测控系统概念

第一章

1.1测控系统的概念

测控系统是现代检测技术与现代控制技术发展的必然和现实的需要，是以检测为基础，以传输途径，以处理为手段，以控制为目的的闭环系统。

测控系统的基本构成

由四个部分构成：

传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）

信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）

信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）

信息控制部分：控制信息（现代控制技术）

1.3测控系统的基本特点

❖设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。

❖过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。

❖高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。

❖高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。

❖高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。

❖测控一体化：测量、控制、管理。

二、测控系统的分类和组成（ppt图10页）

1.检测系统

又称数据采集系统。以通用计算或嵌入式计算系统为核心，单纯实现系统信号的检测、处理、记录和显示为目的的系统。

2.控制系统

以通用计算机或嵌入式计算系统为核心，单纯以实现控制为目的的系统。3. 测控系统

以通用计算机或嵌入式计算机系统为核心，以实现检测、传输、处理和控制为目的的系统

4. 局域分布式测控系统

以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在局部区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统

5. 广域分布式测控系统

以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在大范区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统

四、测控技术的发展方向

◆微型化：向微机电系统方向发展

◆网络化：向无线网、自组织网、物联网、泛在网方向发展

◆智能化：向人工智能化方向发展

◆虚拟化：向虚拟现实方向发展

测控系统的网络化

（1）有线测控网络

工业总线、局域网络、广域网

（2）无线测控网络

ADhoc自组织网络、传感网

（3）混合测控网络

物联网、泛在网

第二章

MEMS器件的封装要求

(1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；

(2)封装给传感器带来的应力要尽可能的小；

(3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响；

(4)封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响；

(5)封装必须提供与外界的通道。

MEMS的研究领域

概括起来，MEMS研究可以分为理论基础、技术基础（有内容）以及应用领域3个主要组成部分。

应用领域

微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础。

1微传感器

微传感器是MEMS最重要的组成部分。

2.微致动器

电子式能量转换器之一，其功能是将电能转换成物理量。

微致动器主要种类有:微机电、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。微执行器的驱动力主要有静电、压力、电磁和热。

2.1.4MEMS的设计技术

微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同，传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法；微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。

微系统的设计技术主要是设计方法的研究，其中计算机辅助设计（CAD）是微系统设计的主要工具。

MEMS的测量技术

涉及几何量、力学量、电磁量、光学量和声学量的检测。

1. MEMS用材料性能测试；

包括MEMS用结构与功能材料性能的测试，应研究的方向包括：评估方法怀标准，功能材料专项性能测试技术，关键功能材料性能测试仪器与手段。

2.MEMS产品加工过程参数测试；

包括相关的电路测试技术研究，三维结构形貌与尺寸测试技术，微观机械特性测试技术，表面膜结构与性能测试技术。

3.MEMS芯片基本功能测试。

包括芯片级微机械动态船尾测试技术、微机械光学测试技术、微机械力学特性测试技术、微机械结构分析技术等专用测试技术。

MEMS的加工（及后面思考题）

制作MEMS的技术主要有三种。

第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法；

第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；

第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie－光刻、

Galvanoformung－电铸和Abformung－塑铸三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。

第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。由于利用LIGA 技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深度可以达到几百微米，因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术。

2.1.9 MEMS发展的趋势

(1) 研究方向多样化

(2) 加工工艺多样化

(3) 系统单片集成化

(4) MEMS器件芯片制造与封装统一考虑

MEMS器件与集成电路芯片的主要不同在于，MEMS器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。

（5）普通商业应用低性能MEMS器件与高性能特殊用途如航空、航天、军事用MEMS器件并存

思考题

1.简述MEMS的含义与特征。

MEMS的含义

微型机械（Micro machine,日本惯用词）或称微型机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,美国惯用词）或微型系统（Micro systems,欧洲惯用词）。MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即微机电系统,它是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路。

它是指可以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

其特征

尺寸范围为1nm～10mm.

加在MEMS 中: 微传感器是将外部的力、热、声、光、化学等信息转化为电信号,并传给处理电路;处理电路对信号进行放大、转换、计算等处理,并对微执行器发出指令;微执行器根据指令对外部发生动作。

MEMS的特征

MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术。与传统的微电子和机械加工技术相比，MEMS技术具有以下几个显著的特点：

（1）微型化

MEMS技术已经达到微米乃至亚微米量级，利用MEMS技术制作的器件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携带性得以提高。（2）集成化

微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感方向和制动方向的传感器、执行器集成于一体，形成传感器阵列，甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系统。