一种能把特定的信息（物

7、理、化学、生物）按一定规律变换成某种可用信号输出的器件和装置。 （3）通俗理解：能把外界非电量信息量转换成电量输出的器件。 该定义包含了以下几个方面的含义： （1）传感器是测量装置，能完成检测任务。 （2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。 （3）输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电，但主要是电量。 （4）输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。4.1 传感器技术 2. 2. 传感器的组成传感器的组成 传感器一般由两个基本元件组成：敏感元件与转换元件。在完成非电量到电量的变换过程中，并非所有的非电量参数都能一次直接变换为

8、电量，往往是先变换成一种易于变换成电量的非电量（如位移、应变等），然后，再通过适当的方法变换成电量。所以，把能够完成预变换的器件称为敏感元件。传感器的组成见图3.4。 （1）敏感元件 敏感元件（预变换器）能直接感受被测量（一般为非电量）并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。对于具体完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量用现有的手段都能直接转换成电量。例如，压力传感器中的膜片就是敏感元件，它首先将压力转换为位移，然后再将其转换为电量。对于不能直接变换为电量的传感器必须进行预变换，即先将待测的非电量变换为易于转换成电量的另一种非电量。4.1 传感器技术4.1 传感器技术 2. 2. 传感

9、器的组成传感器的组成 （2）转换元件 转换元件（传感元件）直接或不直接感受被测量，并将敏感元件的输出量转换成电量后再输出。能将感受到的非电量变换为电量的器件称为转换元件。如：将位移量直接变换为电容量或电阻量或电感量的变换器；变换器是传感器不可缺少的重要组成部分。 实际中一些敏感元件直接就可以输出变换后的电信号，而一些传感器又不包括敏感元件在内，故常常无法将敏感元件与变换器严格加以区别。例如，能直接把温度变换为电压或电势的热电偶变换器（热电偶兼有敏感元件和变换器的双重功能）。 （3）转换电路 转换电路将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。若转换元件输出的已经是上述电参量，就不用此

10、电路。例如，电阻应变片传感器采用的电桥测量电路。 （4）辅助电源 辅助电源为需要电源才能工作的转换电路和转换元件提供正常工作电源。 4.1 传感器技术v 3.2.3 3.2.3 传感器的作用和分类传感器的作用和分类 1. 1. 传感器的作用传感器的作用 （1）对被测信号产生敏感并能把它提取出来。 （2）在信号提取的同时能把它转换成所需要的信号（主要是完成非电量到电量的转换）。 2. 2. 传感器的分类传感器的分类 传感器的分类方法尚无统一的方法，一般按如下几种方法进行分类。 （1）按被测物理量可分为位移量、力量、运动量、热学量、光学量、气体量等传感器。 （2）按工作原理可分为电阻式、电容式、电

11、感式、压电式、霍尔式、光电式、光栅式、热电式等传感器。 （3）按输出信号的性质可分为开关型传感器(“1”和“0”或“开”和“关”)、模拟型 传感器、输出为脉冲或代码的数字式传感器。 （4）按照能量的传递方式可分为有源传感器与无源 传感器两大类。4.1 传感器技术v 3.2.4 3.2.4 传感器的特性参数传感器的特性参数 1. 1. 传感器的静态特性参数传感器的静态特性参数 （1）测量范围和量程：测量范围是在允许误差限内被测量值的范围。 （2）灵敏度：传感器的灵敏度是指传感器在稳态时，输出量的变化量与输入量变化量的比值，用S表示。 （3）线性度：在稳态条件下，传感器的实际输入、输出特性曲线与理

12、想直线之间的不吻合程度称为线性度（或非线性误差）。 （4）不重复性：不重复性是指在相同条件下，传感器的输入量按同一方向作全量程多次重复测量，输出曲线的不一致程度。 （5）迟滞：迟滞现象是传感器正向特性曲线（输入量增大）和反向特性曲线（输入量减小）的不一致程度。 （6）精确度：精确度也称为精度，它是线性度、不重复性及迟滞三项指标的综合指数，反映了系统误差和随机误差的综合指标。 （7）零点时间漂移：传感器在恒定温度环境中，当输入信号不变或为零时，输出信号随时间变化的特性，称为传感器零点时间漂移，简称为零漂。 （8）零点温度漂移：当输入信号不变或为零时，传感器的输出信号随温度变化的特性，称为传感器零

13、点温度漂移，简称为温漂。4.1 传感器技术 2. 2. 传感器的动态特性传感器的动态特性 （1）响应速度：响应速度是反映传感器动态特性的一项重要参数，是传感器在阶跃信号作用下的输出特性，主要包括上升时间、峰值时间及响应时间等。它反映了传感器的稳定输出信号（在规定误差范围内）随输入信号变化的快慢。 （2）频率响应：频率响应是指传感器的输出特性曲线与输入信号的频率之间的关系，包括幅频特性和相频特性。在实际应用中，应根据输入信号的频率范围来确定适合的传感器。4.1 传感器技术v 3.2.5 3.2.5 新型传感器介绍新型传感器介绍 1. 1. 气敏传感器气敏传感器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成分

14、的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。 （1）气敏传感器的特点 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。所以，要求气敏传感器能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度、能长期稳定工作、重复性好、响应速度快、共存物质所产生的影响小等。4.1 传感器技术 1. 1. 气敏传感器气敏传感器 （2）半导体气敏传感器 由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。近

15、年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。对于表面控制型，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；对于体控制型，半导体与气体的反应，使半导体内部组成（晶格缺陷浓度）发生变化，而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型

16、和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体。4.1 传感器技术 2. 2. 湿敏传感器湿敏传感器 （1）湿度 湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示；相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿

17、度这一概念。4.1 传感器技术 2. 2. 湿敏传感器湿敏传感器 （2）湿敏传感器的特点 湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿

18、命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。 湿度的检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。4.1 传感器技术 3. MEMS3. MEMS微机电系统微机电系统 微机电系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS），专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。 （1）MEMS技术简介 MEMS是融合了硅微加工、光刻铸造成型（LI

19、GA）和精密机械加工等多种微加工技术制作的微传感器(Micro sensors)、微执行器(Microactuators)和微系统(Microsystems)。通过将微型的电机、电路、传感器、执行器等装置和器件集成在半导体芯片上形成的微型机电系统，不仅能搜集、处理和发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它是在微电子技术基础上发展起来的，但又区别于微电子技术(IC)。在IC中，有一个基本单元，即晶体管。利用这个基本单元的组合并通过合适的连接，就可以形成功能齐全的IC产品；在MEMS中，不存在通用的MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴，还工作在机械能范畴或其

20、他能量范畴如磁、热等。4.1 传感器技术 3. MEMS3. MEMS微机电系统微机电系统 （2）MEMS的特点 微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器或微执行器阵列甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器或微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。 多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学、和生物等多种学科。同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。4.1 传感器技术 4.

21、4. 光栅数字传感器光栅数字传感器 光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而得到了广泛的应用。 光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杆上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。 5. 5. 光电式传感器光电式传感器 顾名思义，光电式传感器就是将光信号转化成电信号的一种器件，简称光电器件。要将光信号转化成电信号，必须经过两个步骤：一是先将非电量的变化转化成光量的变化；二是通过光电器件的作用，将光量的变化

22、转化成电量的变化。这样就实现了将非电量的变化转化成电量的变化。 由于光电器件的物理基础是光电效应，光电器件是有响应速度快、可靠性较高、精度高、非接触式、结构简单等特点，因此光电式传感器在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。4.1 传感器技术 6.6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （1）智能传感器的产生 智能传感器这一概念，起源于美国宇航局开发宇宙飞船过程中。人们需要知道宇宙飞船在太空中飞行的速度、位置、姿态等数据。为使宇航员在宇宙飞船内能正常工作、生活，需要控制舱内的温度、湿度、气压、空气成分等，因而需要安装各式各样的传感器。然而，宇航员在太空中

23、进行各种实验也需要大量的传感器，因此，要用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，于是提出把CPU分散化，从而产生出智能化传感器。4.1 传感器技术 6. 6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （2）智能传感器的定义与特征 智能传感器是一种带微处理机兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器。智能传感器是由传统的传感器和微处理器（或微计算机）相结合而构成的。它充分利用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。 微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储

24、、处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。 除微处理器以外，智能传感器相对于传统传感器应具有如下的特征： 可以根据输入信号值进行判断和制定决策。 可以通过软件控制做出多种决定。 可以与外部进行信息交换，有输入输出接口。 具有自检测、自修正和自保护功能。4.1 传感器技术 6.6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （3）智能传感器系统一般构成 计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软

25、件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。 智能传感器系统一般构成框图如图3.5所示。其中作为系统“大脑”的微型计算机，可以是单片机、单板机，也可以是微型计算机系统。4.1 传感器技术4.1 传感器技术 6.6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （4）智能传感器的分类 智能传感器按其结构分为模块式智能传感器、混合式智能传感器和集成式 智能传感器三种。 混合式智能传感器 混合式智能传感器是将传统的经典传感

26、器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的智能传感器系统。这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。自动化仪表生产厂家原有的一套生产工艺设备基本不变，附加一块带数字总线接口的微处理器插板组装而成，并配备能进行通讯、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而实现智能传感器功能。这是一种比较经济、快速建立智能传感器的途径。但将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成度高，体积小，目前的技术水平还很难实现。4.1 传感器技术 6.6.智能传感器智能传感器(smart

27、 sensor)(smart sensor) （4）智能传感器的分类 集成式智能传感器 这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上构成的。这样使智能传感器达到了微型化，小可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动的情况。使结构一体化，从而提高了精度和稳定性。敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。 模块式智能传感器 要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多棘手的难题。根据需要与可能，可将系统各个集成化环

28、节（如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口）以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。组成模块式智能传感器。这种传感器集成度不高，体积较大，但在目前的技术水平上，仍不失为一种实用的结构形式。4.1 传感器技术 6. 6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （5）智能传感器的主要功能 智能传感器的功能是通过比较人的感官和大脑的协调动作提出的，随着微电子技术及材料科学的发展，传感器在发展与应用过程中越来越多的与微处理器相结合，不仅具有视觉、触觉、听觉、味觉，还有了存储、思维和逻辑判断能力等人工智能。智能传感器的主要功能有以下几

29、点： 自补偿和计算 许多工程技术人员多年来一直从事传感器温度漂移和非线性补偿工作，虽然每年都有所进展，但都是修修补补没有根本性突破。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样，即使传感器加工不太精密，只要能保证传感器性能重复性好，通过传感器的计算功能也能获得较精确的测量结果。另外还可进行统计处理、能够重新标定某个敏感元件，使它重新有效。 自检、自校、自诊断功能 普通传感器需要定期检验和标定，以保证它的正常使用和足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸下来拿到试验室或检验部门进行。这样做是很不便的，特别是对使用于危险场所的传感器，这样做既费力又不

30、经济。利用智能传感器，情况则大为改观。检验校正工作可以在线进行。由于所要进行调整的参数主要是零位和增益，智能传感器中有微处理机，内存中有自校功能的软件，操作者只要输入零位和某已知参数，智能传感器的自校软件就能将随时间变化的零位和增益校正过来。4.1 传感器技术 6. 6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （5）智能传感器的主要功能 复合敏感功能 我们在测量液体质量流量时，要同时测量介质的温度、流速、压力和密度，然后经过计算才得到准确的质量流量值，智能传感器出现以前，这些参数都是采用分散的、各自独立的传感器测量，这样不但体积大，而且同步性差，时间、空间

31、误差大。而智能传感器具有复合敏感功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如光强、波长、相位和偏振度等参数可反映光的运动特性；压力、真空度、温度梯度、热量、浓度、pH值等分别反映物质的力、热、化学特性。 强大的通讯接口功能 由于用了微型机使其接口标准化，所以能够与上一级微型机进行接口的标准化，智能传感器输出的数据通过总线控制，为与其它数字控制仪表的直接通讯提供了方便，使智能传感器可作为集散控制系统的组成单元受中央计算机的控制。4.1 传感器技术 6.6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （5）智能传感器的主要功能 现

32、场学习功能 利用嵌入智能和先进的编程特性相结合，工程师们已设计出了新一代具有学习功能的传感器，它能为各种场合快速而方便地设置最佳灵敏度。学习模式的程序设计使光电传感器能对被检测过程取样，计算出光信号阈值，自动编程最佳设置，并且能在工作过程中自动调整其设置，以补偿环境条件的变化。这种能力可以补偿部件老化造成的参数漂移，从而延长器件或装置的使用寿命和扩大其应用范围。 掉电保护功能 由于微型计算机的RAM的内部数据在掉电时会自动消失，这给仪器的使用带来很大的不便。为此在智能仪器内装有备用电源，当系统掉电时，能自动把后备电源接入RAM，以保证数据不丢失。4.1 传感器技术 6. 6.智能传感器智能传感

33、器(smart sensor)(smart sensor) （6）智能传感器的发展趋势 模糊化 模糊化智能传感器是近年来发展的一个新方向。它是在经典数值测量的基础上经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果。模糊化智能传感器的“智能”表现在它可以模拟人类感知的全过程。它不仅具有智能传感器的一般优点和功能，而且具有学习推理的能力，具有适应测量环境变化的能力，并能够根据测量任务的要求进行学习推理。此外，它还具有与上级系统交换信息的能力，以及自我管理和调节的能力。 微型集成化 采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理

34、单元，并把它们集成在一块芯片上。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM)。这种传感器具有微型化、结构一体化，精度高，多功能、阵列式全数化等特点。但是由于其集成难度大需要大批量的规模生产才能降低成本。以目前的技术水平，要低成本实现微型集成化的智能传感器系统还非常困难。但微型集成化的智能传感器系统在航天、导弹制导、精密控制等方面具有重大的应用价值。4.1 传感器技术 6. 6.智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) （6）智能传感器的发展趋势 网络化 随着网络时代的到来特别是Internet的迅速发展，信息化已进入崭新的阶段。网络化智能传感器即在智能传感技

35、术上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的“采集”。“传输”和处理，成为统一协调的一种新型智能传感器。网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接线路，节省投资，易于系统维护，也使系统易于扩充。 网络化智能传感器研究的关键技术是网络接口技术。网络化传感器必须符合某种网络协议，使现场测控数据能直接进入网络。由于目前工业现场存在多种网络标准，因此也随之发展起来了多种网络化智

36、能传感器，具有各自不同的网络接口单元类型。目前主要有基于现场总线的智能传感器和基于以太网协议的智能传感器两大类。4.2 MEMS技术 微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。MEMS是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 作为纳米科

37、技的一个分支，MEMS被称为电子产品设计中的“明星”。目前，MEMS加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。4.2 MEMS技术v 4.2.1 MEMS4.2.1 MEMS的基本概念的基本概念 MEMS由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成，具有尺寸小、重量轻、成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强以及易批量生产等优点。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的

38、处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、

39、材料科学、能源科学等4.2 MEMS技术v 4.2.2MEMS4.2.2MEMS技术的特点技术的特点 MEMS系统器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量级，微小的尺寸不仅使得MEMS能够工作在一些常规机电系统无法介入的微小空间场合，而且意味着系统具有微小的质量和消耗，微小的尺寸通常还为MEMS器件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。80%以上的MEMS采用硅微工艺进行制作，使其具有大批量生产模式，制造成本因而得以大大降低。在单一芯片内实现机电集成也是MEMS独有的特点。单片集成系统能够避免杂合系统中有各种连接所带来的电路寄生效应，因此可达到更高的性能并更加可靠，单片集成有利于节约成本。组件装配特别

40、困难，目前许多MEMS都是设计成不需要装配或者具有自装配功能的系统。MEMS构件的加工绝对误差小，使用的材料也较为单一，三维加工能力明显不足。 沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：MEMS会给人类社会带来另一次技术革命，它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。4.2 MEMS技术v 4.2.3MEMS分类分类 （1）微传感器 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器。 磁学类：磁通计、磁场计。 热学类：温度计。 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器。 生物学类

41、：DNA芯片。 （2）微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、 微谐振器等。 （3）微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。 （4）微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。 （5）真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。 （6）电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(V

42、MOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件。4.2 MEMS技术v 4.2.4MEMS4.2.4MEMS发展历史发展历史 MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。 第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。 第三轮商业化可以说出现于

43、20世纪和21世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。4.2 MEMS技术v 4.2.5MEMS4.2.5MEMS的相关技术的相关技术 （1）微系统设计技术 主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和模拟技术、微系统建模等，还有微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究等课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。 （2）微细加工技术 主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIG

44、A加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。 （3）微型机械组装和封装技术 主要指粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术。 4.2 MEMS技术 （4）微系统的表征和测试技术。 主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。 目前，常用的制作MEMS器件的技术主要有三种。 第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。 第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。 第三种是以德国为代表的LIGA（即光刻、电铸和塑铸）技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。4.2 MEMS技术v 4.2.6MEMS的发展前景的发展前景 MEMS技术正