现代传感技术与系统》课件第四章

《现代传感技术与系统》课件第四章》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第四章智能传感器的外围技术§4.1微机电系统结构与元器件§4.2智能传感器的通信§4.3智能传感器的标准第四章1智能传感器的外围技术§4.1微机电系统结构与元器件4.1.1引言4.1.2面向微机电系统的微结构4.1.3微机电系统的常用元器件4.1.4其他微机械结构4.1.5微执行器的应用第四章2智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件4.1.1引言微小型化革命:微米／纳米技术应运而生利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微米／纳米结构；(导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生)利用精细加工手段加工出

2、微米／纳米级结构(导致了微机电系统的诞生)第四章3智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件MEMS系统是微电子技术的拓宽和延伸微电子技术与精密机械加工技术的融合实现了微电子与机械融为一体的功能。使半导体传感器应用于大型的机械控制大大提高了整个系统的性能:降低机电系统成本,完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务例:尖端直径为5μm的微型镊子可夹起一个红细胞；3mm大小的能够开动的小汽车；可在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。第四章4智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件MEMS技术的目标：通过系统的微型化、集成化来探

3、索具有新原理、新功能的元件和系统将电子系统和外部世界有机地联系起来：感受运动、光、声、热、磁等自然界信号；将这些信号转换成电子系统可以认识的电信号；通过电子系统控制这些信号、发出指令、控制执行部件完成所需操作具有许多传统传感器无法比拟的优点在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。第四章5智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。主要包含微型传感器、

4、执行器和相应的处理电路三部分：传感器把能量从一种形式转化为另一种形式，将现实世界的信号（如热、运动等信号）转化为系统可以处理的信号（如电信号）执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作信号处理器对信号进行转换、放大和计算等处理第四章6智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件事实上，前面第二章第三节中讨论过的微机械加工技术就是从属于MEMS的核心技术，然而，就MEMS整体而言，却有着更加丰富的内涵。从整体来看，它总是直接或间接地与智能传感器保持密切的关系，因此，除微机械加工技术之外，本节又选择该领域中一些其它相关

5、内容作为智能传感器的外围技术来讨论，主要有：面向MEMS的微结构微机电系统的常用元器件微执行器的应用等第四章7智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件4.1.2面向微机电系统的微结构MEMS与传统机加工小型化机器的差异对比：总体预装配形式与一个一个部件相接的装配形式；很多元素的高密度集成与离散元件之组成；以统一的集成形式实现与电子学的结合与采用导线的连接形式；2.5维的空间形式与三维结构（可装配成不同的形状与其功能紧密相连等）之差异等第四章8智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件MEMS受限于典型的IC基的构造

6、方法，只能允许我们制作平面结构的微电机、层叠式结构的多晶硅薄膜或深层防护下的二维掩膜模式的投影图像。因而很难仅通过改变机器的结构来实现各种不同的功能。然而，可以通过预装配、批量生产以及将电子线路与传感器尽可能地集成在一起、且通过逻辑电路和内部软件而同时实现各种功能。有很多基于IC-基的MEMS的复杂模式，那些集传感器、执行器和电子电路于一体的很多微模式的制作与单一模式的工艺制作过程相比，所需付出是完全一样的。第四章9智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件主要问题之一：微电机转动中的滑动表面摩擦。在MEMS涉及的微观领域

7、中，摩擦力遵循一个不合常规的定律：当特征维数L减少时，摩擦力与L2成比例，而惯性力与L3成比例，摩擦力的支配能力超过惯性力而阻止那些持续运动的微齿轮或微转子平滑地转动。目前针对微观领域的摩擦学研究，科研人员提出的几种建议：在运动件和固定件之间采用滚动接触而不是滑动接触；运动部件采用弹性支承；运动部件悬浮于空气中（以空气作为润滑剂）等。第四章10智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件为克服微机电系统上述局限的措施:由许多智能微模块组件组成的一个面向MEMS的结构体，这些模块有微执行器、传感器以及集成在其内部的电子电路等。

8、图4.1.1为这种系统的一个典型方案，它可以用所谓纤毛运动系统及其执行器的有关应用加以解释。这是一种源于多种动物器官、昆虫和显微镜下的微生物机制的创新思想。第四章11智能传感器的外围技术4.1微机电系统结构与元器件纤毛运动是指一种叫纤毛虫的微生物的运动方式，这种