微系统技术

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Example: 1 三维加速度传感器：
图2-1 带有冗余的改进型三维加速度传感器的模型
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该传感器可以辨别加速度的幅值和方 向。通过对基底上传感器的排列方向的适 当调整，加速度可以被分解到各个方向， 例如X方向和Y方向。 采用LIGA技术生产的加速度传感器测量 与基底面相切的加速度，各加速度传感器 在基底面上排列时相互垂直，通过传感器 的组合就可以测试基底平面上X，Y方向的 加速度大小。对于三维加速度传感器系统 必须引入其他的传感器，用以测量与基底 面相垂直方向的加速度。
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4 微系统的接口
概述：接口的功能是实现微系统与外部世 界的联系，接口主要包括连接到外部宏观 世界和从宏观世界连接到微系统的接口。 与微电子学中接口的差别：微系统不仅要 与宏观世界交换数据和信息，还要交换物 理参数，例如与外部热能、光能、机械能 和流体压力能的耦合连接。而微电子学中 接口仅限于处理电信号，相对来说实现较 为简单而且非常稳定。

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3. 1 微系统中传感器的信号处理
单个任务的最优化不是最重要的，最重要 的是整个系统的效率、可靠性和性能价格 比。 失效补偿、数据还原、分散采样的补偿、 校准和自检测等问题组合到一起构成了系 统性能的重要判据。

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传感器的信号采用数字化处理的必要性： 1 对传感器阵列老化和外部对传感器阵列的 影响可通过预先存储的特性曲线图来优化; 2 能够消除由于长距离数据传输产生的干扰 和外部环境强烈的电磁干扰而产生的误 差。 信号处理的几种结构： 最简单的情况下，信号处理微电子电路包 括实际的传感器，模拟信号前置放大器， 模拟/数字变换器（A/DC)和用于数字信号 前置处理的微处理器。

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图2-6 微系统与外部的典型接口类型，接口的类型分为信息、能量和物质
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表2-1 IES传输原理和传输元件
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在微系统设计中，接口和微系统与周围宏 装置耦合的概念是十分重要的。微耦合/宏 耦合相结合，实现了微系统与宏环境之间 的各种各样的通讯交流，通讯交流工作包 括传送一些规定的信息、能量和物质 (IES)。 耦合设计的内容：微/宏耦合的概念必须包 括在整个设计概念中。耦合设计包括微系 统内部和外部传输元件的制造和相应的 PCT(包装和连接技术)技术、最终的传输协 议标准、指导原则、必需的传输失效证 据。

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图2-7 微系统与宏观环境之间的IES传递
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IE(信息、能量)传递
电的微耦合/宏耦合 电的微耦合/宏耦合能够实现所有的微系 统与外部宏环境之间的耦合，IE变换可以用 电连接来实现。已经相当成熟的微电子学 接口技术，对于电的微耦合/宏耦合是一个 有力的的支持。图2-8所示为现有的微电子 系统结构与目前新研制的系统结构的比较 示意。

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个元件的控制端，同时它的输出反馈到自 己的控制端，从而形成一个线性放大器。
图2-பைடு நூலகம் 用液压开关构成的子系统 (a)三个液压开关连成的线性放大器；(b)带有反馈的液压开关
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3 信号处理

概述： 微系统的第三个功能模块是信号处理，数 据处理任务即对信号进行各种形式的处 理。从传感器阵列得到的实验数据流必须 进行并行处理，只有经过处理的数据才可 以用于控制执行元件，或者需要通过接口 传送到外部。
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3. 1 微系统中传感器的信号处理
微系统的信号处理主要是指在系统的开发 和使用过程中，对信号检测、信号分析和 信号产生过程问题的解决方案。 从传感器获得的信号通常是模拟量，模拟 量经过前置放大后转换为数字形式，多路 转换器将传感器阵列提供的信号流送到微 处理器进行“准”并行处理。

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机械微耦合/宏耦合 概念：所有在微系统和宏环境间进行IE(信 息、能量)传递的机械元件。包括由直接接 触的运动单元完成的IE传递以及建立在声学 原理基础上(例如超声波)实现的I(信息)传 递。 宏观力学知识是机械微耦合/宏耦合研制的 基础。宏观机械的原理在按比例缩小尺寸 的转换上需要通过加一些限制来实现，因 为像改变功率级别的修改可能结果会改变 整个系统的特性，小型化到亚微米级尺寸
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3. 2 传感器阵列的神经数据处理
概述：通过神经系统进行的人类生存信息 的处理与现在使用的数字数据处理技术存 在着根本的不同。对复杂信号处理任务， 神经数据处理是最理想的数据处理观念。 定义：通过模拟生物神经系统中的结构树 枝、细胞体和轴突的相互信息传导而设计 出来的用于数据处理的微电子学电路。
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微系统技术中传感器的研究重点是微处理 器控制的传感器阵列信号的数字化处理。 通过统计方法求平均值，或者对信号进行 分级采样，测量系统的质量和动态特性得 到了改善。 传感器阵列化的优点： 1 改善了可靠性：即使一个阵列中有个别 传感器失效了，系统还是安全的。 2 改善了测量质量：可以实现矢量数值和 方向的同时测量，如速度和加速度。

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后，在原理上会出现问题。因此小尺寸的 定制与制造必须研究出新的理论。一种新 理论来自仿生学。仿生学研究的是生物系 统，生物原理的技术转换也是研究的目 标。 超声波传递 在微系统应用中使用物理通道进行IE(信 息、能量)传递比较困难的场合，无线IE(信 息、能量)传递是非常有意义的。超声波传 递是无线I(信息)传递中的一种，但用超声波 传递E(能量)还比较困难。
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2 电子鼻
图2-2 由40个分别具有不同特性的传感器构成的电子鼻
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“电子鼻”是化学传感器阵列应用的一个实 例，基于离子敏感场效应管(ISFET)或传导 性的化学传感器。在传感器阵列中使用许 多传感器，每一种传感器有不同的特性， 复杂的化学物质可以被准确地鉴别出来。 这样的传感器阵列与适当的数据分析处理 相结合，就称之为“电子鼻”。
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3 循环结构： 循环结构是一种比较特殊的传感器配置形 式，物理量通过执行元件反馈回来。采用 这种配置形式的系统在比较宽的动态范围 内具有非常高的稳定性和抗过载能力。对 于循环结构的传感器系统，技术上要求执 行元件能够进行适当的补偿。
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图2-4 微系统中集成的传感器的不同排列配置形式 a.串型结构; b.并行结构; c.借助于执行元件带有反馈的循环结构; A/D=模拟/数字变换器，D/A=数字/模拟变换器，V/F=电压/频率变换器，BI=总 线接口，SE=传感器，AE=执行元件，Preamp=前置放大器，uC=徽处理器
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原理：利用基于压电的、电磁的或磁致伸 缩的声音转换。压电声音发射和声音接收 装置可以借助于在压电基底上带有标准平 面的导电垫来实现。因此压电超声传递在 微系统中的应用是最简单的。 优点：与电磁I(信息)传递相比较，超声波 I(信息)传递的优点是具有高的干扰稳定性。 同时，超声波I(信息)传递的调制与解调与 所有的调制与解调过程是兼容的。
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光学微耦合/宏耦合 光学的微耦合/宏耦合，包括所有以电磁 波形式传递的信号。这个传递既可以由透 明的光波传导介质(波导)来实现，也可以使 用空间的无线电波。近来光学波导结构在 微系统中的地位正不断地提高。
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光波耦合 光波耦合与电传递相比较的优点： 信号频带宽；高的信号传输速率；传输可 靠；电磁信号对噪声的不敏感性；电磁信 号对干扰的不敏感性；理想的电绝缘性； 大的温度应用范围；需要的空间较小。 光波耦合的功能质量和制造成本取决于将 来研制的封装技术和连接技术(PCT )。同 时，为了对微系统元件进行光学耦合调 整，高效仿真工具的研制和应用变得越来 越重要。
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2 执行元件

概述： 微系统的第二个功能模块由一个或多个执 行元件构成。在原理上执行元件与传感器 是相对应的，传感器将输入的物理或化学 参数转换为电或光信号输出，执行元件将 输入的电、光或热信号转换成力、转距、 位移和相位等物理参数输出。
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执行元件技术现状：微执行元件技术与传 感器技术相比较还有一些落后。在现有的 微电子元件上开发执行元件几乎是不可能 的。在控制机械摩擦和高难度密度封装方 面，微执行元件技术都存在一定的困难。 液压元件的运用：由于工作时可以避免机 械摩擦，使用液压元件做为执行元件的优 点是不可置疑的。液压开关元件带有一个 输入、两个输出和两个控制端。与电子开 关类似，一个液压元件的输出端控制第二
微系统的经济性与可行性评价：微系统设 计过程中，技术上可以采取多种方法，必 须在经济上做出最优选择，这种经济性的 重要性往往优于技术性。微元件是否适合 于微系统，也必须对封装过程的经济性和 连接技术的可行性进行评价，确定和提出 合适的元件标准和元件与系统的接口。 微系统的构成：一个完整的微系统由传感 器模块、执行元件模块、信号处理模块、 外部环境接口模块以及定位机构、支撑机 构、工具等机械结构等部分构成。
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1 微系统的定义
(微)系统的概念:微系统是一个由许多
独立元件组成的装置。

Example:微处理器 微处理器集成了许多独立元件，采用经 济、高密度封装技术封装在基体上，这些 独立元件集成在一起，各独立元件和子系 统之间采用复杂的连接技术形成了一个完 整的系统。
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图2-5 生物神经系统的原理和微电子学模拟 (a)生物神经系统原理； (b)微电子学模拟
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神经数据处理的优点与前景： 神经网络系统的优势是适合于构成大而复 杂的系统。未来的方向就是设计和分析带 有大量传感器并具有信号处理功能的神经 网络系统。神经网络系统可以应用到其他 领域。例如可以应用于垃圾的分类包装、 机场爆炸物的检查、股票市场兑换率的预 测等。

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1 链式结构： 将前面提到的结构模块按顺序排列而构 成。前置信号放大器直接连到传感器上， 信号处理的形式取决于传感器的类型。这 种结构对于数据处理非常方便，只需简单 的处理就可以将信号转换成数字形式。 2 并行结构： 通常传感器系统采用并行结构工作以适合 于线性信号处理和干扰信号处理。
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图2-8 系统结构 (a)现有的微电子系统结构示意; (b)新研制的系统结构示意; SE=传感器，AE=执行元件，AA=模拟信号放大器，F/D=频率/数字变换器
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模拟信号一般用数字计算机处理。来自 传感器的模拟信号的转换由A/D变换器完 成。执行元件大部分由模拟信号驱动，用 D/AC变换器实现数字/模拟信号的转换。 I(信息)传递采用电压信号可以减少信号损 耗。采用FM(调频)、PDM(脉宽调制)或模 拟信号的定时调节都可以达到提高抗噪声 干扰的目的。

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图1-1
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一个完整的微系统的不同功能部分
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2 组成微系统的四个模块

传感器 微系统技术与常规技术相比较，明显的差 异在于传感器技术方面。微系统对传感器 的可靠性有了越来越高的要求，同时要求 传感器有很高的准确性、敏感性、选择 性、寿命和与长时间工作漂移有关的稳定 性。化学传感器和生物传感器还必须不受 妨碍地暴露在未知的介质中，同时要避免 虚假信号的影响。

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4. 2 S(物质)传递

流体微耦合/宏耦合 所有对于S(物质)传递的说明都是针对像气 体和液体一样流体的微耦合/宏耦合。在物 质传送中同时还有E(能量)传递，而且流体 物质在传送过程中不能受到微系统流体元 件化学的或其他任何形式的干扰，也就是 受到吸附或解吸。
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