第4章傳感器與微機電系統(tǒng)

1、21世紀高等學校規(guī)劃教材機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社目 錄全球定位與地理信息系統(tǒng)全球定位與地理信息系統(tǒng)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 物聯(lián)網(wǎng)概述物聯(lián)網(wǎng)概述 射頻識別與產品電子編碼射頻識別與產品電子編碼無線傳感網(wǎng)絡無線傳感網(wǎng)絡傳感器與微機電系統(tǒng)傳感器與微機電系統(tǒng)信息自動識別技術信息自動識別技術目 錄物聯(lián)網(wǎng)應用案例物聯(lián)網(wǎng)應用案例第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 互聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)應用接口技術物聯(lián)網(wǎng)應用接口技術 物聯(lián)網(wǎng)安全物聯(lián)網(wǎng)安全 物聯(lián)網(wǎng)支撐技術物聯(lián)網(wǎng)支撐技術第第4章章 傳感器與微

2、機電系統(tǒng)傳感器與微機電系統(tǒng)v 4.1 傳感器技術 4.1.1 傳感器概述 4.1.2 傳感器的定義和組成 4.1.3 傳感器的作用和分類 4.1.4 傳感器的特性參數(shù) 4.1.5 新型傳感器介紹 v 4.2 微機電系統(tǒng) 4.2.1微機電系統(tǒng)的基本概念 4.2.2微機電系統(tǒng)分類 4.2.3微機電系統(tǒng)的發(fā)展前景 4.2.4微機電系統(tǒng)的特點和相關技術 4.2.5 微機電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 4.1 傳感器技術 傳感器技術是現(xiàn)代科技的前沿技術，是現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一，其水平高低是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志之一。傳感器產業(yè)也是國內外公認的具有發(fā)展前途的高技術產業(yè)，它以其技術含量高、經濟效益好、滲

3、透能力強、市場前景廣等特點為世人矚目。v3.2.1 傳感器概述 1. 概念 人是通過視覺、嗅覺、聽覺及觸覺等感官來感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人作出相應的動作，這是人類認識世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通過人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人不能利用觸覺來感知超過幾十甚至上千度的溫度，也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子設備的幫助。同樣，利用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，那么計算機類似于人的大腦，而僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”，即傳感器。4.1 傳感器技術 2. 2.

4、 傳感技術的重要性傳感技術的重要性 傳感技術是一門集敏感材料科學、傳感器技術及系統(tǒng)、微機電加工技術、微型計算機技術及通信技術等多學科相互交叉、相互滲透而形成的一門新型的工程技術，它是現(xiàn)代信息技術的重要組成部分。 傳感技術與通信技術和計算機技術構成了現(xiàn)代信息技術的三大支柱，“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有利工具。 3. 3. 傳感器的特點和發(fā)展趨勢傳感器的特點和發(fā)展趨勢 傳感技術是涉及傳感器原理、傳感器件研發(fā)、設計、制造、應用的一門專門用于信息檢測與轉換

5、的應用技術。傳感技術具有知識密集性、功能智能性、測試精確性、品種龐雜性、內容離散性、工藝復雜性和應用廣泛性等特點。4.1 傳感器技術 3. 3. 傳感器的特點和發(fā)展趨勢傳感器的特點和發(fā)展趨勢 目前，傳感技術正朝著集成化、微型化、數(shù)字化、智能化和仿生化方向發(fā)展。 （1）使用新技術、新材料的傳感器 傳感器工作的基本原理是建立在人們不斷探索與發(fā)現(xiàn)各種新的物理現(xiàn)象、化學效應和生物效應以及具有特殊物理、化學特性的功能材料的基礎上的。因而，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、反應、材料，研制新特性、功能的材料是現(xiàn)代傳感器的重要基礎，其意義也極為深遠。 （2）集成傳感器 集成傳感器是新型傳感器重要發(fā)展方向之一。微加工技術可將敏感元

6、件、測量電路、放大器及溫度補償元件等集成在一個芯片上，這樣不僅具有體積小、重量輕、可靠性高、響應速度快、穩(wěn)定等特點，而且便于批量生產，成本較低。 （3）智能傳感器 自補償功能。 自診斷功能。 自校正功能。 數(shù)據(jù)自動存儲、分析、處理與傳輸。 微處理器、微機和基本傳感器之間具有雙向通信功能，構成一個閉環(huán)系統(tǒng)。4.1 傳感器技術v 3.2.2 傳感器的定義和組成傳感器的定義和組成 1. 1. 傳感器的定義傳感器的定義 （1）國家標準GB7665-87對傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。 （2）定義：傳感器是一種能把特定的信息（物

7、理、化學、生物）按一定規(guī)律變換成某種可用信號輸出的器件和裝置。 （3）通俗理解：能把外界非電量信息量轉換成電量輸出的器件。 該定義包含了以下幾個方面的含義： （1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務。 （2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。 （3）輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電，但主要是電量。 （4）輸入輸出有對應關系，且應有一定的精確度。4.1 傳感器技術 2. 2. 傳感器的組成傳感器的組成 傳感器一般由兩個基本元件組成：敏感元件與轉換元件。在完成非電量到電量的變換過程中，并非所有的非電量參數(shù)都能一次直接變換為

8、電量，往往是先變換成一種易于變換成電量的非電量（如位移、應變等），然后，再通過適當?shù)姆椒ㄗ儞Q成電量。所以，把能夠完成預變換的器件稱為敏感元件。傳感器的組成見圖3.4。 （1）敏感元件 敏感元件（預變換器）能直接感受被測量（一般為非電量）并輸出與被測量成確定關系的其他物理量的元件。對于具體完成非電量到電量的變換時，并非所有的非電量用現(xiàn)有的手段都能直接轉換成電量。例如，壓力傳感器中的膜片就是敏感元件，它首先將壓力轉換為位移，然后再將其轉換為電量。對于不能直接變換為電量的傳感器必須進行預變換，即先將待測的非電量變換為易于轉換成電量的另一種非電量。4.1 傳感器技術4.1 傳感器技術 2. 2. 傳感

9、器的組成傳感器的組成 （2）轉換元件 轉換元件（傳感元件）直接或不直接感受被測量，并將敏感元件的輸出量轉換成電量后再輸出。能將感受到的非電量變換為電量的器件稱為轉換元件。如：將位移量直接變換為電容量或電阻量或電感量的變換器；變換器是傳感器不可缺少的重要組成部分。 實際中一些敏感元件直接就可以輸出變換后的電信號，而一些傳感器又不包括敏感元件在內，故常常無法將敏感元件與變換器嚴格加以區(qū)別。例如，能直接把溫度變換為電壓或電勢的熱電偶變換器（熱電偶兼有敏感元件和變換器的雙重功能）。 （3）轉換電路 轉換電路將轉換元件輸出的電參量轉換成電壓、電流或頻率量的電路。若轉換元件輸出的已經是上述電參量，就不用此

10、電路。例如，電阻應變片傳感器采用的電橋測量電路。 （4）輔助電源 輔助電源為需要電源才能工作的轉換電路和轉換元件提供正常工作電源。 4.1 傳感器技術v 3.2.3 3.2.3 傳感器的作用和分類傳感器的作用和分類 1. 1. 傳感器的作用傳感器的作用 （1）對被測信號產生敏感并能把它提取出來。 （2）在信號提取的同時能把它轉換成所需要的信號（主要是完成非電量到電量的轉換）。 2. 2. 傳感器的分類傳感器的分類 傳感器的分類方法尚無統(tǒng)一的方法，一般按如下幾種方法進行分類。 （1）按被測物理量可分為位移量、力量、運動量、熱學量、光學量、氣體量等傳感器。 （2）按工作原理可分為電阻式、電容式、電

11、感式、壓電式、霍爾式、光電式、光柵式、熱電式等傳感器。 （3）按輸出信號的性質可分為開關型傳感器(“1”和“0”或“開”和“關”)、模擬型 傳感器、輸出為脈沖或代碼的數(shù)字式傳感器。 （4）按照能量的傳遞方式可分為有源傳感器與無源 傳感器兩大類。4.1 傳感器技術v 3.2.4 3.2.4 傳感器的特性參數(shù)傳感器的特性參數(shù) 1. 1. 傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)傳感器的靜態(tài)特性參數(shù) （1）測量范圍和量程：測量范圍是在允許誤差限內被測量值的范圍。 （2）靈敏度：傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)時，輸出量的變化量與輸入量變化量的比值，用S表示。 （3）線性度：在穩(wěn)態(tài)條件下，傳感器的實際輸入、輸出特性曲線與理

12、想直線之間的不吻合程度稱為線性度（或非線性誤差）。 （4）不重復性：不重復性是指在相同條件下，傳感器的輸入量按同一方向作全量程多次重復測量，輸出曲線的不一致程度。 （5）遲滯：遲滯現(xiàn)象是傳感器正向特性曲線（輸入量增大）和反向特性曲線（輸入量減?。┑牟灰恢鲁潭?。 （6）精確度：精確度也稱為精度，它是線性度、不重復性及遲滯三項指標的綜合指數(shù)，反映了系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合指標。 （7）零點時間漂移：傳感器在恒定溫度環(huán)境中，當輸入信號不變或為零時，輸出信號隨時間變化的特性，稱為傳感器零點時間漂移，簡稱為零漂。 （8）零點溫度漂移：當輸入信號不變或為零時，傳感器的輸出信號隨溫度變化的特性，稱為傳感器零

13、點溫度漂移，簡稱為溫漂。4.1 傳感器技術 2. 2. 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性 （1）響應速度：響應速度是反映傳感器動態(tài)特性的一項重要參數(shù)，是傳感器在階躍信號作用下的輸出特性，主要包括上升時間、峰值時間及響應時間等。它反映了傳感器的穩(wěn)定輸出信號（在規(guī)定誤差范圍內）隨輸入信號變化的快慢。 （2）頻率響應：頻率響應是指傳感器的輸出特性曲線與輸入信號的頻率之間的關系，包括幅頻特性和相頻特性。在實際應用中，應根據(jù)輸入信號的頻率范圍來確定適合的傳感器。4.1 傳感器技術v 3.2.5 3.2.5 新型傳感器介紹新型傳感器介紹 1. 1. 氣敏傳感器氣敏傳感器 氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成分

14、的傳感器，它對于環(huán)境保護和安全監(jiān)督方面起著極重要的作用。 （1）氣敏傳感器的特點 氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對傳感元件的材料會產生化學反應物，附著在元件表面，往往會使其性能變差。所以，要求氣敏傳感器能夠檢測報警氣體的允許濃度和其他標準數(shù)值的氣體濃度、能長期穩(wěn)定工作、重復性好、響應速度快、共存物質所產生的影響小等。4.1 傳感器技術 1. 1. 氣敏傳感器氣敏傳感器 （2）半導體氣敏傳感器 由于被測氣體的種類繁多，性質各不相同，不可能用一種傳感器來檢測所有氣體，所以氣敏傳感器的種類也有很多。近

15、年來隨著半導體材料和加工技術的迅速發(fā)展，實際使用最多的是半導體氣敏傳感器，這類傳感器一般多用于氣體的粗略鑒別和定性分析，具有結構簡單、使用方便等優(yōu)點。 半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體（主要是金屬氧化物）表面接觸時產生的電導率等物性變化來檢測氣體。按照半導體與氣體相互作用時產生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內部，可分為表面控制型和體控制型。對于表面控制型，半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子授受，結果使半導體的電導率等物性發(fā)生變化，但內部化學組成不變；對于體控制型，半導體與氣體的反應，使半導體內部組成（晶格缺陷濃度）發(fā)生變化，而使電導率改變。按照半導體變化的物理特性，又可分電阻型

16、和非電阻型兩類。電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；非電阻型半導體氣敏元件是利用其他參數(shù)，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體。4.1 傳感器技術 2. 2. 濕敏傳感器濕敏傳感器 （1）濕度 濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質量，單位為g/m3，一般用符號AH表示；相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個無量綱的量，在實際使用中多使用相對濕

17、度這一概念。4.1 傳感器技術 2. 2. 濕敏傳感器濕敏傳感器 （2）濕敏傳感器的特點 濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學性質變化，將濕度轉化成有用信號的器件。濕度檢測較之其他物理量的檢測顯得困難，這首先是因為空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多；另外，液態(tài)水會使一些高分子材料和電解質材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質結合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g和老化，從而喪失其原有的性質；再者，濕信息的傳遞必須靠水對濕敏器件直接接觸來完成，因此濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封。通常，對濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好、響應時間短、壽

18、命長、有互換性、耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價是濕敏器件的發(fā)展方向。 濕度的檢測已廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、科技和生活等各個領域，濕度不僅與工業(yè)產品質量有關，而且是環(huán)境條件的重要指標。4.1 傳感器技術 3. MEMS3. MEMS微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng) 微機電系統(tǒng)MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS），專指外形輪廓尺寸在毫米級以下，構成它的機械零件和半導體元器件尺寸在微米至納米級，可對聲、光、熱、磁、壓力、運動等自然信息進行感知、識別、控制和處理的微型機電裝置。 （1）MEMS技術簡介 MEMS是融合了硅微加工、光刻鑄造成型（LI

19、GA）和精密機械加工等多種微加工技術制作的微傳感器(Micro sensors)、微執(zhí)行器(Microactuators)和微系統(tǒng)(Microsystems)。通過將微型的電機、電路、傳感器、執(zhí)行器等裝置和器件集成在半導體芯片上形成的微型機電系統(tǒng)，不僅能搜集、處理和發(fā)送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部指令采取行動。它是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的，但又區(qū)別于微電子技術(IC)。在IC中，有一個基本單元，即晶體管。利用這個基本單元的組合并通過合適的連接，就可以形成功能齊全的IC產品；在MEMS中，不存在通用的MEMS單元，而且MEMS器件不僅工作在電能范疇，還工作在機械能范疇或其

20、他能量范疇如磁、熱等。4.1 傳感器技術 3. MEMS3. MEMS微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng) （2）MEMS的特點 微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，形成微傳感器或微執(zhí)行器陣列甚至可以把多種器件集成在一起以形成更為復雜的微系統(tǒng)。微傳感器或微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。 多學科交叉：MEMS的制造涉及電子、機械、材料、信息與自動控制、物理、化學、和生物等多種學科。同時MEMS也為上述學科的進一步研究和發(fā)展提供了有力的工具。4.1 傳感器技術 4.

21、4. 光柵數(shù)字傳感器光柵數(shù)字傳感器 光柵傳感器實際上是光電傳感器的一個特殊應用。由于光柵測量具有結構簡單、測量精度高、易于實現(xiàn)自動化和數(shù)字化等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。 光柵主要由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。通常，標尺光柵固定在活動部件上，如機床的工作臺或絲桿上。光柵讀數(shù)頭則安裝在固定部件上，如機床的底座上。當活動部件移動時，讀數(shù)頭和標尺光柵也就隨之做相對的移動。 5. 5. 光電式傳感器光電式傳感器 顧名思義，光電式傳感器就是將光信號轉化成電信號的一種器件，簡稱光電器件。要將光信號轉化成電信號，必須經過兩個步驟：一是先將非電量的變化轉化成光量的變化；二是通過光電器件的作用，將光量的變化

22、轉化成電量的變化。這樣就實現(xiàn)了將非電量的變化轉化成電量的變化。 由于光電器件的物理基礎是光電效應，光電器件是有響應速度快、可靠性較高、精度高、非接觸式、結構簡單等特點，因此光電式傳感器在現(xiàn)代測量與控制系統(tǒng)中，應用非常廣泛。4.1 傳感器技術 6.6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （1）智能傳感器的產生 智能傳感器這一概念，起源于美國宇航局開發(fā)宇宙飛船過程中。人們需要知道宇宙飛船在太空中飛行的速度、位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)。為使宇航員在宇宙飛船內能正常工作、生活，需要控制艙內的溫度、濕度、氣壓、空氣成分等，因而需要安裝各式各樣的傳感器。然而，宇航員在太空中

23、進行各種實驗也需要大量的傳感器，因此，要用一臺大型計算機很難同時處理如此龐雜的數(shù)據(jù)，于是提出把CPU分散化，從而產生出智能化傳感器。4.1 傳感器技術 6. 6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （2）智能傳感器的定義與特征 智能傳感器是一種帶微處理機兼有檢測、判斷、信息處理、信息記憶、邏輯思維等功能的傳感器。智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器（或微計算機）相結合而構成的。它充分利用微處理器的計算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，并能對它的內部行為進行調節(jié)，使采集的數(shù)據(jù)最佳。 微處理器是智能傳感器的核心，它不但可以對傳感器的測量數(shù)據(jù)進行計算、存儲

24、、處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調節(jié)。由于微處理器充分發(fā)揮各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務，從而大大降低了傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。 除微處理器以外，智能傳感器相對于傳統(tǒng)傳感器應具有如下的特征： 可以根據(jù)輸入信號值進行判斷和制定決策。 可以通過軟件控制做出多種決定。 可以與外部進行信息交換，有輸入輸出接口。 具有自檢測、自修正和自保護功能。4.1 傳感器技術 6.6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （3）智能傳感器系統(tǒng)一般構成 計算機軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過各種軟

25、件對信息檢測過程進行管理和調節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計算機軟件能夠實現(xiàn)硬件難以實現(xiàn)的功能，因為以軟件代替部分硬件，可降低傳感器的制作難度。 智能傳感器系統(tǒng)一般構成框圖如圖3.5所示。其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計算機，可以是單片機、單板機，也可以是微型計算機系統(tǒng)。4.1 傳感器技術4.1 傳感器技術 6.6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （4）智能傳感器的分類 智能傳感器按其結構分為模塊式智能傳感器、混合式智能傳感器和集成式 智能傳感器三種。 混合式智能傳感器 混合式智能傳感器是將傳統(tǒng)的經典傳感

26、器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號的功能）、信號調理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一個整體而構成的智能傳感器系統(tǒng)。這種非集成化智能傳感器是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢的推動下迅速發(fā)展起來的。自動化儀表生產廠家原有的一套生產工藝設備基本不變，附加一塊帶數(shù)字總線接口的微處理器插板組裝而成，并配備能進行通訊、控制、自校正、自補償、自診斷等智能化軟件，從而實現(xiàn)智能傳感器功能。這是一種比較經濟、快速建立智能傳感器的途徑。但將一個或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成度高，體積小，目前的技術水平還很難實現(xiàn)。4.1 傳感器技術 6.6.智能傳感器智能傳感器(smart

27、 sensor)(smart sensor) （4）智能傳感器的分類 集成式智能傳感器 這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術和大規(guī)模集成電路工藝技術，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調理電路、以及微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上構成的。這樣使智能傳感器達到了微型化，小可以小到放在注射針頭內送進血管測量血液流動的情況。使結構一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性。敏感元件構成陣列后，配合相應圖像處理軟件，可以實現(xiàn)圖形成像且構成多維圖像傳感器。這時的智能傳感器就達到了它的最高級形式。 模塊式智能傳感器 要在一塊芯片上實現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)存在著許多棘手的難題。根據(jù)需要與可能，可將系統(tǒng)各個集成化環(huán)

28、節(jié)（如敏感單元、信號調理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口）以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個外殼里。組成模塊式智能傳感器。這種傳感器集成度不高，體積較大，但在目前的技術水平上，仍不失為一種實用的結構形式。4.1 傳感器技術 6. 6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （5）智能傳感器的主要功能 智能傳感器的功能是通過比較人的感官和大腦的協(xié)調動作提出的，隨著微電子技術及材料科學的發(fā)展，傳感器在發(fā)展與應用過程中越來越多的與微處理器相結合，不僅具有視覺、觸覺、聽覺、味覺，還有了存儲、思維和邏輯判斷能力等人工智能。智能傳感器的主要功能有以下幾

29、點： 自補償和計算 許多工程技術人員多年來一直從事傳感器溫度漂移和非線性補償工作，雖然每年都有所進展，但都是修修補補沒有根本性突破。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。這樣，即使傳感器加工不太精密，只要能保證傳感器性能重復性好，通過傳感器的計算功能也能獲得較精確的測量結果。另外還可進行統(tǒng)計處理、能夠重新標定某個敏感元件，使它重新有效。 自檢、自校、自診斷功能 普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它的正常使用和足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸下來拿到試驗室或檢驗部門進行。這樣做是很不便的，特別是對使用于危險場所的傳感器，這樣做既費力又不

30、經濟。利用智能傳感器，情況則大為改觀。檢驗校正工作可以在線進行。由于所要進行調整的參數(shù)主要是零位和增益，智能傳感器中有微處理機，內存中有自校功能的軟件，操作者只要輸入零位和某已知參數(shù)，智能傳感器的自校軟件就能將隨時間變化的零位和增益校正過來。4.1 傳感器技術 6. 6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （5）智能傳感器的主要功能 復合敏感功能 我們在測量液體質量流量時，要同時測量介質的溫度、流速、壓力和密度，然后經過計算才得到準確的質量流量值，智能傳感器出現(xiàn)以前，這些參數(shù)都是采用分散的、各自獨立的傳感器測量，這樣不但體積大，而且同步性差，時間、空間

31、誤差大。而智能傳感器具有復合敏感功能，能夠同時測量多種物理量和化學量，給出能夠較全面反映物質運動規(guī)律的信息。如光強、波長、相位和偏振度等參數(shù)可反映光的運動特性；壓力、真空度、溫度梯度、熱量、濃度、pH值等分別反映物質的力、熱、化學特性。 強大的通訊接口功能 由于用了微型機使其接口標準化，所以能夠與上一級微型機進行接口的標準化，智能傳感器輸出的數(shù)據(jù)通過總線控制，為與其它數(shù)字控制儀表的直接通訊提供了方便，使智能傳感器可作為集散控制系統(tǒng)的組成單元受中央計算機的控制。4.1 傳感器技術 6.6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （5）智能傳感器的主要功能 現(xiàn)

32、場學習功能 利用嵌入智能和先進的編程特性相結合，工程師們已設計出了新一代具有學習功能的傳感器，它能為各種場合快速而方便地設置最佳靈敏度。學習模式的程序設計使光電傳感器能對被檢測過程取樣，計算出光信號閾值，自動編程最佳設置，并且能在工作過程中自動調整其設置，以補償環(huán)境條件的變化。這種能力可以補償部件老化造成的參數(shù)漂移，從而延長器件或裝置的使用壽命和擴大其應用范圍。 掉電保護功能 由于微型計算機的RAM的內部數(shù)據(jù)在掉電時會自動消失，這給儀器的使用帶來很大的不便。為此在智能儀器內裝有備用電源，當系統(tǒng)掉電時，能自動把后備電源接入RAM，以保證數(shù)據(jù)不丟失。4.1 傳感器技術 6. 6.智能傳感器智能傳感

33、器(smart sensor)(smart sensor) （6）智能傳感器的發(fā)展趨勢 模糊化 模糊化智能傳感器是近年來發(fā)展的一個新方向。它是在經典數(shù)值測量的基礎上經過模糊推理和知識合成，以模擬人類自然語言符號描述的形式輸出測量結果。模糊化智能傳感器的“智能”表現(xiàn)在它可以模擬人類感知的全過程。它不僅具有智能傳感器的一般優(yōu)點和功能，而且具有學習推理的能力，具有適應測量環(huán)境變化的能力，并能夠根據(jù)測量任務的要求進行學習推理。此外，它還具有與上級系統(tǒng)交換信息的能力，以及自我管理和調節(jié)的能力。 微型集成化 采用微機械加工技術和大規(guī)模集成電路工藝技術，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調理電路、微處理

34、單元，并把它們集成在一塊芯片上。國外也稱它為專用集成微型傳感技術(ASIM)。這種傳感器具有微型化、結構一體化，精度高，多功能、陣列式全數(shù)化等特點。但是由于其集成難度大需要大批量的規(guī)模生產才能降低成本。以目前的技術水平，要低成本實現(xiàn)微型集成化的智能傳感器系統(tǒng)還非常困難。但微型集成化的智能傳感器系統(tǒng)在航天、導彈制導、精密控制等方面具有重大的應用價值。4.1 傳感器技術 6. 6.智能傳感器智能傳感器(smart sensor)(smart sensor) （6）智能傳感器的發(fā)展趨勢 網(wǎng)絡化 隨著網(wǎng)絡時代的到來特別是Internet的迅速發(fā)展，信息化已進入嶄新的階段。網(wǎng)絡化智能傳感器即在智能傳感技

35、術上融合通信技術和計算機技術，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡通信功能，從而實現(xiàn)信息的“采集”。“傳輸”和處理，成為統(tǒng)一協(xié)調的一種新型智能傳感器。網(wǎng)絡化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展；從被動檢測向主動進行信息處理方向發(fā)展；從就地測量向遠距離實時在線測控發(fā)展網(wǎng)絡化使得傳感器可以就近接入網(wǎng)絡，傳感器與測控設備間再無需點對點連接，大大簡化了連接線路，節(jié)省投資，易于系統(tǒng)維護，也使系統(tǒng)易于擴充。 網(wǎng)絡化智能傳感器研究的關鍵技術是網(wǎng)絡接口技術。網(wǎng)絡化傳感器必須符合某種網(wǎng)絡協(xié)議，使現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)能直接進入網(wǎng)絡。由于目前工業(yè)現(xiàn)場存在多種網(wǎng)絡標準，因此也隨之發(fā)展起來了多種網(wǎng)絡化智

36、能傳感器，具有各自不同的網(wǎng)絡接口單元類型。目前主要有基于現(xiàn)場總線的智能傳感器和基于以太網(wǎng)協(xié)議的智能傳感器兩大類。4.2 MEMS技術 微機電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)。MEMS是集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMS加工技術還被廣泛應用于微流控芯片與合成生物學等領域，從而進行生物化學等實驗室技術流程的芯片集成化。 作為納米科

37、技的一個分支，MEMS被稱為電子產品設計中的“明星”。目前，MEMS加工技術又被廣泛應用于微流控芯片與合成生物學等領域，從而進行生物化學等實驗室技術流程的芯片集成化。 MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，并應用現(xiàn)代信息技術的最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。4.2 MEMS技術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異性刻蝕工藝制造而成，具有尺寸小、重量輕、成本低、可靠性高、抗振動沖擊能力強以及易批量生產等優(yōu)點。MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應的

38、處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，并應用現(xiàn)代信息技術的最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。 完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。 從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng) MEMS技術是一種多學科交叉的前沿性領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子、機械、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、

39、材料科學、能源科學等4.2 MEMS技術v 4.2.2MEMS4.2.2MEMS技術的特點技術的特點 MEMS系統(tǒng)器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量級，微小的尺寸不僅使得MEMS能夠工作在一些常規(guī)機電系統(tǒng)無法介入的微小空間場合，而且意味著系統(tǒng)具有微小的質量和消耗，微小的尺寸通常還為MEMS器件帶來更高的靈敏度和更好的動態(tài)特性。80%以上的MEMS采用硅微工藝進行制作，使其具有大批量生產模式，制造成本因而得以大大降低。在單一芯片內實現(xiàn)機電集成也是MEMS獨有的特點。單片集成系統(tǒng)能夠避免雜合系統(tǒng)中有各種連接所帶來的電路寄生效應，因此可達到更高的性能并更加可靠，單片集成有利于節(jié)約成本。組件裝配特別

40、困難，目前許多MEMS都是設計成不需要裝配或者具有自裝配功能的系統(tǒng)。MEMS構件的加工絕對誤差小，使用的材料也較為單一，三維加工能力明顯不足。 沿著系統(tǒng)及產品小型化、智能化、集成化的發(fā)展方向，可以預見：MEMS會給人類社會帶來另一次技術革命，它將對21世紀的科學技術、生產方式和人類生產質量產生深遠影響，是關系到國家科技發(fā)展、國防安全和經濟繁榮的一項關鍵技術。4.2 MEMS技術v 4.2.3MEMS分類分類 （1）微傳感器 機械類：力學、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量傳感器。 磁學類：磁通計、磁場計。 熱學類：溫度計。 化學類：氣體成分、濕度、PH值和離子濃度傳感器。 生物學類

41、：DNA芯片。 （2）微執(zhí)行器：微馬達、微齒輪、微泵、微閥門、微開關、微噴射器、微揚聲器、 微諧振器等。 （3）微型構件：微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。 （4）微機械光學器件：微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等。 （5）真空微電子器件：它是微電子技術、MEMS技術和真空電子學發(fā)展的產物，具有極快的開關速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。主要包括場發(fā)射顯示器、場發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。 （6）電力電子器件：包括利用MEMS技術制作的垂直導電型MOS(V

42、MOS)器件、V型槽垂直導電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件。4.2 MEMS技術v 4.2.4MEMS4.2.4MEMS發(fā)展歷史發(fā)展歷史 MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。 第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據(jù)靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。 第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于

43、20世紀和21世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。4.2 MEMS技術v 4.2.5MEMS4.2.5MEMS的相關技術的相關技術 （1）微系統(tǒng)設計技術 主要是微結構設計數(shù)據(jù)庫、有限元和邊界分析、CAD/CAM仿真和模擬技術、微系統(tǒng)建模等，還有微小型化的尺寸效應和微小型理論基礎研究等課題，如：力的尺寸效應、微結構表面效應、微觀摩擦機理、熱傳導、誤差效應和微構件材料性能等。 （2）微細加工技術 主要指高深度比多層微結構的硅表面加工和體加工技術，利用X射線光刻、電鑄的LIGA和利用紫外線的準LIG

44、A加工技術；微結構特種精密加工技術包括微火花加工、能束加工、立體光刻成形加工；特殊材料特別是功能材料微結構的加工技術；多種加工方法的結合；微系統(tǒng)的集成技術；微細加工新工藝探索等。 （3）微型機械組裝和封裝技術 主要指粘接材料的粘接、硅玻璃靜電封接、硅硅鍵合技術和自對準組裝技術，具有三維可動部件的封裝技術、真空封裝技術等新封裝技術。 4.2 MEMS技術 （4）微系統(tǒng)的表征和測試技術。 主要有結構材料特性測試技術，微小力學、電學等物理量的測量技術，微型器件和微型系統(tǒng)性能的表征和測試技術，微型系統(tǒng)動態(tài)特性測試技術，微型器件和微型系統(tǒng)可靠性的測量與評價技術。 目前，常用的制作MEMS器件的技術主要有三種。 第一種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機械加工手段，即利用大機器制造小機器，再利用小機器制造微機器的方法。 第二種是以美國為代表的利用化學腐蝕或集成電路工藝技術對硅材料進行加工，形成硅基MEMS器件。 第三種是以德國為代表的LIGA（即光刻、電鑄和塑鑄）技術，它是利用X射線光刻技術，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結構的方法。4.2 MEMS技術v 4.2.6MEMS的發(fā)展前景的發(fā)展前景 MEMS技術正