微傳感器的結構:一種微質量傳感器的結構設計與優化

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摘要:

微傳感器的結構:一種微質量傳感器的結構設計與優化一種微質量傳感器的結構設計與優化DesignandOptimizationofaNewMicro-massSensor文章介紹了一種新型的微質量傳感器,通過測量QCM諧振頻率變化得出在

微傳感器的結構:一種微質量傳感器的結構設計與優化  第1張

微傳感器的結構:一種微質量傳感器的結構設計與優化

一種微質量傳感器的結構設計與優化

Design and Optimization of a New Micro -mass Sensor

文章介紹了一種新型的微質量傳感器,通過測量QCM諧振頻率變化得出在QCM傳感器表面吸附的微質量變化。文章還詳細介紹了QCM傳感器的設計和夾具的結構設計,并用ANSYS 9.0對QCM傳感器進行了三維有限元建模,分析了電極尺寸對有限元諧振元振動特性的影響,提出了優化設計的方案,最后進行了實驗。實驗結果與理論值基本相同,從而證明了結構設計的合理性。

年份2006

期數05

作者張翼 張培仁 王琪民 金恒華 周志良 蔣海峰

作者單位1 中國科學技術大學工程科學院,合肥;2 中國科學技術大學自動化系,合肥

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微傳感器的結構:微機電聲學傳感器的封裝結構

摘要:

本發明的微機電聲學傳感器的封裝結構,由第一,第二基板和側壁組成空腔,微機電聲學傳感器組件設于所述空腔內,所述第一基板具有與所述微機電聲學傳感器輸出端導電連接且用作表面貼裝電極的第一金屬部件,所述側壁具有與所述第一金屬部件導電連接的金屬通孔,所述第二基板具有與所述金屬通孔導電連接且也用作表面貼裝電極的第二金屬部件,由此可提高表面貼裝的靈活性,并可靈活安排微機電聲學傳感器組件,達到減小封裝體積,提高器件聲學性能的目的.

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微傳感器的結構:微機電系統

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微機電系統
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
審核
。
微機電系統(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System),也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等,指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統其內部結構一般在微米甚至納米量級,是一個獨立的智能系統。微機電系統是在微電子技術(半導體制造技術)基礎上發展起來的,融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。微機電系統是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。MEMS是一項革命性的新技術,廣泛應用于高新技術產業,是一項關系到國家的科技發展、經濟繁榮和國防安全的關鍵技術。
[1]
MEMS側重于超精密機械加工,涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。
[2]
常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產品。
中文名
微機電系統
外文名
Micro-Electro-Mechanical System
縮 寫
MEMS
性 質
先進的制造技術平臺
加 工
超精密機械加工
目錄
1
概念解析
2
發展歷史
3
系統特點
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微型化
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批量生產
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集成化
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方便擴展
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學科交叉
4
主要分類
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傳感
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生物
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光學
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射頻
5
應用領域
6
相關技術
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技術基礎
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應用研究
微機電系統概念解析
編輯
語音
MEMS全稱Micro Electromechanical System,微機電系統。是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置,其內部結構一般在微米甚至納米量級,是一個獨立的智能系統。主要由傳感器、動作器(執行器)和微能源三大部分組成。微機電系統涉及物理學、半導體、光學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫學、信息工程及生物工程等多種學科和工程技術,為智能系統、消費電子、可穿戴設備、智能家居、系統生物技術的合成生物學與微流控技術等領域開拓了廣闊的用途。常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等以及它們的集成產品。MEMS是一個獨立的智能系統,可大批量生產,其系統尺寸在幾毫米乃至更小,其內部結構一般在微米甚至納米量級。例如,常見的MEMS產品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm,甚至更小。微機電系統在國民經濟和軍事系統方面將有著廣泛的應用前景。主要民用領域是電子、醫學、工業、汽車和航空航天系統。
MEMS傳感器,尺寸微小
概括起來,MEMS具有以下幾個基本特點,微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產。MEMS技術的目標是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。 MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域,幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域,如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等。其研究內容一般可以歸納為以下三個基本方面: 1.理論基礎: 在當前MEMS所能達到的尺度下,宏觀世界基本的物理規律仍然起作用,但由于尺寸縮小帶來的影響(Scaling Effects),許多物理現象與宏觀世界有很大區別,因此許多原來的理論基礎都會發生變化,如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等,因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視,但難度較大,往往需要多學科的學者進行基礎研究。2. 技術基礎研究:主要包括微機械設計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術、微測量等技術基礎研究。3. 微機械在各學科領域的應用研究。
MEMS隱形眼鏡
美國已研制成功用于汽車防撞和節油的微機電系統加速度表和傳感器,可提高汽車的安全性,節油10%。僅此一項美國國防部系統每年就可節約幾十億美元的汽油費。微機電系統在航空航天系統的應用可大大節省費用,提高系統的靈活性,并將導致航空航天系統的變革。在軍事應用方面,美國國防部高級研究計劃局正在進行把微機電系統應用于個人導航用的小型慣性測量裝置、大容量數據存儲器件、小型分析儀器、醫用傳感器、光纖網絡開關、環境與安全監測用的分布式無人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機電系統為基礎制造的加速度表,它能承受火炮發射時產生的近10.5個重力加速度的沖擊力,可以為非制導彈藥提供一種經濟的制導系統。設想中的微機電系統的軍事應用還有:化學戰劑報警器、敵我識別裝置、靈巧蒙皮、分布式戰場傳感器網絡等。
微機電系統發展歷史
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語音
微機電系統是從微傳感器發展而來的,已有幾次突破性的進展:70年代微機械壓力傳感器產品問世80年代末研制出硅靜電微馬達90年代噴墨打印頭,硬盤讀寫頭、硅加速度計和數字微鏡器件等相繼規?;a充分展示了微系統技術及其微系統的巨大應用前景
微機電系統系統特點
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語音
膠囊內鏡,可用于消化系統拍照檢查等
微機電系統是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成,尺寸通常在毫米或微米級,自八十年代中后期崛起以來發展極其迅速,被認為是繼微電子之后又一個對國民經濟和軍事具有重大影響的技術領域,將成為21世紀新的國民經濟增長點和提高軍事能力的重要技術途徑。微機電系統的優點是:體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩定等。微機電系統的出現和發展是科學創新思維的結果,使微觀尺度制造技術的演進與革命。微機電系統是當前交叉學科的重要研究領域,涉及電子工程、材料工程、機械工程、信息工程等多項科學技術工程,將是未來國民經濟和軍事科研領域的新增長點。MEMS(微機電系統)最初大量用于汽車安全氣囊,而后以MEMS傳感器的形式被大量應用在汽車的各個領域,隨著MEMS技術的進一步發展,以及應用終端“輕、薄、短、小”的特點,對小體積高性能的MEMS產品需求增勢迅猛,消費電子、醫療等領域也大量出現了MEMS產品的身影。
微機電系統
1)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。2)以硅為主要材料,機械電器性能優良:硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢。3)批量生產:用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產可大大降低生產成本。4)集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體,或形成微傳感器陣列、微執行器陣列,甚至把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的MEMS。5)多學科交叉:MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。MEMS發展的目標在于,通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統,開辟一個新技術領域和產業。MEMS可以完成大尺寸機電系統所不能完成的任務,也可嵌入大尺寸系統中,把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。21世紀MEMS將逐步從實驗室走向實用化,對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防和科學發展產生重大影響。微機電系統是微米大小的機械系統,其中也包括不同形狀的三維平板印刷產生的系統。這些系統的大小一般在微米到毫米之間。在這個大小范圍中日常的物理經驗往往不適用。比如由于微機電系統的面積對體積比比一般日常生活中的機械系統要大得多,其表面現象如靜電、潤濕等比體積現象如慣性或熱容量等要重要。它們一般是由類似于生產半導體的技術如表面微加工、體型微加工等技術制造的。其中包括更改的硅加工方法如壓延、電鍍、濕蝕刻、干蝕刻、電火花加工等等。微機電系統是指集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統,是一個獨立的智能系統。主要由傳感器、作動器和微能源三大部分組成。微機電系統具有以下幾個基本特點,微型化、智能化、多功能、高集成度。微機電系統。它是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統微機電系統。微機電系統涉及航空航天、信息通信、生物化學、醫療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領域。微機電系統的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機械工藝和其他特種加工工種。微機電系統技術基礎主要包括設計與仿真技術、材料與加工技術、封裝與裝配技術、測量與測試技術、集成與系統技術等。特點
MEMS產品體積微小
①和半導體電路相同,使用刻蝕、光刻等制造工藝,不需要組裝、調整;②進一步可以將機械可動部、電子線路、傳感器等集成到一片硅板上;③它很少占用地方,可以在一般的機器人到不了的狹窄場所或條件惡劣的地方使用;④由于工作部件的質量小,高速動作可能;⑤由于它的尺寸很小,熱膨脹等的影響??;⑥它產生的力和積蓄的能量很小,本質上比較安全。優勢經濟利益:1.大批量的并行制造過程;2.系統級集成;3.封裝集成;4.與IC工藝兼容。技術利益:1.高精度;2.重量輕,尺寸??;3.高效能。
微機電系統微型化
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。MEMS系統與一般的機械系統相比,不僅體積縮小,而且在力學原理和運動學原理,材料特性、加工、測量和控制等方面都將發生變化。在MEMS系統中,所有的幾何變形是如此之小(分子級),以至于結構內應力與應變之間的線性關系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之間的分子相互作用力引起的,而不是由于載荷壓力引起。MEMS器件以硅為主要材料。硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當。密度類似于鋁,熱傳導率接近銅和鎢,因此MEMS器件機械電氣性能優良。
微機電系統批量生產
MEMS采用類似集成電路(IC)的生產工藝和加工過程,用硅微加工工藝在一硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。使MEMS有極高的自動化程度,批量生產可大大降低生產成本;而且地球表層硅的含量為2%。幾乎取之不盡,因此MEMS產品在經濟性方面更具競爭力。
微機電系統集成化
微機電系統元件(2張)
MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制動方向的多個傳感器或執行器集成于一體,或形成微傳感器陣列和微執行器陣列。甚至把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出高可靠性和穩定性的微型機電系統。
微機電系統方便擴展
由于MEMS技術采用模塊設計,因此設備運營商在增加系統容量時只需要直接增加器件/系統數量,而不需要預先計算所需要的器件/系統數,這對于運營商是非常方便的。
微機電系統學科交叉
集中了當今科學技術發展的許多尖端成果。通過微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系統,將開辟一個新技術領域。
微機電系統主要分類
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語音
微機電系統傳感
傳感MEMS技術是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器,按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的發展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類探索自然界的觸角,是各種自動化裝置的神經元,且應用領域廣泛,未來將備受世界各國的重視。
微機電系統生物
生物MEMS技術是用MEMS技術制造的化學/生物微型分析和檢測芯片或儀器,有一種在襯底上制造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網絡、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件并集成為多功能芯片??梢詫崿F樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和后處理等分析全過程。它把傳統的分析實驗室功能微縮在一個芯片上。生物MEMS系統具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實時通信、連續檢測的特點。國際上生物MEMS的研究已成為熱點,不久將為生物、化學分析系統帶來一場重大的革新。
微機電系統光學
MEMS光學掃描儀隨著信息技術、光通信技術的迅猛發展,MEMS發展的又一領域是與光學相結合,即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術,開發新型光器件,稱為微光機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產、可精確驅動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面:一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備,主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調制,典型代表為數字微鏡陣列芯片和光柵光閥:二是通信系統,主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發生預期的改變,較成功的有光開關調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術,開展這個領域的科學技術研究,可以帶動大量的新概念的功能器件開發。
微機電系統射頻
射頻MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器,可動的MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為由微機械開關、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面;由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面;由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。隨著時間的推移和技術的逐步發展,MEMS所包含的內容正在不斷增加,并變得更加豐富。世界著名信息技術期刊《IEEE論文集》在1998年的MEMS專輯中將MEMS的內容歸納為:集成傳感器、微執行器和微系統。人們還把微機械、微結構、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS范疇。制作MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。微加工技術的主要內容有:硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制作高深寬比結構的LIGA技術等。利用微電子技術可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術很適合于制作某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應室、微執行器、微機械等,這就能充分發揮微電子技術的優勢,利用MEMS技術大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛星。MEMS技術是一個新興技術領域,主要屬于微米技術范疇。MEMS技術的發展已經歷了10多年時間,大都基于現有技術,用由大到小的技術途徑制作出來的,發展了一批新的集成器件,大大提高了器件的功能和效率,已顯示出了巨大的生命力。MEMS技術的發展有可能會像微電子一樣,對科學技術和人類生活產生革命性的影響,尤其對微小衛星的發展影響更加深遠,必將為大批量生產低成本高可靠性的微小衛星打開大門。
微機電系統應用領域
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在噴墨打印機里作為壓電元件在汽車里作為加速規來控制碰撞時安全氣囊防護系統的施用在汽車里作為陀螺來測定汽車傾斜,控制動態穩定控制系統在輪胎里作為壓力傳感器,在醫學上測量血壓數字微鏡芯片在計算機網絡中充當光交換系統,這是一個與智能灰塵技術的融合設計微機電系統最重要的工具是有限元分析。
微機電系統相關技術
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微機電系統技術
微機電系統有多種原材料和制造技術,選擇條件是系統的應用、市場等等。硅硅是用來制造集成電路的主要原材料。由于在電子工業中已經有許多實用硅制造極小的結構的經驗,硅也是微機電系統非常常用的原材料。硅的物質特性也有一定的優點。單晶體的硅遵守胡克定律,幾乎沒有彈性滯后的現象,因此幾乎不耗能,其運動特性非??煽?。此外硅不易折斷,因此非??煽?,其使用周期可以達到上兆次。一般微機電系統的生產方式是在基質上堆積物質層,然后使用平板印刷和蝕刻的方法來讓它形成各種需要的結構。表面微加工表面微加工是在硅芯片上沉積多晶硅然后進行加工。深層刻蝕深層刻蝕如深層反應離子刻蝕技術向硅芯片內部刻蝕??涛g到芯片內部的一個犧牲層。這個犧牲層在刻蝕完成后被腐蝕掉,這樣本來埋在芯片內部的結構就可以自由運動了。體型微加工體型微加工與深層刻蝕類似,是另一種去除硅的方法。一般體型微加工使用堿性溶液如氫氧化鉀來腐蝕平板印刷后留下來的硅。這些堿溶液腐蝕時的相對各向異性非常強,沿一定的晶體方向的腐蝕速度比其它的高1000倍。這樣的過程往往用來腐蝕v狀的溝。假如選擇的原材料的晶向足夠精確的話這樣的溝的邊可以非常平。高分子材料雖然電子工業對硅加工的經驗是非常豐富和寶貴的,并提供了很大的經濟性,但是純的硅依然是非常昂貴的。高分子材料非常便宜,而且其性能各種各樣。使用注射成形、壓花、立體光固化成形等技術也可以使用高分子材料制造微機電系統,這樣的系統尤其有利于微液體應用,比如可攜測血裝置等。金屬金屬也可以用來制造微機電系統。雖然比起硅來金屬缺乏其良好的機械特性,但是在金屬的適用范圍內它非??煽?。
微機電系統技術基礎
MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面:(1)設計與仿真技術;(2)材料與加工技術(3)封裝與裝配技術;(4)測量與測試技術;(5)集成與系統技術等。
微機電系統應用研究
人們不僅要開發各種制造MEMS的技術,更重要的是如何將MEMS技術與航空航天、信息通信、生物化學、醫療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領域相結合,制作出符合各領域要求的微傳感器、微執行器、微結構等MEMS器件與系統。微機電系統在生物醫學方面的一個應用----膠囊式內窺鏡系統。膠囊式內窺鏡系統在低功耗數?;旌霞呻娐沸酒鉀Q方案、低功耗SOC系統設計、射頻無線啟動開關、醫學圖像處理以及高清數字視頻的研發等方面。大方向有三類:RF MEMS;射頻,比如relay,switch,可變電容,諧振器……BIO-MEMS;生物,比如微全分析系統。POWER MEMS.微能量采集,比如微馬達。
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千度杜
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參考資料
1.

董永貴.微型傳感器:清華大學出版社,2007:6-14
2.

劉昶,黃慶安譯.微機電系統基礎:機械工業出版社,2007:25-40
微傳感器的結構:一種微質量傳感器的結構設計與優化  第2張

微傳感器的結構:智能傳感器的結構及特點

隨著測控系統自動化、智能化的發展,傳統的傳感器已經不能滿足一定的數據處理能力以及自檢、自校、自補償的功能,智能傳感器和多功能傳感器的研發和應用已經走向市場。
智能傳感器的結構及特點
傳感器像人的五官一樣,是獲取信息的重要工具。它在工業生產、國防建設和科學技術領域發揮著巨大的作用。但與飛速發展的計算機相比較,作為“五官”的傳感器遠遠趕不上作為“大腦”的計算機的發展速度。
隨著測控系統自動化、智能化的發展,要求傳感器準確度高、可靠性高、穩定性好,而且具備一定的數據處理能力,并能夠自檢、自校、自補償。傳統的傳感器已不能滿足這樣的要求。
另外,為制造高性能的傳感器,光靠改進材料工藝也很困難,需要利用計算機技術與傳感器技術相結合,彌補其性能的不足,計算機技術使傳感器技術發生了巨大的變革,微處理器(或微計算機)和傳感器相結合,產生功能強大的智能傳感器。國外稱為Intelligentsensor(智能傳感器)或Smartsensor(靈巧的、機敏的、智能傳感器)。另外,傳統的傳感器一般只能測量一個參數,有些場合需要同時測量多個參數的體積小的多功能傳感器?,F在多國科學家已重視這一方向的開拓,并已研制出一些多功能傳感器。
1、智能傳感器
智能傳感器是當今國際科技界研究的熱點,尚無統一的、確切的定義。本文不討論(Intelligentsensor或Smartsensor)兩個術語的區別,統稱為智能傳感器。
目前國內外學者普遍認為,智能傳感器是由傳統的傳感器和微處理器(或微計算機)相結合而構成的,它充分利用計算機的計算和存儲能力,對傳感器的數據進行處理,并能對它的內部行為進行調節,使采集的數據最佳。智能傳感器的功能如下:
(1)自補償能力:
通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應時間等進行自動補償。
(2)自校準功能:
操作者輸入零值或某一標準量值后,自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。
(3)自診斷功能:
接通電源后,可對傳感器進行自檢,檢查傳感器各部分是否正常,并可診斷發生故障的部件。
(4)數值處理功能:
可以根據智能傳感器內部的程序,自動處理數據,如進行統計處理,剔除異常值等。
(5)雙向通信功能:
微處理器和基本傳感器之間構成閉環,微處理機不但接收、處理傳感器的數據,還可將信息反饋至傳感器,對測量過程進行調節和控制。
(6)信息存儲和記憶功能。
(7)數字量輸出功能:
輸出數字信號,可方便的和計算機或接口總線相連。
目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統的傳感器只能作為敏感元件,檢測物理量的變化,而智能傳感器則包括測量信號調理(如濾波、放大、A/D轉換等)、數據處理以及數據顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能??梢娭悄軅鞲衅鞯墓δ芤蜒由斓絻x器的領域。
早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經處理和轉化后由接口送到微處理機進行運算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心,把傳感器信號調節電路、微電子計算機存貯器及接口電路集成到一塊芯片上,使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術有了進一步的提高,使傳感器實現了微型化、結構一體化、陣列式、數字式,使用方便、操作簡單,并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數據存貯功能、多參量測量功能、聯網通信功能、邏輯思維以及判斷功能。
隨著科學技術的發展,智能傳感器的功能將逐步增強,它將利用人工神經網、人工智能、信息處理技術(如傳感器信息融合技術、模糊理論等),使傳感器具有更高級的智能,具有分析、判斷、自適應、自學習的功能,可以完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務。
智能傳感器大體上可以分三種類型:即具有判斷能力的傳感器;具有學習能力的傳感器;具有創造能力的傳感器。
2、智能傳感器的結構

智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計算機)及相關電路組成。
傳感器將被測的物理量轉換成相應的電信號,送到信號調理電路中,進行濾波、放大、模-數轉換后,送到微計算機中。計算機是智能傳感器的核心,它不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、數據處理,還可以通過反饋回路對傳感器進行調節。由于計算機充分發揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務,從而大大降低傳感器制造的難度,提高傳感器的性能,降低成本。

智能傳感器的結構可以是集成的,也可以是分離式,按結構可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是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。這種集成的傳感器在目前的技術水平下還很難實現。將傳感器和微處理器、信號處理電路作在不同的芯片上,則構成混合式的智能傳感器(HybridSmart2Sensor)。
目前這類結構較多。初級的智能傳感器也可以有許多互相獨立的模塊組成,如將微計算機、信號調理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內,則組高,體積較大,但在目前的技術水平下,仍不失為一種實用的結構形式。
智能傳感器的應用領域廣泛
1)在智慧農業中的運用
由于環境的特殊性,農業項目大多都在田間進行,校正操作非常的不方便,人工成本也非常高,因此對傳感器數據穩定性的要求非常高,智能傳感器是最有效的一種傳感器。
2)在工業自動化中的應用
在現代工業生產尤其是自動化生產過程中,要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,并使產品達到最好的質量??梢哉f,沒有了優良的智能傳感器,工業自動化也就無從談起。
3)在機器人中的應用
如今的機器人已具有類似人一樣的肢體及感官功能,有一定程度的智能,動作程序靈活,在工作時可以不依賴人的操縱,而這一切都少不了傳感器的功勞,傳感器是機器人感知外界的重要幫手。
4)在智慧醫療中的應用
隨著智能傳感器的發展,醫學智能傳感器作為拾取生命體征信息的五官,它的作用日益顯著,并得到廣泛應用。如:在圖像處理、臨床化學檢驗、生命體征參數的監護監測、呼吸、神經、心血管疾病的診斷與治療等方面,智能傳感器的作用不可替代,未來它在現代醫學儀器設備中幾乎無所不在。
5)在智能家電中的應用
智能家居是未來的一大趨勢,而智能家電將是很多家庭的必備產品,智能傳感器未來在很多家電中均可應用,如電視劇、風扇、空調、洗衣機、晾衣機、冰箱、衣柜等,它是實現人與家電交流的基本器件,也是構成家居物聯網的基礎。
我國智能傳感器行業發展的不足
1、關鍵技術尚未突破
傳感器的設計技術囊括了多種學科、理論、材料和工藝知識,突破起來十分困難,目前,在人才匱乏、研發成本高昂、企業惡性競爭激烈的情況下,我國還沒有突破傳感器一些共性關鍵技術。
2、產業化能力不足
由于我國企業技術實力的落后,行業發展規范尚未形成,導致國內傳感器產品不配套且不成系列,重復生產、惡性競爭的現象的多發,使得產品可靠性較差、低端偏移較為嚴重,產業化程度與品種和系列不成正比,只能長期依賴國外進口。
3、資源不集中
目前我國傳感器企業又1,600余家,但大都以小微企業為主,盈利能力不強,缺乏技術引領的龍頭企業,最終導致資金、技術、企業布局、產業結構、市場等方面都變現出分散的狀態,資源得不到有效集中,產業發展也遲遲無法走向成熟。
4、高端人才較為匱乏
由于傳感器行業發展處于起步階段,資金、技術和產業基礎都較為薄弱,加之涉及學科多,要求知識面廣,新技術層出不窮,導致很難吸引到高端人才投身其中。此外,我國人才培養機制的不完善、不合理,也導致行業面臨人才缺乏問題。
智能傳感器技術發展及趨勢
1、向高精度發展
隨著自動化生產程度的提高,對傳感器的要求也在不斷提高,必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。
2、向高可靠性、寬溫度范圍發展
傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能,研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發展新興材料( 如陶瓷) 傳感器將很有前途。
3、向微型化發展
各種控制儀器設備的功能越來越強,要求各個部件體積越小越好,因而傳感器本身體積也是越小越好,這就要求發展新的材料及加工技術,目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的,體積較大、穩定性差、壽命也短,而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。
4、向微功耗及無源化發展
傳感器一般都是非電量向電量的轉化,工作時離不開電源,在野外現場或遠離電網的地方,往往是用電池供電或用太陽能等供電,開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向,這樣既可以節省能源又可以提高系統壽命。目前,低功耗損的芯片發展很快,如T 運算放大器, 靜態功耗只有1.5 A, 而工作電壓只需2~ 5V.
5、向智能化數字化發展
隨著現代化的發展,傳感器的功能已突破傳統的功能,其輸出不再是單一的模擬信號( 如0~ 10mV) , 而是經過微電腦處理好后的數字信號, 有的甚至帶有控制功能, 這就是所說的數字傳感器。
6、向網絡化發展
網絡化是傳感器發展的一個重要方向,網絡的作用和優勢正逐步顯現出來。網絡傳感器必將促進電子科技的發展。
智能傳感器是物聯網發展的最重要的技術之一,在為傳統行業注入新鮮血液的同時也引領了傳感器產業的潮流,在醫學、工業、海洋、航天、軍事、農業等領域均發揮著核心作用,隨著智能傳感器技術的發展,新一代智能傳感器將結合人工神經網絡、人工智能等技術不斷完善其功能,具有十分可觀的發展前景。
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