测控系统概念

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1、第一章第一章 1.1 测控系统的概念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 由四个部分由四个部分构成构成： 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 测控系统的测控系统的基本特点基本特点 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。

2、 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

3、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 第二章第二章 MEMS 器件的器件的封装要求封装要求 (1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；

4、(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。 应用领域应用领域微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础。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

5、行器的驱动力主要有静电、压力、电磁和热。 2.1.4 MEMS 的设计技术的设计技术 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。）是微系统设计的主要工具。 MEMS 的测量技术的测量技术 涉及几何量、力学量、电磁量、光学量和声学量的检测。

6、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）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

7、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

8、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 思考题思考题 1. 简述 MEMS 的含义与特征。 MEMS 的含义的含义 微型机械（Micro

9、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。即微机电系统微机电系统,它是在微电它是在微电 子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、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、

10、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和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等一体的微型器件或系统，其特征尺寸范围为 1nm10mm. 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ME

11、MS 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。 （3）以硅为基本材料 主要有晶体硅和氮化硅等。力学特性良好，具有高灵敏性，强度、硬度和弹性 模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近铜和钨。 （4）生产成本低在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或 MEMS，制作成本大幅 度下降，有利于批量生产。 2.MEMS 加工和封装的方法

12、主要有哪几种？加工和封装的方法主要有哪几种？ MEMS 加工技术加工技术 MEMS 与微电子系统比较，区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作 用器、微机械器件等的子系统，相对静态微器件的系统而言，MEMS 的加工技 术难度要高。是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长，但发展很 快，已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看，其加工技术主要可分 为硅基微机械加工技术和非硅基微机 械加工技术。 1 硅基微机械加工技术硅基微机械加工技术 目前正在使用的硅基微机械加工技术有三种：体硅体微机械加工、表面微机械 加工、复合微机械加工。 2. LIGA 加工技术加工技术 最大优势 (1)深宽比大

13、，准确度高。 (2)用材广泛 (3)由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产。 3. 激光微机械加工技术激光微机械加工技术 激光微机械加工技术具有工艺简单、成本低等优点，它代表未来 MEMS 加工 技术发展的方向。 3. 紫外线厚胶腐蚀技术；紫外线厚胶腐蚀技术； 4. .深等离子体腐蚀技术深等离子体腐蚀技术MEMS 封装特点封装特点 虽然 MEMS 封装的基本技术都是和微电子封装密切相关的，但是由于 MEMS 使用的广泛性，特殊性和复杂性，它的封装形状和微电子封装有着很大 的差别。对于微电子来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和 保护，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏；而对于

14、MEMS 封装来说，除了要 具备以上功能以外，更重要的是 MEMS 器件要和测试环境之间形成一个接触界 面而获取非电信号，有承受各方面环境影响的能力 MEMS 封装方法封装方法（有图有图） (1) 晶片级封装方法 (2) 单芯片封装方法 倒装片封装倒装片封装是指通过芯片和衬底之间的电气连接，可以直接把裸片和衬底 封装在一起 微球栅陈列(ILBGA) 球栅陈列封装是利用球状焊盘作为连接点进行表面安装的芯片封装技术。(3) 多芯片模块与微系统封装方法 第三章第三章 所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网 （W

15、LAN） ， 什么是传感器网络什么是传感器网络 WSN-Wireless Sensor Networks 基础 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布 式信息处理技术 解释 1 由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组 成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。 解释 2： 传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的 是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信 息，并发布給观察者。 传感器网络的三个基本要素： 传感器，感知对象，观察者 传感器网络的基本功能 协作地感知、采集、处理和发布感知信息 传统感知方法传统感知方法 传感器

16、接近感知对象 传感器仅产生数据流 传感器无计算能力 无传感器间通信能力 现代感知方法现代感知方法 传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结 传感器网络的网络结构传感器网络的网络结构 sink -汇聚点 sensor node -传感器节点 sensor field -监测区域 传感器节点 功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计算、通信、能量 Sink 节点 功能：连接传感器网络与 Internet 等外部网络，实现两种协议栈 之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的 数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等 现代微型传感器现代微型传感器 感知能力计算能力通信能力 体积小 能耗小 传感器节点传感器节点 传感器模块：信息采集