【精品课件】现代传感技术与系统第四章
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现代传感器技术概述ppt课件
现代传感器技术 概述
基本情况
课时：64学时，课堂56，实验8 教材： 传感器原理及应用，王雪文 张 志勇 ，北京航空航天大学出版 社 ，2004年03月 传感器原理、设计与应用 ，刘 迎春, 叶湘滨，国防科技大学出 版社，2002（第4版）
传感器概述
一、传感器的定义
二、传感器的分类
三、传感器基础知识 四、传感器的标定 五、现代传感器的发展
广义地可以把传感器归结为一种能感受外界信息 （力，热、声、光、磁、气体、化学、生物、湿度 等），并按一定的规律将其转换成易处理的电信号 的装置 根据中华人民共和国标准（GB7665-87），传感器 （Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被 测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成，其 中敏感元件（sensing clement)是指传感器中能直 接感受被测量的部分，转换元件（Transduction element）是指传感器中能将敏感元件输出量转换 为适于传输和测量的电信号部分。
测量范围
每一个传感器都有一定的测量范围，如果
在超过了这个范围进行测量时，会带来很大 的测量误差，甚至于将其损坏。一般测量范 围确定在一定的线性区域或者保证一定寿命 的范围内。在实际应用时，所选择传感器的 测量范围应大于实际的测量范围，以保证测 量的准确性和延长传感器及其电路的寿命
迟滞
传感器静态特性（2）
动态输入信号
为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态 测温的问题。 在被测温度随时间变化或传感器 突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量 某温度场的温度分布等情况下, 都存在动态测温 问题。如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速 插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽 略不计）, 这时热电偶测量的介质温度从t0突然 上升到t, 而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到 t℃需要经历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 1 - 9 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度 的差值就称为动态误差。
基本情况
课时：64学时，课堂56，实验8 教材： 传感器原理及应用，王雪文 张 志勇 ，北京航空航天大学出版 社 ，2004年03月 传感器原理、设计与应用 ，刘 迎春, 叶湘滨，国防科技大学出 版社，2002（第4版）
传感器概述
一、传感器的定义
二、传感器的分类
三、传感器基础知识 四、传感器的标定 五、现代传感器的发展
广义地可以把传感器归结为一种能感受外界信息 （力，热、声、光、磁、气体、化学、生物、湿度 等），并按一定的规律将其转换成易处理的电信号 的装置 根据中华人民共和国标准（GB7665-87），传感器 （Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被 测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成，其 中敏感元件（sensing clement)是指传感器中能直 接感受被测量的部分，转换元件（Transduction element）是指传感器中能将敏感元件输出量转换 为适于传输和测量的电信号部分。
测量范围
每一个传感器都有一定的测量范围，如果
在超过了这个范围进行测量时，会带来很大 的测量误差，甚至于将其损坏。一般测量范 围确定在一定的线性区域或者保证一定寿命 的范围内。在实际应用时，所选择传感器的 测量范围应大于实际的测量范围，以保证测 量的准确性和延长传感器及其电路的寿命
迟滞
传感器静态特性（2）
动态输入信号
为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态 测温的问题。 在被测温度随时间变化或传感器 突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量 某温度场的温度分布等情况下, 都存在动态测温 问题。如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速 插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽 略不计）, 这时热电偶测量的介质温度从t0突然 上升到t, 而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到 t℃需要经历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 1 - 9 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度 的差值就称为动态误差。
(完整)现代传感技术与系统课后题及答案
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第1章绪论1。
传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？国家标准（GB7665-87)传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成.2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同?共有10种分类形式.根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等;根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量)传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器;根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类:可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。
3。
举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。
结构型：利用物理学中场的定律构成的，特点是其工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。
现代传感系统概述资料课件
物流与仓储管理
通过传感器实现物品的位 置、数量、重量等信息的 自动识别和管理，提高仓 储和物流效率。
环境监测
空气质量监测
利用传感器监测空气中的污染物浓度，为环境保护提供数据支持 。
水质监测
通过传感器对水体中的各种指标进行实时监测，确保水质安全。
气象监测
利用传感器收集气象数据，为天气预报、气候变化研究等提供依据 。
无线传感器网络的发展
无线传感器网络技术的进步使得传感器能够实现 远程、实时、动态的数据采集和传输。
3
集成化与智能化趋势
传感器正朝着小型化、集成化和智能化的方向发 展，能够实现多参数、多功能检测，并具备自适 应、自校准等智能功能。成本与可扩展性 Nhomakorabea降低成本
随着技术的进步和规模化生产，现代 传感器的制造成本不断降低，使得更 多的应用领域能够实现传感器的普及 和推广。
交通安全预警
通过传感器监测路面状况、车辆行驶状态等信息，及时发出预警， 降低交通事故风险。
智能停车系统
利用传感器实现车位自动识别、停车位预约等功能，方便车主停车 。
04
CATALOGUE
现代传感系统的发展趋势与挑战
技术创新与进步
1 2
传感器技术不断升级
随着新材料、新工艺和纳米技术的广泛应用，现 代传感器的性能得到显著提升，精度、灵敏度和 稳定性不断提高。
类、预测等功能。
自适应控制
03
通过人工智能技术实现传感系统的自适应控制，以提高系统的
稳定性和响应速度。
03
CATALOGUE
现代传感系统的应用实例
工业自动化
01
02
03
自动化生产控制
通过传感器实时监测生产 过程中的各种参数，如温 度、压力、流量等，实现 自动化控制和优化。
【精品】[理化生]《现代传感技术与系统》课件-第四章3幻灯片
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锁数据；
l 引线 NIOE：低电平逻辑激活，由NCAP驱动，激发数据传送信号并 界定数据传送框架；
l 引线 NTRIG：负逻辑，由NCAP驱动，执行触发功能；
第四章
智能传感器的外围技术
23
4.3 智能传感器的标准
l 引线 NACK：负逻辑，由STIM驱动，触发确认和数据传送确认；
l 引线 NINT：负逻辑，由STIM驱动，由STIM使用向NCAP提出服
的网络化换能器。这一标准引
进了STIM的概念，将TEDS定义
为STIM的一个组成部分，此外
还有TII、STIM与NCAP之间的
物理接口。图4.3.7展示了在IEEE1451.2中定义的各元素和网络之间的关系。 注意到单一传感器或执行器或换能器的多个通道可同时存在于一个STIM中。 下面重点解释STIM、TEDS、TII以及实现更高智能化系统的内置工具的要点。
那么，我们就可以说它符合1451.2中定义的要求。
第四章
智能传感器的外围技术
17
4.3 智能传感器的标准
IEEE1451.2定义了六种换能器，其中有四种传感器、一个执行器和一个事 件探测器。这四种传感器包括：传感器、缓冲传感器、数据序列传感器、缓 冲数据序列传感器；它们都可以读取变量，将数据从模拟形式转变为数字形 式，以此获得有效数据。另外两种换能器分别是执行器和事件序列传感器。
智能传感器的外围技术
12
4.3 智能传感器的标准
图4.3.5展示的是IEEE1451.1中使用的发布/订阅模式。这种模式 为一种松散的通信方式，即发布方发布信息后不用关心接收的方式。 这种模式由两种操作支持： l 在发布端口目标的发布； l 增加订阅和在用户目标
端口的回应； 发布者和订阅者使用
l 引线 NIOE：低电平逻辑激活，由NCAP驱动，激发数据传送信号并 界定数据传送框架；
l 引线 NTRIG：负逻辑，由NCAP驱动，执行触发功能；
第四章
智能传感器的外围技术
23
4.3 智能传感器的标准
l 引线 NACK：负逻辑，由STIM驱动，触发确认和数据传送确认；
l 引线 NINT：负逻辑，由STIM驱动，由STIM使用向NCAP提出服
的网络化换能器。这一标准引
进了STIM的概念，将TEDS定义
为STIM的一个组成部分，此外
还有TII、STIM与NCAP之间的
物理接口。图4.3.7展示了在IEEE1451.2中定义的各元素和网络之间的关系。 注意到单一传感器或执行器或换能器的多个通道可同时存在于一个STIM中。 下面重点解释STIM、TEDS、TII以及实现更高智能化系统的内置工具的要点。
那么，我们就可以说它符合1451.2中定义的要求。
第四章
智能传感器的外围技术
17
4.3 智能传感器的标准
IEEE1451.2定义了六种换能器，其中有四种传感器、一个执行器和一个事 件探测器。这四种传感器包括：传感器、缓冲传感器、数据序列传感器、缓 冲数据序列传感器；它们都可以读取变量，将数据从模拟形式转变为数字形 式，以此获得有效数据。另外两种换能器分别是执行器和事件序列传感器。
智能传感器的外围技术
12
4.3 智能传感器的标准
图4.3.5展示的是IEEE1451.1中使用的发布/订阅模式。这种模式 为一种松散的通信方式，即发布方发布信息后不用关心接收的方式。 这种模式由两种操作支持： l 在发布端口目标的发布； l 增加订阅和在用户目标
端口的回应； 发布者和订阅者使用
现代传感器介绍PPT课件
现代传感器介绍
引言
• 传感器技术是仿生学的一部分，向大自然以及人类自身学习是仿生学永恒 的主题，也是仿生传感技术的发展方向。传感器技术正式问世是在 20 世 纪中期，其大体经历结构型传感器、固体传感器、智能传感器三个历程。 传感器作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，已经 成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。传感器技术与通信技术和 计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱，是信息产业的重要基础。
• 抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反 应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上 进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电 极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电 荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的 变化，可测知抗体的附量。
3室注入含有 抗体的盐水
抗体与固定化抗原 膜上的抗原相结合
便携式超声波 探鱼器
2024/6/4
27
超声波测量液位和物位原理
在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波 的往返时间，就可测得液体的液面。
多普勒效应
前进方向的 频率升高!
如果波源和观察者 之间有相对运动，那么 观察者接收到的频率和 波源的频率就不相同了， 这种现象叫做多普勒效 应。测出f 就可得到运 动速度。
传感器的能量转换过程
敏感元件
敏感元件
转换器件
电学量
转换电路
目录
• 一、光纤传感器 • 二、生物传感器 • 三、超声波传感器 • 四、红外线传感器
五、微波传感器 六、智能传感器 七、超导传感器
光纤传感器
• 光纤——光导纤维，是由石英、 玻璃、塑料等光折射率高的介 质材料制成的极细的纤维，是 一种理想的光传输线路。
引言
• 传感器技术是仿生学的一部分，向大自然以及人类自身学习是仿生学永恒 的主题，也是仿生传感技术的发展方向。传感器技术正式问世是在 20 世 纪中期，其大体经历结构型传感器、固体传感器、智能传感器三个历程。 传感器作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，已经 成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。传感器技术与通信技术和 计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱，是信息产业的重要基础。
• 抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反 应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上 进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电 极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电 荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的 变化，可测知抗体的附量。
3室注入含有 抗体的盐水
抗体与固定化抗原 膜上的抗原相结合
便携式超声波 探鱼器
2024/6/4
27
超声波测量液位和物位原理
在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波 的往返时间，就可测得液体的液面。
多普勒效应
前进方向的 频率升高!
如果波源和观察者 之间有相对运动，那么 观察者接收到的频率和 波源的频率就不相同了， 这种现象叫做多普勒效 应。测出f 就可得到运 动速度。
传感器的能量转换过程
敏感元件
敏感元件
转换器件
电学量
转换电路
目录
• 一、光纤传感器 • 二、生物传感器 • 三、超声波传感器 • 四、红外线传感器
五、微波传感器 六、智能传感器 七、超导传感器
光纤传感器
• 光纤——光导纤维，是由石英、 玻璃、塑料等光折射率高的介 质材料制成的极细的纤维，是 一种理想的光传输线路。
2019-2020学年物理教科版选修1-1课件：第四章4 传感器及其应用
2.如图所示，将多用电表的选择开关置于 “欧姆”挡，再将电表的两表笔与受温度影响的热敏电阻 Rt 的两端相连，这时表针恰好指在刻度盘的正中间，若往 Rt 上 擦一些酒精，表针将向________(填“左”或“右”)转动； 若用吹风机向 Rt 吹热风，表针将向________材料制成的．故选项 D 的说 法不正确，应选 D 选项．
传感器的应用 熟悉利用非电量(如力、位移、速度、振动、温度、压力、成 分、浓度、流量、光强、pH 值、射线剂量等)的变化引起材 料电磁参数的变化可制成各种不同类型的传感器，例如电阻 式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热电式传感器.
1.下列说法不正确的是( ) A．温度传感器通常是利用物体的某一物理性质随温度的变 化而改变制成的 B．红外线传感器接收携带着信息的红外线，转换成电信号， 从而得知辐射源的相关信息 C．目前常用的传感器有温度传感器、光传感器、压力传感 器等 D．热敏电阻是由绝缘材料制成的电阻器，其电阻值会随温 度值的变化而改变
按如图所示连接好电路，合上 S，发现小灯泡不亮， 原因是________；用电吹风对热敏电阻加热一会儿，会发现 小 灯 泡 ________ ， 原 因 是 ________ ； 停 止 吹 风 ， 会 发 现 ________；把热敏电阻放入冷水中会出现________．
[解析] 由于热敏电阻阻值较大，左侧电路电流较小，电磁 铁磁性较弱吸不住衔铁．对热敏电阻加热其阻值减小后，电 路电流变大，电磁铁把衔铁吸下后接通右侧电路，灯变亮．停 止吹风小灯泡不会立即熄灭，因为热敏电阻温度仍然较高； 把热敏电阻放入冷水后，温度降低，小灯泡熄灭． [答案] 见解析
非电学物理量 电学量
应用传感器的流程 敏感元件 转换器件 转换电路
下列关于传感器的说法正确的是( ) A．电视机遥控器就是一个传感器 B．传感器是一种能够将非电量转换为电量的检测装置 C．传感器是实现信息自动检测和自动控制的首要器件 D．无人管理的自动灌溉系统是温度传感器在农业生产中的 应用
《现代传感技术与系统》课件第四章
第四章 智能传感器的外围技术
智能传感器的外围技术
4.1 微机电系统结构与元器件
01
01
02
03
4.2 智能传感器的通信
4.3 智能传感器的标准
02
03
第四章
*
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
引言
1
面向微机电系统的微结构
2
微机电系统的常用元器件
3
其他微机械结构
4
微执行器的应用
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
第四章
*
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
3. 微控制阀 微控制阀是MEMS元器件中目 前为数不多的已经正式投产的产 品之一。右图是其结构示意。一 个硅流体驱动微阀门的规格大约 是5.5mm 6.5mm 2mm。顶端的 体型微加工空腔内充满了控制液体。在未被激活的状态，气体通过阀门流动。将电压施加于隔膜上的加热元件，将引起液体的充分膨胀而使隔膜偏移靠近阀座而阻断气流。阀门的动态范围从100,000到1，在20 psi的压力下，控制气流从每分钟4微升到每分钟4升。
第四章
*
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
1、 冷却通道 在高性能集成电路底部的由平行微通道创建的微热管道能为最大限度地减少过热点提供冷却功能，改善性能，增加可靠性。图4.1.6是一个可行方案。当通道被蚀刻后，复合金属层真空沉积于通道边线上且将顶部密封。加热芯片位于一个流动浴槽中，填充大约占20%容积的流体，然后将顶端密封以保持流体不外溢。微热管的操作引起流体在高温区域蒸发，在低温区域冷凝，导致穿过集成电路的更加一致性的温度分布。对于更高性能的MPU和MCU，要增加到更高的操作频率，而这种形式的冷却可能要求避免封装尺寸和外部散热量的增加。
智能传感器的外围技术
4.1 微机电系统结构与元器件
01
01
02
03
4.2 智能传感器的通信
4.3 智能传感器的标准
02
03
第四章
*
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
引言
1
面向微机电系统的微结构
2
微机电系统的常用元器件
3
其他微机械结构
4
微执行器的应用
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
第四章
*
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
3. 微控制阀 微控制阀是MEMS元器件中目 前为数不多的已经正式投产的产 品之一。右图是其结构示意。一 个硅流体驱动微阀门的规格大约 是5.5mm 6.5mm 2mm。顶端的 体型微加工空腔内充满了控制液体。在未被激活的状态，气体通过阀门流动。将电压施加于隔膜上的加热元件，将引起液体的充分膨胀而使隔膜偏移靠近阀座而阻断气流。阀门的动态范围从100,000到1，在20 psi的压力下，控制气流从每分钟4微升到每分钟4升。
第四章
*
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
1、 冷却通道 在高性能集成电路底部的由平行微通道创建的微热管道能为最大限度地减少过热点提供冷却功能，改善性能，增加可靠性。图4.1.6是一个可行方案。当通道被蚀刻后，复合金属层真空沉积于通道边线上且将顶部密封。加热芯片位于一个流动浴槽中，填充大约占20%容积的流体，然后将顶端密封以保持流体不外溢。微热管的操作引起流体在高温区域蒸发，在低温区域冷凝，导致穿过集成电路的更加一致性的温度分布。对于更高性能的MPU和MCU，要增加到更高的操作频率，而这种形式的冷却可能要求避免封装尺寸和外部散热量的增加。
现代传感技术与应用课件第四章 电容式传感器
2 1
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
4.3 输出特性
4.3.1 变极距型电容传感器
下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr 和S 为常数，初始极距为d0时，由式可知其初始电容量C0为:
C0 =
e0er S d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有：
.
.
I
.
cb＝
U
1
i
jwC
.
I cx＝-
U0
1
jwC x
.
.
I cx＝I cb
.
.
U
0＝－CC
x
.
U
i
C
＝
x
eS d
.
U
0＝－UeiSC
d
因此，输出电压与电源电压反向，与电容极板间距成线性关系。
前提是：放大器开环放大倍数
A＝，¥输入阻抗
Z
＝¥
i
Icx
Cx
Icb C
Ii
Ui
∑
A
Uo
运算放大器式电路原理图
4.3.3 变介质型电容式传感器
下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位 高低的结构原理图。
设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度为h, 变换器总高度 为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为：
c=
2p ln
e1h D
+
2pe(H ln D
h)
d
高中物理第4章传感器与现代社会章末课件选修32高二选修32物理课件
端电路被接通，这样螺线管就产生磁场，相当于一个磁铁，对与弹簧
相连的衔铁产生吸引作用，使之向下移动，这样L2电路被接通.
12/13/2021
123
解析 答案
2.(传感器的应用)一热敏电阻在温度为80℃时阻值很大，
当温度达到100℃时阻值就很小(认为是零)，今用一电阻
丝 给 水 加 热 ， 并 配 以 热 敏 电 阻 以 保 持 水 温 在 80℃ 到
100℃之间，可将电阻丝与热敏电阻并联，一并放入水
中，如图6所示，图中R1为热敏电阻，R2为电阻丝.请简
图6
述其工作原理.
答案 见解析
12/13/2021
123
解析 答案
3.(传感器的应用)用如图7所示的电磁继电器设计一个高温报警器，要求是： 正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警，可供选择的器材如下：热敏电阻、 绿灯泡、小电铃、学生电源(两个)、继电器、滑动变阻器、开关、导线.
12/13/2021
答案
达标检测
12/13/2021
1.(传感器的应用)如图5所示是一种水位自动报警器的原理示意图，当
杯中的水的水位到达金属块B时，出现的情况是
A.L1灯亮
√B.L2灯亮
C.L1、L2两灯同时亮
D.L1、L2两灯都不亮
Байду номын сангаас
图5
解析 由电路结构可以看出，当杯中的水的水位到达金属块B时，左
12/13/2021
2.传感器电路问题的设计思路 处理与传感器有关的电路设计问题时，可将整个电路分解为： (1)传感器所在的信息采集部分； (2)转化传输部分(这部分电路往往与直流电路的动态分析有关)； (3)执行电路.
12/13/2021
相关主题
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• 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
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内容作为智能传感器的外围技术来讨 论，主要有：
4.1 微机电系统结构与元器件
系统是一维系统，由完全类似的模式组成。这些组件很容 易以微执行器的模式实现。 • 执行器结构:由夹在具有不同热膨胀系数的两层聚酰胺间的
金属加热器组成。 • 加热器电流接通或断开时，执行器上下运动(悬臂500μm长，
110μm宽)。 • 当40mA电流流经加热器时，在垂直方向上产生130μm、在水
• 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
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
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。
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。
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微米／纳米级结构(导致了微机电系
统的诞生)
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
平方向上产生60μm的移动量。 • 对正弦电流（幅值低于3dB），截止频率8Hz。
4.1 微机电系统结构与元器件
4.1.3 微机电系统的常用元器件
用硅和其它的半导体材料构成的微机电系统元器 件涉及到静电学、电热学、热动力学、电磁学、电渗 透、电液动力学、模型存储合金、热敏感器件、聚合 物等多方面的应用。本节将讨论微型泵、微引擎、微 控制阀、微动力测试仪和微电机，还有其它材料的微 执行元器件。
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，这种微 生物在其细胞表面长有许多像毛发状的突出物，它们通过协调 性地摆动纤毛来实现其行进。这种纤毛虫的行进方式可以用在 一个传送物体的装置之中。
纤毛运动系统的模块组件包括一个执行器（如悬臂型的执 行器）和一个振荡器。如果提供充分的相互联接，外部信号也 能达到同步。当振荡的频率相同而在邻近振荡器之间统一地维 持着固定的相位差，则每个执行器可以协调地运行。伸出的臂 传播一个波，象球体滚动那样传送物体。实施传送任务时，所 需要的逻辑电路就如同移位寄存器那样简单。
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。
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。
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。 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。
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
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。
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
§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
4.1 微机电系统结构与元器件Βιβλιοθήκη 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、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）
• 信号处理器对信号进行转换、放大和计算等处理
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内容作为智能传感器的外围技术来讨 论，主要有：
4.1 微机电系统结构与元器件
系统是一维系统，由完全类似的模式组成。这些组件很容 易以微执行器的模式实现。 • 执行器结构:由夹在具有不同热膨胀系数的两层聚酰胺间的
金属加热器组成。 • 加热器电流接通或断开时，执行器上下运动(悬臂500μm长，
110μm宽)。 • 当40mA电流流经加热器时，在垂直方向上产生130μm、在水
• 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
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
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。
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。
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微米／纳米级结构(导致了微机电系
统的诞生)
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
平方向上产生60μm的移动量。 • 对正弦电流（幅值低于3dB），截止频率8Hz。
4.1 微机电系统结构与元器件
4.1.3 微机电系统的常用元器件
用硅和其它的半导体材料构成的微机电系统元器 件涉及到静电学、电热学、热动力学、电磁学、电渗 透、电液动力学、模型存储合金、热敏感器件、聚合 物等多方面的应用。本节将讨论微型泵、微引擎、微 控制阀、微动力测试仪和微电机，还有其它材料的微 执行元器件。
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，这种微 生物在其细胞表面长有许多像毛发状的突出物，它们通过协调 性地摆动纤毛来实现其行进。这种纤毛虫的行进方式可以用在 一个传送物体的装置之中。
纤毛运动系统的模块组件包括一个执行器（如悬臂型的执 行器）和一个振荡器。如果提供充分的相互联接，外部信号也 能达到同步。当振荡的频率相同而在邻近振荡器之间统一地维 持着固定的相位差，则每个执行器可以协调地运行。伸出的臂 传播一个波，象球体滚动那样传送物体。实施传送任务时，所 需要的逻辑电路就如同移位寄存器那样简单。
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。
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。
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。 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。
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
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。
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
§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
4.1 微机电系统结构与元器件Βιβλιοθήκη 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、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）