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1、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 智能传感器的标准第四章1智能传感器的外围技术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 微执行器的应用第四章2智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件4.1.1 引言微小型化革命:微米纳纳米技术应术应 运而生 利用物理化学方法将原子和分子组组装起来，形成具有一定功能的微米纳纳米结结构；(导导致了纳纳米生物学、纳纳米化学等边边缘缘学科的产产生) 利用精细细加工手段加工出微米纳纳米级结级结
2、构(导导致了微机电电系 统的诞生)第四章3智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件 MEMS系统统是微电电子技术术的拓宽宽和延伸 微电电子技术术与精密机械加工技术术的融合 实现实现 了微电电子与机械融为为一体的功能。 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: 降低机电电系统统成本,完成许许多大尺寸机电电系统统无法完成的任务务例: 尖端直径为为5m的微型镊镊子可夹夹起一个红细红细 胞；3mm大小的 能够够开动动的小汽车车；可在磁场场中飞飞行的象蝴蝶大小的飞飞机等。第四章4智能传感器的外围技术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
3、化来探索具有新 原理、新功能的元件和系统 将电电子系统统和外部世界有机地联联系起来：感受运动动、光、声、热热、磁等自然界信号；将这这些信号转换转换 成电电子系统统可以认识认识的电电信号；通过电过电 子系统统控制这这些信号、发发出指令、控制执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。第四章5智能传感器的外围技术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
4、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） 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、放大和计算等处理第四章6智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件事实实上，前面第二章第三节节中讨论过讨论过 的微机械加工技术术就是从属于MEMS的核心技术术，然而，就MEMS整体而言，却有着更加丰富的内涵。从整体来看，它总总是直接或间间接地与智能传传感器保持密切的关系，因此，除微机械加工技术术之外，本节节又选择该领选择该领 域中一些其它相关内容作为为智能传传感器的外围围
5、技术术来讨论讨论 ，主要有： 面向MEMS的微结结构 微机电电系统统的常用元器件 微执执行器的应应用 等第四章7智能传感器的外围技术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 等第四章8智能传感器的外围技术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
6、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。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。第四章9智能传感器的外围技术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
7、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。 第四章10智能传感器的外围技术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。第四章11
8、智能传感器的外围技术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。 第四章12智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件
9、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500m长，110m宽)。 当40mA电流流经加热器时，在垂直方向上产生130m、在水平方向上产生60m的移动量。 对正弦电流（幅值低于3dB），截止频率8Hz。 第四章13智能传感器的外围技术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。
10、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。第四章14智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件1.微型泵图4.1.2为小型蠕动泵的侧剖视图，它是由三个硅晶片结合在一起构成的。三个硅晶片键合在一起生产流体通道、薄膜和加热器。硅融解键合用于连接包含这些元器件的晶片。第四章15智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件加热器悬浮于热气动流体中，随之从左至右被启动。流体通道通过刻蚀技术制造，非常紧密地与硅氮化物薄膜凸出的轮廓相匹配。加热流体使薄膜表层发生偏移并驱动液体。偏移的薄膜封堵了通道以阻止回流。微型泵的性能在15psi下已经能精确到每分
11、钟7微升。驱动量精确的矢量泵已在医疗上应用于胰岛素自动补充以及精确的制造业过程控制以减少原材料的损耗。 第四章16智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件2. 微蒸汽机世界上最小的蒸汽机是以表面微机械加工工艺制作的。右图是这种单缸蒸汽机在显微镜下的图象，在蒸汽机中，压力汽缸内的水被电流加热、蒸发，然后把活塞弹出。当电流消失后，表面张力又使活塞缩回。 第四章17智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件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
12、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18智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件4. 微动力测试仪微动力测试仪的研究目前已获得了满意的功能平面设计。这种微动力测试仪包括一个微电机、偶合齿轮链、担当有源负载的发电机以及相关的电子元器件。以带有附加牺牲层的LIGA处理技术用于制造微动力测试仪的机械部件。需要为电动机和发电机选配激磁绕组，双极成对电动机每个电极上有三个绕组，发电机则有六个
13、绕组，利用电镀镍方法制造，如图所示。集成了光电二极管决定电动机和发电机转子的位置。目前尚需解决磁性材料问题。 第四章19智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件采用表层微加工技术制造的微传送装置能提高动力。一个成功的实验是将六个完全相同的传送系统连接在一起，每个具有12：1的减速比以获取整体的功率增长。该水平下获得的机械动力能满足带动一个一磅物体的需要。齿轮是可逆的，可实现加速和减速操作。 第四章20智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件5. 微电机微电机是MEMS元器件中最具潜力的产品之一。一个静电发动机的例子见图4.1.4。典型的转子直径大约0.1mm。定子的运动依靠
14、静电力产生的脉冲。解决电动机和负载之间的偶合以及摩擦问题是使电机投入实用的最关键问题。在各种技术选择中，采用配有超级性能微处理器的冷却风扇是人们寄予厚望的方式。摩擦学是关于耗损及其应用范围的研究，基于对这些机器的大量的调查研究，在维持MEMS技术允许的特有容量的前提下，它们不再可能使用传统的润滑方式。 第四章21智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件第四章22智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件磁致微电机的线圈缠绕需要一个较厚的致动器交叉部分。一种方法是采用聚酰亚胺基处理使微型结构装配在标准CMOS过程的顶端。发动机的核心是多层镍-铁电镀绕线缠绕的弯曲的导体。导体和线
15、圈的弯曲结构是以导体和磁芯正常方位的逆向更替来实现的。磁芯是沿环形导体缠绕而成，导体或为交错或为相连方式的多层次金属层。聚酰亚胺被用作嵌于线圈和磁芯之间的内绝缘层。图4.1.5是这种电机的多层卷绕线圈的结构。由于驱动控制器的限制，转子运行的最高速度为500r/m。 第四章23智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件表面微加工技术已用于制造嵌入式微型步进电机。这种电机外环具有内齿，被每个末端的互换的梭子相互嵌入，如图所示。外环在其外层也有齿轮，这意味着它能和其他机器互动。既有旋转形式的步进电机，也可以实现线性步进形式。可用于实现那些要求精确的、可重复定位的微机械元件设计。 第四章24智
16、能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件6. 其它半导体材料的微执行器目前，采用薄膜和金属镀膜、绝缘材料、在砷化镓和磷化铟基底上附之光阻材料牺牲层工艺制作执行器已完成了设计。用砷化镓和磷化铟材料制作微机械集成装置要求通过片上执行器实现潜在的调整从而获得性能与产量的改善。互相交叉滑动的电容调节器、弯曲杠杆，旋转开关已经应用于微机械集成兼容过程并作为最终实现微集成控制目标迈出的第一步。 第四章25智能传感器的外围技术4.1 微机电系统结构与元器件关于延展型炭化硅膜和喷溅型非晶体炭化硅薄膜的研究已经在高温EMS器件的应用中开辟了新的途径。利用体型微机械加工技术，悬挂式隔膜和无支撑悬臂结构被蚀刻于延展硅膜上，由于在薄膜上残余的张力变化，悬臂樑产生向下的偏移。表面微机械加工技术也用于非晶体炭化硅。一个150微米直径、1.5微米厚的齿轮是从非晶体炭化硅喷溅于二氧化硅上构成的，以这些材料实现了MEMS器件的设计，但是从实验室到产品化过程还需
