微系统技术基础微系统工作原理
微型计算机的系统结构与工作原理(程启明)
本章要点
本章从微机系统的总体框架入手，帮助学生建立起微机系 统的概念，并通过掌握数据格式间的转换，为后继学习奠定基 础。
本章的重点是微处理器、微机、微机系统的定义和及相互 关系，以及原码、补码、反码的计算。
本章的难点在于对微机系统结构的理解和数据格式的转换。
1.1 微 机 概 述
1.1.1 计算机的发展
1946年，第一台计算机在美国诞生。60多年来，根据计算 机采用的逻辑元件来分，计算机经历了电子管、晶体管、中 小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路计算机这5个阶 段，如图1-1所示。
图1-1 计算机采用的逻辑元件
Intel Intanium、Pentium D、Pentium EE、
1.1.3 微机的特点和应用范围
一、微机的特点
由于微机是采用LSI和VLSI组成的，因此它除了具有一般计算 机的运算速度快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断力强、自动工 作等特点外，还有其独特的优点。
（1）体积小、重量轻、功耗低。 （2）可靠性高、对使用环境要求低。 （3）结构简单、设计灵活、适应性强。 （4）性能价格比高。
字长与微处理器数据总线DB宽度不是同一个概念。如8088的字长16位，但 DB宽度仅8位；而Pentium系列的字长32位，但DB宽度64位。
二、按结构类型分类
（1）单片机 又称微控制器或嵌入式控制器，它将CPU、存储器、定时器／计 数器、中断控制，I/O接口等集成在一片芯片上。如MCS-51系列单片机8031、 8051、8751等。
微处理器（或称微处理机）是指由一片或几片大规模集成电 路组成的、具有运算器和控制器功能的中央处理器（CPU）。以 微处理器为核心的微机是计算机的第4代产品。
微机电系统技术及应用
微机电系统技术及应用微机电系统技术（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是指一种集成微型机械、电子和计算机技术的系统，它利用微型加工技术将传感器、执行器和电子元器件等多种功能集成到一个芯片上，从而实现在微小空间内进行感测、信号处理和控制的复杂系统。
自20世纪80年代以来，MEMS技术在各个领域得到了广泛的应用，成为现代科技进步的重要方向之一。
一、MEMS技术的基本原理MEMS技术的实现基于微机械制造技术，即利用光刻、蚀刻、离子注入、薄膜沉积、微调工艺等多种微加工技术，在硅基底板上制造出微型机械和微型电子元器件，将它们集成在一起实现控制系统的复杂功能。
常见的MEMS元件包括传感器和执行器两类。
传感器一般是将物理量转换成电信号输出的元件，MEMS传感器主要有压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、温度传感器、化学传感器等，它们的结构和工作原理各不相同。
以加速度传感器为例，它主要是通过微型悬臂等结构感受加速度的作用，在振动部件上加上感应电极，利用柔性连接器将机械运动转化成电信号输出。
执行器是将电信号转换成物理运动的设备，MEMS执行器主要有微型电机、微泵、微阀门和微喷头等。
以微型电机为例，它主要包括固定部件和旋转部件，其结构具有一定的复杂性。
电机的旋转部件通常采用转子-定子结构，采用MEMS技术可以制造出特殊形状的转子并将其悬挂在薄膜支撑结构上，转子与定子之间通过电容传感器实现控制，电容传感器输出的信号被用于控制电机的转速和方向。
二、MEMS技术的应用领域MEMS技术的应用范围非常广泛，包括空间、军事、医疗、汽车、电子信息等多个领域，在以下几个方面得到了广泛应用。
1.传感器MEMS传感器可以感测体积小、重量轻、功耗低、响应速度快、精度高等诸多优点，使之成为传感器领域的重要技术。
它广泛应用于汽车行业、工业自动化控制、医疗设备等领域，如安全气囊用于汽车碰撞检测、指纹识别传感器、手机加速度传感器等。
微型计算机系统原理及应用3篇
微型计算机系统原理及应用第一篇: 微型计算机系统的概述随着计算机技术的发展，计算机已经成为了我们日常生活中不可或缺的一部分。
微型计算机系统是我们日常使用的计算机中最为常见的一种，它广泛应用于个人和工业领域。
本文将对微型计算机系统进行概述，包括其定义、结构、组成部分以及应用。
一、微型计算机系统的定义微型计算机系统是指由微型计算机和相关设备组成的计算机系统，它是一种小型的、使用方便的数字计算机。
微型计算机系统可以单独应用，也可以联网使用，使用者既可以是个人也可以是企业、学校等机构。
二、微型计算机系统的结构微型计算机系统主要由三部分组成：硬件、软件和数据。
其中，硬件包括计算机主机、输入设备、输出设备、存储设备等组成部分；软件包括操作系统、应用软件等；数据则是指微型计算机系统中处理的信息和数据。
三、微型计算机系统的组成部分1.计算机主机计算机主机是微型计算机最重要的一个组成部分，它包含了CPU、内存、主板、BIOS等重要部件。
计算机主机的选购需要根据使用需求和预算做出决策。
2.输入设备输入设备是指微型计算机系统中用于输入数据和指令的设备，主要包括键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。
不同的输入设备适用于不同的场合和需求。
3.输出设备输出设备是指微型计算机系统中用于输出计算结果或其他数据的设备，主要包括显示器、打印机、语音设备等。
输出设备的质量和性能对于提高用户体验至关重要。
4.存储设备存储设备是指微型计算机系统中用于存储大量数据和程序的设备，包括硬盘、U盘、光盘等。
存储设备的选择需要考虑数据存储容量、数据传输速度和价格等因素。
四、微型计算机系统的应用微型计算机系统在日常生活和工业领域都有广泛的应用。
在个人领域，微型计算机可以用于处理文档、玩游戏、浏览网页等。
在工业领域，微型计算机可以应用于自动化、数据采集和控制等领域。
总之，微型计算机系统已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分，了解微型计算机系统的结构和应用对于提高用户体验和使用效率至关重要。
微机技术原理知识点总结
微机技术原理知识点总结微机技术是计算机科学与技术的一个重要分支，是现代信息社会的基石。
微机技术的发展对人类社会的生产、生活和文化产生了深远的影响。
微机技术主要包括微处理器技术、微系统技术、微机系统及应用等方面的内容。
下面就微机技术原理进行总结，从微处理器、微型计算机系统、微机应用等几个方面进行介绍。
一、微处理器技术1. 微处理器的发展微处理器是微机的核心部件，它起着控制和运算的作用。
20世纪70年代初，英特尔公司推出了8位微处理器8080，从此开启了微处理器技术的发展时代。
而后，英特尔公司相继推出了8085、8086等一系列产品，为微处理器技术的发展做出了贡献。
2. 微处理器的功能微处理器作为微机的核心组件，其功能主要包括指令译码、运算逻辑单元、寄存器组等内容。
其中，指令译码是微处理器对指令进行解码并执行相应的操作；运算逻辑单元则负责对操作数执行各种算术逻辑运算；寄存器组则存储指令、操作数及中间结果。
3. 微处理器的结构微处理器的结构主要包括控制单元、运算逻辑单元、寄存器组等部分。
其中，控制单元负责指令译码及执行整个微处理器的工作；运算逻辑单元则负责进行各种运算操作；寄存器组则存储数据和指令。
微处理器的结构经过了多次改进，如哈佛结构、冯诺伊曼结构等，以提高其运算效率。
4. 微处理器的性能参数微处理器的性能参数主要包括指令执行速度、执行效率、指令集等参数。
其中，指令执行速度是指微处理器执行指令的速度，其影响因素主要包括时钟频率、指令集等；执行效率是指微处理器在执行各种任务时的效率。
指令集则是微处理器所支持的指令种类及其格式，不同的微处理器支持的指令集不同。
5. 微处理器的发展趋势随着科技的不断发展，微处理器技术也在不断更新，其发展趋势主要包括多核技术、多线程技术、嵌入式技术等方向。
其中，多核技术是指将多个核心集成到一个处理器中，以提高微处理器的运算能力；多线程技术则是通过同时处理多条指令以提高微处理器的运算效率；而嵌入式技术则是将微处理器集成到各种设备中，以满足不同的需求。
微系统技术介绍
2
1 What Is MICROSYSTEMS
微系统是以微电子技术、射频与无线电技术、光学(或光电子学) 技术、微机电系统(MEMS)等技术为核心，从系统工程的高度出 发，通过封封、互连等精细加工技术，在框架、基板等载体上制 造、装配、集成微小型化功能装置。
我们所讨论的微系统大量应用于信息工程领域，因此微系统也可 以称为信息工程微系统。
4、什么是微电子封装(Microelectronic Packaging)
5、微电子封装发展进程(Development)
6、微系统封装技术的地位和作用(Role)
7、微系统封装中的技术挑战(The Challenge)
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2 微系统相关技术基础
Microsystems Products And Related Technologies Relations
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1 What Is MICROSYSTEMS
微系统与集成电路制造的关系（Cont.）
• 因此，微系统的整个制造过程，即芯片加工、集成组装、封装测试等要 比集成电路制造过程复杂得多。
• 微系统技术的发展已经使许多高速信息处理、大容量存储、超低功耗的 电子产品成为现实，未来的微系统产品将覆盖人类生活的方方面面。
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1 What Is MICROSYSTEMS
Typical 微系统产品
Smart Watches
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1 What Is MICROSYSTEMS
Typical 微系统产品
Multimedia Personal
Communication Terminal
微系统技术介绍.ppt
2.1、微电子技术(Microelectronics Technology) 2.2、射频与无线电技术(RF and Wireless Technologies) 2.3、光学技术(Optical Technology) 2.4、MEMS技术(MEMS Technology)
微系统概述
Contents
1、什么是微系统(MICROSYSTEMS)
2、微系统相关技术基础
2.1、微电子技术(Microelectronics Technology) 2.2、射频与无线电技术(RF and Wireless Technologies) 2.3、光学技术(Optical Technology) 2.4、MEMS技术(MEMS Technology)
3、什么是微系统封装(Micro System Packaging)
4、什么是微电子封装(Microelectronic Packaging)
5、微电子封装发展进程(Development)
6、微系统封装技术的地位和作用(Role)
7、微系统封装中的技术挑战(The Challenge)
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1 What Is MICROSYSTEMS
? 微系统是以微电子技术、射频与无线电技术、光学 (或光电子学 ) 技术、微机电系统 (MEMS) 等技术为核心，从系统工程的高度出 发，通过封封、互连等精细加工技术，在框架、基板等载体上制 造、装配、集成微小型化功能装置。
? 我们所讨论的微系统大量应用于信息工程领域，因此微系统也可 以称为信息工程微系统。
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1 What Is MICROSYSTEMS
Typical 微系统产品
Medical Spinal Cage Vsadek
集成化传感器和微系统课件
集成化传感器和微系统用于检测土壤中的 重金属、农药残留等有害物质，为土地治 理和农业可持续发展提供支持。
医疗领域的应用
总结词
精准医疗、改善生活质量
药物管理
通过集成化传感器和微系统，实现药物的精准投放和管理， 提高治疗效果并降低药物浪费。
生理参数监测
集成化传感器和微系统用于实时监测患者的体温、血压、 血糖等生理参数，为医生提供准确数据以便及时诊断和治 疗。
集成化传感器和微系统课件
• 集成化传感器和微系统概述 • 集成化传感器的技术原理 • 微系统的技术原理 • 集成化传感器和微系统的设计与实现 • 集成化传感器和微系统的挑战与解决方案 • 集成化传感器和微系统的应用案例
01
集成化传感器和微系统概述
定义与特点
定义
集成化传感器和微系统是指将传感器、 微电子器件、信号处理电路等集成在 一块芯片上，实现传感器的小型化、 智能化和多功能化。
集成化传感器和微系统的硬件实现
制造敏感元件
根据设计，制造传感器的 敏感元件，如热敏电阻、 光敏电阻等。
制造信号处理电路
制造用于放大、滤波、模 数转换等功能的信号处理 电路。
封装与测试
将敏感元件和信号处理电 路集成到一个微系统中， 并进行性能测试和校准。
集成化传感器和微系统的软件实现
开发数据采集程序
利用微系统传感器监测空气质量、水质、土 壤成分等环境参数。
医疗诊断
利用微系统传感器检测生物分子、细胞等生 物样本，实现早期诊断和治疗。
智能控制
利用微系统传感器和执行器实现智能控制， 如智能家居、智能交通等。
军事应用
利用微系统传感器和执行器实现军事设备的 微型化和智能化。
全面的微系统技术
一、微系统技术在微系统技术微系统技术的发展历史上，集成电路（IC）是技术的起点。
电子器件小型化和多功能信成是微加工技术的推动力。
如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就都不可能实现。
微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到20世纪80年代。
在这段萌芽时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究。
例如，开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。
在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的研究成果。
1967年，Westinghouse公司发明了一种谐振栅晶体管（RGT）。
它与传统的晶体管不同，RGT的电栅极不是固定在栅氧化层上，而是相对硅衬底可动。
由静电力控制栅电极和衬底之间的间距。
RGT是静电微执行器的最早实例。
佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。
喷嘴阵列喷射出热气泡膨胀所需液体体积大小的墨滴，如图1-1所示。
气泡破裂又将墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，为下一次喷墨做准备。
通过滴入红、蓝、黄三种基本色实现彩色打印。
图1-1在20世纪80年代后期，在微机械技术这个新领域的研究者主要是研究硅的应用——单晶硅衬底或者多晶硅薄膜。
多晶硅薄膜技术的应用产生了一些表面微机械加工的机械结构，如弹簧、传动机械和曲柄等。
20世纪90年代，全世界的微系统技术研究进入一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。
非常成功的例子有美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国Texas Instruments（仪器）公司用于投影显示的数字光处理芯片。
第二章微系统设计技术基础(2-1)_683303683
不足：掩模版、光刻技术难度大， 成本高
Tsinghua University Zhang Gaofei
§2.1 微系统制造技术分类
准LIGA工艺
UV-LIGA：美国威斯康星大学Henry Guckle教授等在1990 年研究开发出的工艺，用深紫外光的深度曝光来代替LIGA 工艺中的同步X射线深度曝光。用于刻蚀中等厚度光刻胶。
对于微系统的制造来说，就是设法用大机械制造小机械，小 机械制造微机械。
Tsinghua University Zhang Gaofei
§2.1 微系统制造技术分类
超精密机械加工制造技术
大机械制造小机械，小机械制造 微机械的这种加工方法在理论上 可以制造出任何形状的微型零件。
主要特点是：可用的材料比较多， 能加工的零件尺寸范围宽（微米 以上尺度的零件都可以加工）， 并且可以制造十分精致的复杂形 状，但制造成本相对比较高，不 太适合大批量的低成本制造，无 法与微电子电路实现单片集成制 造。
LIGA工艺制造技术包括光刻、电铸或铸塑这三个主要的工艺过 程。
LIGA制造技术类似于金属铸造加工的过程，可以用来制造许多 硅基底的微结构，可使用的材料也相对比较广泛。
Tsinghua University Zhang Gaofei
§2.1 微系统制造技术分类
LIGA工艺制造过程
光刻-电铸
§2.1 微系统制造技术分类
Tsinghua University Zhang Gaofei
§2.1 微系统制造技术分类
硅工艺制造技术的分类：体硅工艺（减法工艺） 和表面工艺（加法工艺）两种类型
微系统技术：颠覆未来作战的前沿技术！
微系统技术：颠覆未来作战的前沿技术！微系统是以微纳尺度理论为支撑，以微纳制造及工艺等为基础，不断融入微机械、微电子、微光学、微能源、微流动等各种技术，具有微感知、微处理、微控制、微传输、微对抗等功能，并通过功能模块的集成，实现单一或多类用途的综合性前沿技术。
微系统是一项多学科交叉的新兴高新技术，在信息、生物、航天、军事等领域具有广泛的应用前景，对于国家保持技术领先优势具有重要意义。
1引发武器装备重大变革与传统装置相比，微系统由于将各种功能高度集成，因此具有微型化、成本低、性能高等优点，广泛应用于仪器测量、无线通信、军事国防、生物化学、能源环境等领域。
微系统技术正处于向大规模应用转化的关键阶段，由微器件技术制造的芯片已经在诸多领域得到应用，将对武器装备发展与作战影响深远。
微系统对于武器装备发展具有革命性的影响。
微系统技术将多种先进技术高度融合，将传统各自独立的信息获取、处理、命令执行等系统融为一体，能够促进武器装备微小型化和智能化，对于加速武器装备系统性能的全面提高，有效降低尺寸、重量与成本等具有革命性的影响。
例如，采用微系统技术制造的导弹加速度计和陀螺仪的价格仅为原来的1/50，采用微系统技术研制的芯片级原子钟将比传统原子钟体积缩小100倍；由美国国防高级研究计划局（DARPA）主持、霍尼韦尔公司研制的“T-鹰”微型无人机已在阿富汗战场得到了实战检验，其质量仅为9千克，可飞行50分钟。
微系统技术是DARPA近十年来大力发展的现代前沿技术，对美国保持其国防科技领先优势具有重要意义。
自1992年以来，DARPA微系统技术办公室已经对微处理器、微机电系统和光子元器件等微电子产品进行了预先战略投资，取得了显著成果。
近年来，DARPA微系统技术办公室先后组织实施了上百项与先进微系统技术密切关联的研究开发计划，所涉及的项目全面覆盖了先进电子元器件和集成电路发展的前沿领域，例如宽禁带半导体技术、先进微系统技术、电子和光子集成电路、焦点中心研究计划、自适应焦平面阵列、光纤激光器革命、太赫兹成像焦平面技术、微机电系统（MEMS）、微型同位素电源等几十项研究计划。
MEMS技术(3 微系统的工作原理2-微执行器)
静电尺蠖执行器工作原理
1.6 静电微夹具
Kim等(1990，1992)演示了一种多晶硅静电 微爪，它仅需20V驱动电压就能获得10微米 位移量。它由一个7×5毫米的硅片，一个 位于硅衬底上的1.5 毫米长的硼掺杂支撑悬 臂梁（从硅片上伸出来）以及一个400微米 长的从支撑悬臂梁末端伸出的多晶硅悬伸 抓手组成。
微机械波形管执行器
表面微机械“波 形管”执行器， 这种执行器带有 一个环形的折叠 状薄膜结构，相 对于简单的薄膜， 这种结构可以得 到更大的偏移。
变相的热执行器包括加热时相态可 变的材料，这样体积发生膨胀从而 产生压力以及机械载荷。 例如，可以通过加热将水从液态转 变为气态，产生的气泡可以用作驱 动力。
1 1 r 0 AV 2 W CV 2 2 2 x
dW 1 r o AV 2 F dx 2 x2
Comb Drives
These are particularly popular with surface micromachined devices.
They consist of many interdigitated fingers. When a voltage is applied an attractive force is developed between the fingers, which move together. The increase in capacitance is proportional to the number of fingers; so to generate large forces, large numbers of fingers are required.
静电激励已经被用于实现旋转马达结构。 基本思路是制做一个能自由转动的中间转子， 四周布以电容极板，以合适的相位驱动，就 可使转子转动。 获得相对高的速度是可能的，最近在这种结 构的建模与设计方面已做了一些工作。可惜 的是，这些马达仅是许多流行出版物的广告 题材，几乎没有实际的应用。
3_微型计算机的组成及基本工作原理
1）运算器（主要由五部分组成）以8位微机为例
在控制器的控制下，对二进制数进行算术运算或逻辑运算。 1 算术逻辑运算单元 ALU （8位) 运算器的核心，以全加器为基础，辅以移位和控制逻辑组合而成 在控制器的控制下，可进行加减乘除算术运算和各种逻辑运算 2 累加器 A 由8位触发器组成的移位寄存器，
微型 计算机 硬件
外围 设备
I/O接口
微型 计算机 系统
系统软件 软件 应用软件
系统总线 输入设备 输出设备 …… 监控程序和操作系统 语言处理程序 数据库和数据库管理系统 诊断程序 ……
微型计算机的两大分支
核心 器件
微处理器 MPU MicroProcessor Unit 微控制器 MCU MicroController Unit
(2)微型计算机
多板微型计算机 单板微型计算机
MPU 为核心 半导体存储器（ROM/RAM) 单片微型计算机 I/O(Input/Output)接口和中断系统 系统总线（CB DB AB)
组装在一 块或数块 印刷电路 板上
(3)微型计算机系统
微处理器 (MPU) 内存储器
运算器 控制器 ROM RAM 串行接口 并行接口 中断接口 DMA接口 …… 数据总线 地址总线 控制总线
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ微处理器MPU
结构图
内部总线
累加器A
寄存器组PS 指令译码器ID 程序计数器PC 控制逻辑 控制信号 PSW 地址 寄存 器 算术逻辑单元ALU TMP
数据 寄存 器
外部数 据总线
指令寄存器IR
外部地 址总线
运算器
控制器
MPU的组成部分
1）运算器（主要由五部分组成）
微系统技术基础
我国也积极开展了有关研究工作。上海冶金所开展 了直径400um的多晶硅齿轮和气动蜗轮以及微静电电 机的研究，最近还开始了特殊条件微加速度传感器、光 开关的研究。长春光机所对微系统测试技术的研究取得 了一定的进展。哈尔滨工业大学研制出的电致升缩陶瓷 驱动的二自由度微小型机器人，位移范围为10x10mm 。清华大学精密仪器系试制了多晶硅粱、微流泵与阀、 微弹簧等微器件，其热致动微型泵的外形尺寸为 9x6x1mm，输出流量可达40uL/min。上海交通大学 开展了直流无刷微电磁电机的研制工作。中国科技大学 开展了同步辐射LIGA工艺研究、微观摩擦机理与微润滑 技术研究、压电微传感器与驱动器和并行微小加工系统 研究。
マイクロ旋盤は、加工精度を損なわずに、大幅な省エネルギー化が可能であることを示しま した。そして、産業用ロボットや搬送装置が小型化すればマイクロファクトリが実現できます。 マイクロファクトリでは、作る製品に応じて生産機械の配置を簡単に変えられます。また空調 に必要なエネルギーも節約できます。ますます小型化する工業製品に対応した21世紀の工場の 姿です。
我国的整体形势是面上正逐步铺开，深度也逐步 深入，但是总体起步晚，由于技术基础薄弱和资金支 持力度小等问题，在研究规模、技术水平上与先进国 家相比尚有较大的差距。比如，在一年一度的IEEEMEMS大会上发表论文的数量与欧美日，甚至韩国相 比还有很大的差距。2001年度则只有从香港科技大学 有3篇投稿。 06年有一篇文章来自中国大陆。
和检查量大)
金属等材料的组合
逐个依次组装 (平行加工、串行组装)
立体 大
低缺陷、润滑等 人造物体
机械之小、微、纳？
在微小尺寸范围，机械依其特征尺寸可以划 分为1-10mm的小型机械，1um-1mm的微型机 械以及1nm-1um的纳米机械。所谓微型机械从 广义上来讲包含了微小型和纳米机械。
MEMS专题
课程安排
一、MEMS和微系统概述； 二、微系统的工作原理，包括微传感器和驱 动器； 三、微系统的设计和制造的过程科学； 四、用于MEMS的材料； 五、MEMS制造工艺； 六、MEMS封装技术 七、MEMS专用软件介绍 八、随堂考试。
一、MEMS定义
最近 NIPPONDENSO 的研究工作主要集中于由多个动膜压力传感器和温 度传感器集成的传感器芯片。该器件运用了键合技术，振动膜的制作技术 和前述丰田公司的技术相似。
丰田公司硅微传感器的其它研究还包括利用硅微结构的热岛效应的红外传 感器。Tanaka 等研究了一种多晶硅pn 结二极管红外传感器，用于 检测人体由于疾病造成的体温升高，其原理即利用了硅微结构具有的良好 的热绝缘性和低热容，可以检测出人体体温升高后产生的微弱的红外辐射 变化。另外，Asahi 等还制作了聚氟化乙二烯(PVDF)薄膜热电红外传感器
1、传感器
压力、惯性、温度、化学等传感器 应用：汽车轮胎 微型传感器具有体积小、质量轻、响应 快、灵敏度高和成本低的优势。目前开 发的微型传感器可以测量各种物理量、 化学量和生物量,例如位移、速度、加 速度、压力、应力、应变、声、光、电、 磁、热、pH 值、离子浓度及生物分子 浓度等。
加速度计和陀螺仪
用MEMS 技术研制的微型陀螺的外型
下图是一种表面微机械加工振动膜压力传感器件。该器件使用了氮化硅振 动膜和多晶硅压阻，制造的振动膜直径为100mm，厚度为1.6mm。这种微 器件结合电路设计可以得到低成本的集成传感器。
丰田公司硅微传感器的其它研究还包括利用硅微结构的热岛效应的红外 传感器。Tanaka 等研究了一种多晶硅pn 结二极管红外传感器，用于 检测人体由于疾病造成的体温高，其原理即利用了硅微结构具有的良好 的热绝缘性和低热容，可以检测出人体体温升高后产生的微弱的红外辐 射变化。另外，Asahi 等还制作了聚化乙二烯(PVDF)薄膜热电红外传感 器。
微机原理 第一章 微机系统组成及工作原理
0X1X2…Xn-1=X
(X≥0) (X≤0)
(2) 反码 (3) 补码
1X1X2…Xn-1=(2n -1)-│X│
n位反码表示数值的范围: -(2n-1 - 1)～+(2n-1 - 1)
数0的反码也有两种形式:
[+0]反=000…0(全0)
反码还原为真值的方法:
[-0]反=111…1(全1)
原码的定义： 原码表示简单、直观,与真值间转换方便,但 原码的最高位表示符号，数值位用二进制 用它作加减运算不方便,且0有两种表示方法。 绝对值表示。 (1) 原码 设机器数位长为n，则数X的原码定义为：
(2) 反码 (3) 补码
[X]原=
X=0X1X2…Xn-1(X≥0)
2n-1 +│X│=1X1X2…Xn-1(X≤0)
浮点数一般由4个字段组成,一般格式如下:
阶符Jf 阶码J 数符Sf 尾数(也叫有效数)S
阶码部分
尾数部分
其中：阶码一般用补码定点整数表示，尾数一般用 补码或原码定点小数表示。 为保证不损失有效数字，一般对尾数进行规格化处 理，即保证尾数的最高位是1,实际大小通过阶码来进行 调整。
n位补码表示数值的范围: -2n-1～ +(2n-1-1) 数0的补码只有一个: [+0]补=[-0]补=000…0(全0) 补码还原为真值的方法: 补码→原码→真值，而[X]原=[[X]补]补
1.3.1计算机中数的表示方法
1-29
结论: (1) 原码 (2) 反码 (3) 补码
①原码、反码、补码的最高位都是表示符号位。 符号位为0时，表示真值为正数，其余位都为 真值。符号位为1时，表示真值为负数，其余 位除原码外不再是真值。 ②对于正数，三种编码都一样；对于负数,三种 编码互不相同。所以原码、反码、补码本质 上是用来解决负数在机器中表示的三种不同 的编码方法。
微系统技术基础微系统工作原理
应变计型加速度计
图示为微加工的压阻式加速度计的最早的例子，是1979年发表 (Roylance和Angell)的用于生物医学领域监测心脏壁的运动。尺寸是 2x3x0.6mm.
编辑ppt
基本的加工工艺是这样的∶首先在Si上加工对准用的孔，然后生长和加工1.5um厚的氧 化膜。然后扩散10欧区域用于欧姆接触和100欧的压阻区。。。。。最后利用阳极健 和Si和7740玻璃。
简言之，压阻材料中多数载流子的迁移率受应力影响(该影响与晶向有 关)。在P-type材料中，空穴的有效迁移率减小所以电阻增加，而在n-type材 料中，电子的有效迁移率增加所以电阻减小。检测到的迁移率变化源于应 变造成的能带结构崎变，如果需要的话可以精确计算。单晶硅压阻的强温 度依存性使得其有时应用不易，而多晶和非晶硅则可作为新的选择。(他们 不是各项异性)。多晶硅的总电阻晶粒内和晶界电阻组成，后者是重要的方 面。在晶粒内电阻变化与单晶硅同，即温度升高则载流子迁移率低电阻率 升高，而在晶界电荷井(charge trapping)会发展耗尽区(depletion region)， 此处温度增加会有利于载流子越过耗尽区，所以电阻率降低。通过平衡这 些影响，(比如改变注入剂量)，温度系数可以减至0。
R L A
(in Ω)。其中ρ电阻率，in Ω cm；L是长度in cm；A是截面积，in cm2。 求偏微分得到:
dR AdL L AdAL 2dA
上式除以R得
dRdLddA R L A
必须指出，这里把导体简化成了圆截面的线。用泊松比可以给出横 向尺寸的相对变化。
1 2 D L//编L D 辑pptd dD L //L D
但是正像其它微系统那样器件加工成本之外还有检测和实装的成本也很高它微系统那样器件加工成本之外还有检测和实装的成本也很高绝大部分微型压力传感器是所谓空盒压力计绝大部分微型压力传感器是所谓空盒压力计aneroidaneroid形式即将形式即将被测压力施与一个薄膜表面然后测量其变形被测压力施与一个薄膜表面然后测量其变形已知压差已知压差变形转换函数变形转换函数
微机电系统的基本工作原理分析
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
压电效应的可逆性
3.2应用
压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。
第四章静电效应
4.1工作原理分析
许多微执行器利用静电力作为驱动力，静电驱动是有一种使电能转换成机械能的方法。静电执行器就是利用异性电荷的库仑力作用来实现机械运动的，可以看成是两块带有相反电荷的平行板相互吸引，产生变形而制动。在微电机和微执行器的设计中，准确估计静电力的大小非常重要，在估计这种微执行器产生的力时，往往需要忽略静电力和施加电压之间的非线性关系。
2)驱动力与体积比较高，静电力大小与尺寸的平方成比例，尺寸越小，间隙越小，单位体积产生的静电力越大。
3)采用电压驱动，易于控制和高速化，可实现低功耗。另外，其制造工艺和IC工艺相仿，易于集成。
但是静电微执行器应用中也存在如下问题：
1)理论上静电执行器耗能量非常低，但是由于边缘场的影响以及表面泄露等原因，实际的输出能量和效率远低于对他进行理论分析得到的值。
2)分辨率高:由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。
3)体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至100千赫兹。
6.3特点
与静电，热力的和压电驱动微执行器相比，形状记忆合金驱动具有最大做功密度大，机构简单，柔软易变形，驱动电压低，尺寸可在微米级别，但是不足之处在于：形状记忆合金在微执行器上应用时，难以与硅的制作工艺兼容。
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二 微型光学传感器
三 微型红外和热传感器
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微型机械量传感器的发展历史
半导体材料，特别是Ge和Si，作为机械量-电学量转换器利用起源于 1957年。在此以前C.S.Smith发表了Ge和Si的压阻系数比其它材料高的结 果。F.P.Burns用两块Si薄片制成了声音传感器，W.P.Mason等人几乎在 同时发表了更实用化的同种器件。二者是压阻传感的开始。
金属应变传感器可以有细线或者金属薄膜组成，后者便于直接 加工在微结构的表面,金属薄膜应变片比较容易加工，所以适于更复 杂的形状。他们通常被制在柔软的塑料衬底上，然后粘到被测表面。
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半导体应变传感原理
在半导体应变传感器中，压阻效应很大，所以有很高的GF值。P-type 硅的GF值高达200，而n-type硅的GF是负值，可以低至-140。传感器可以用 注入或扩散法制在块体硅的局部表面，有时整块硅也可以作为传感器。遗 憾的是半导体应变传感器也有更高的阻抗温度系数，所以温度补偿很重要。 （比如，可以利用惠斯敦电桥，使用一个不施应变的参考传感器进行补偿)。
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截面积A与其横向尺度D的2次方成正比，所以有
dA 2dD AD
代入泊松比得到
dA2 dL
A
L
因此电阻的偏微分表达式写成
dRR(12)dLLd
式中第一项代表尺寸变化的影响，第二项代表压阻效应(传感器材料 电阻率的变化)。由此，传感器计量因子可以写成∶
G F d d//R L L Rd1 /R R(.12 )d 1 /
Table comparing the gauge factors of differential types of strain gauge
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金属应变传感原理
对于金属而言，电阻率ρ随应变的变化不大(只要其截面尺寸远大 于晶粒尺寸)，而其ν值0.3-0.5之间,它对GF是二倍的影响。然而，实 际上宏观的金属应变传感器GF值大于尺寸效应，所以应该有一些压 阻效应在其作用。
这之后，随着半导体材料加工技术的快速发展，材料变得更容易获得。 1960年左右丰田理研开发出了十分实用的半导体应变传感器，同 时,W.P.Wason等人制作了细长的Si传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计 使用。1961和1962年的Instrument Soc基础上，MicroSystem、Baidwin-LimaHamiton、和Kulite-Bytrex公司都先后推出了半导体应变计商品。另外一 些工业化生产的微传感器产品，包括在石英上制作的霍尔效应（Hall Effect）探头、加速度计、力传感器以及化学传感器等等。
应用的结果。这些技术包括光刻、薄膜镀层、化学和
离子加工等。它们使得传感器结构得以微型化，从而
能在同一基片表面制作大量的传感器，实现批量生产。
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Micro-System
一 微型机械量传感器 二 1 传感原理∶电阻(包括压阻)传感、压电传感、
电容传感和隧道传感； 三 2 微型传感器∶加速度传感器、压力传感器； 四 3 特种微型位移和力传感器∶压阻SFM传感器、
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事实上上式同样适用于非圆截面的传感器。
正如下表所示，不同类型的应变传感器的计量因子差别极大，主要看其是否 有大的压阻效应。
Type of Strain Gauge Metal foil Bar Semiconductor
Gauge Factor 1 to 5 80 to 150
Diffusion Semiconductor 80 to 200
R L A
(in Ω)。其中ρ电阻率，in Ω cm；L是长度in cm；A是截面积，in cm2。 求偏微分得到:
dR AdL L AdAL 2dA
上式除以R得
dRdLddA R L A
必须指出，这里把导体简化成了圆截面的线。用泊松比可以给出横 向尺寸的相对变化。
1 2 D L//L Dd dD L //L D
微系统工作原理
微传感器与微驱动器原理（一）
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前章延伸：MEMS市场前景诱人、设计制造 涉及到多学科的科学与工程原理的应用
了解这些器件的工作原理对新MEMS器件设 计是重要的
本章给出的只是器件原理的基本信息
注意：所选器件只是由于其设计上巧妙的 想法，市场上未必是成功的
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概念（从能量的角度）：是将能量从一种形式转换成另外一 种形式，并且针对特定的待测输入为用户提供一种可 用的能量输出的器件。即是指能感受规定的被测量并 按照一定规律转换成便于测量的输出信号的器件，一 般由敏感元件和转换元件组成。
微传感器（Micro-sensor）是微机械的重头产品， 在已开发的微机械产品中，微传感器占到90%。微传 感器的体积小、功耗低响应快，便于和信号处理部分 集成以构成微传感器测试系统，这些特性使其可以应 用于汽车、航空航天、电机、医学、家用电器、生物 化学、环境监测等广阔领域。
微传感器的出现和广泛应用是微电子制造技术扩展
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第一 电阻和压阻应变传感
应变传感器(Strain Sensor)是许多微型器件上的一个集成部件，用 于测量应变，或者直接测量结构的位移。应变传感器是特定的导体或者 半导体，它被粘结或者直接加工在被侧表面上。传感器电阻随其尺寸按 比 例 变 化 ， 这 部 分 是 由 于 尺 寸 变 化 (Streching) ， 也 部 分 由 于 1856 年 Lord Kelvin发现压阻效应(Piezoresistive)。传感器的灵敏度因设计不 同有很大差别。种类繁多的传感器可以在很大范围内实现线性度很好的 测量，满足广泛的应用要求。
可以用微系统技术开发的微型传感器种类很多，本课程无法全部介绍。 所以我们只能从基本的传感原理讨论入手，然后从一些典型微传感器结构 来看这些原理是如何应用的。
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下表列出的是一些微系统机械量传感器中常用的传感原理。考虑的 重点是∶是否需要电路集成、是否可以响应直流信号、温度系数、长程 漂移、系统复杂性等。
一般来说，其灵敏度可以用如下计量因子(Gauge Factor)表示
G r F elra e tts a c ic in v e sh e a R /n R g R e strain L /L R
(这里用的是径向应变)，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对GF影 响的表达式。
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首先对电阻量表达式求微分