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第8章硬件技术学习任务微电子机械系统（MEMS）移动设备内置传感器硬件平台数字化传感器及网络接口技术Clicktoaddtitleinhere123本章主要涉及：8.1微电子机械系统（MEMS）•微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystem）简称MEMS，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、电源等于一体的机械装置。•它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。8.1.1MEMS简介•MEMS在美国称为微机电系统，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，•它是指可批量制作的，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。微电子机械系统（MEMS）8.1.1MEMS简介•微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。•它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。8.1.2发展概述•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。8.1.2发展概述•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曲线，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。8.1.2发展概述•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。8.1.2发展概述•目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。•推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。8.1.3微电子机械系统的应用领域•MEMS用于取代现有仪器或系统中的元器件，最终发展方向是取代现有大系统的集成微光机电系统（MicroOpticalElectroMechanicalSystem，MOEMS）。•MEMS目前主要应用在微机械元器件制造、信息、汽车工业、生物医学工程、航空航天、国防军事等多个领域。8.1.3微电子机械系统的应用领域（1）微机械元器件制造领域•微马达、微镊子、微齿轮、微开关、微电感、微透镜阵列、微射流器件等，它可使现有仪器设备体积更小、重量更轻、能耗更低、可靠性更高。（2）信息领域•硬盘、光盘读写头、喷墨打印头，光开关、光衰减器、光滤波器、射频开关、射频移相器、数字微镜器件（digitalmirrordevice，DMD）、蜂窝电话元器件等都已采用MEMS技术制造。8.1.3微电子机械系统的应用领域（3）汽车工业•汽车上用于保护驾驶员安全的安全气囊是最成熟的MEMS系统。此外，汽车上的压力传感器、废气传感器、碰撞传感器、电喷控制、空气流量传感器和陀螺等也应用了MEMS技术。（4）生物医学工程•MEMS技术还可用于制造药物输出系统，如微泵、微阀、药物喷雾器等。同时，血压传感器、血糖分析传感器、生物芯片、心脏起搏器和植入式微系统等均在研发中。8.1.3微电子机械系统的应用领域（5）航空航天领域•微陀螺、微加速度计、用于姿态控制的微推进系统、微机械红外非制冷成像系统、微飞行器和微（纳、皮）卫星等仪器中也有所应用。（6）国防军事领域•化学武器识别系统、武器安全引爆系统、敌我识别系统、用于地雷探索的磁强传感器，智能炮弹、导弹和微型侦察机等。MEMS陀螺仪8.1.4微电子机械系统技术•微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。（1）MEMS的材料•包括导体、半导体和绝缘材料几类。根据不同的使用环境，MEMS材料要求耐高温、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。•在微传感器和微执行器的制造中，MEMS需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。8.1.4微电子机械系统技术（2）MEMS设计与模拟技术•MEMS设计与模拟技术包括了专用集成电路（applicationspecificintegratedcircuit，ASIC）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。8.1.4微电子机械系统技术(3)MEMS加工技术•MEMS加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。•MEMS硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。8.1.4微电子机械系统技术(4)非硅MEMS微加工技术•非硅MEMS微加工技术包括LIGA、激光、电火花等微加工技术。•LIGA技术是Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个德语单词的缩写，该技术包含了同步辐射X射线光刻、微电铸和微复制三个工艺步骤，能制备高深宽比聚合物和金属微结构，并能采用微复制工艺进行批量生产。8.1.4微电子机械系统技术(5)MEMS封装技术•MEMS封装技术的目的是建立微传感器和微执行器与专用集成电路的连接，并减少外部环境对微传感器和微执行器工作的影响。•MEMS封装技术包括倒焊装、重布线、密封封装和真空封装等。•设计MEMS器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为要满足工作在严酷环境条件下的需求,例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和EMI/RFI等。8.1.4微电子机械系统技术(6)MEMS测试技术•MEMS测试技术主要是对微传感器和微执行器的性能，如微结构力学性能、MEMS器件的光学性能、电学性能、以及量程、分辨率、响应频率等进行测试。•可靠性测试是MEMS产品进入市场的前提，其内容包括了高低温、使用环境、振动、疲劳、使用寿命等方面的测试。8.1.5产品应用实例①苹果iPhone•iPhone将使用MEMS陀螺仪，比如保龄球、高尔夫等运动游戏。另外，该项技术还可以将iPhone和桌面PC游戏结合在一起。②奥林巴斯数码相机u1050SW•使用者可通过敲击LCD显示屏或机身外壳来改变设置、拍照和查看拍摄的照片。例如，当使用者在滑雪坡道上拍照时，无需脱下手套即可操作相机。8.1.5产品应用实例③GPS辅助导航•MEMS压力传感器可以使GPS导航更精确，SensorPlatforms公司和其它供应商都在开发集成有MEMS航位推算功能的系统，这样你的导航系统就可以跟随你进入建筑物内（甚至是地铁）而不迷路。•它的开发者在开发把GPS、相机、MEMS传感器集成在一个平台，这样导航系统不但知道使用者身处何处，还知道使用者看到些什么，这样屏幕上的数据交互以确定你寻找的建筑物。8.2移动设备内置传感器硬件平台•有许多传感器可供节点平台使用，使用哪种传感器往往由具体的应用需求以及传感器本身的特点决定。•需要根据处理器与传感器的交互方式：通过模拟信号和通过数字信号，选择是否需要外部模数转换器和额外的校准技术。8.2.1内置传感器8.2.2微处理器•微处理器是无线传感节点中负责计算的核心，目前的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转化器、数字IO等，这种深度集成的特征使得它们非常适合在无线传感器网络中使用。•影响节点工作整体性能的微处理器关键性能包括功耗特性，唤醒时间（在睡眠/工作状态间快速切换），供电电压（长时间工作），运算速度和内存大小。8.2.2微处理器常用微处理器及其关键特性8.2.3通信芯片•通信芯片是无线传感节点中重要的组成部分，在一个无线传感节点的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多，在目前常用的节点上，CPU在工作状态电流仅500uA，而通信芯片在工作状态电流近20mA。•通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标。发射功率越大，接受灵敏度越高，信号传输距离越远。8.2.3通信芯片常用通信芯片：•CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式时速率只能达到19.2Kbps•CC2420：工作频率2.4GHz，是一款完全符合IEEE802.15.4协议规范的芯片；传输率250Kbps8.2.3通信芯片常用通信芯片及其关键特性8.3数字化传感器及网络接口技术•随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微电脑处理好的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。•随着计算机的飞速发展以及单片机的日益普及，世界进入了数字时代，人们在处理被测信号时首先想到的是电脑（单片机或计算机），具有输出信号便于电脑处理的传感器就是数字传感器。8.3.1数字传感器数字传感器的特点是：•①数字传感器将模拟信号转换成数字信号输出，提高了传感器输出信号抗干扰能力，特别适用于电磁干扰强、信号距离远的工作现场；•②软件对传感器线性修正及性能补偿，减少系统误差；•③一致性与互换性好。8.3.1数字传感器•模拟传感器产生的信号经过放大、转换、线性化及量纲处理后变成纯粹的数字信号，该数字信号可根据要求以各种标准的接口形式（如232、422、485、USB等）与中央处理机相连，可以输出线性无漂移地再现模拟信号，按照给定程序去控制某个对象（如电动机）等。8.3.2传感器的网络化•传感器网络化的目标是采用标准的网络协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合起来。•敏感元件输出的模拟信号经AD转换及数据处理后，由网络处理装置根据程序的设定和网络协议（TCP/IP）将其封装成数据帧，并加以目的地址，通过网络接口传输到网络上。8.3.2传感器的网络化•反过来，网络处理器又能接收网络上其它节点传给自己的数据和命令，实现对本节点的操作，这样传感器就成为测控网中的一个独立节点。网络化传感器的基本结构如下图所示。网络化传感器的基本结构8.4未来的物联网硬件技术需要解决的问题和主要研究内容包括：•■纳米技术—设备和电路的微型化以及精巧化•■各种传感器技术—嵌入式传感器技术、嵌入式驱动装置技术•■衔接纳米和微系统的各种技术解决方案•■通信技术—天线技术、高效节能的射频（RF）前端技术•■纳米电子学—纳米电子元器件设备和纳米电子元器件技术，具有自主配置、优化电路体系结构。8.3.2传感器的网络化■聚合物电子学■嵌入式系统——微能源消耗和供给的微型处理器/微型控制器技术、硬件加速技术■低成本、高性能的安全识别/认证设备■低成本硬件制造技术■防篡改、抗干扰技术，在旁侧信息通道上具有感知能力或者具有警觉性的硬件设计技术8.5案例：M2M道路照明解决方案1.物联网道路照明系统结构结构•基于物联网道路照明系统通过在每盏路灯嵌入一个无线通信模块，使它们自组网络，接受控制中心的命令并将路灯的状态反馈给控制中心；•采用ZigBee技术与所管辖道路的所有路灯通信，采用GPRS与控制中心通信，根据控制中心的指令或时间和日照亮度对每盏路灯发出控制命令（路灯开启、关闭、照明度（功率大小）等），自动调节整条道路的功率平衡8.5案例：M2M道路照明解决方案无线通信M2M模块控制道路照明系统结构8.5案例：M2M道路照明解决方案2.无线采集通信模块无线采集模块的结构8.5案例：M2M道路照明解决方案•无线通信模块采用ZigBee