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MEMS傳感器和智能傳感器的發展
發布者：沈陽精測鴻圖儀器設備有限公司發表時間：2018-07-26
1．MEMS傳感器的發展狀況
美國OakRidge國家實驗室的PanosDatskos與NickolayLavrik使用MEMS傳感器檢測出5．5fs的物質，創造了一項新的世界紀錄。其使用的只有2tun長、50am厚的硅懸臂，由一種廉價的二極管激光器振動。
Datskos計劃提高MEMS傳感器的靈敏度，通過將諧振頻率從目前的2MHz提高到50MHz，并且相應地使懸臂更小、更硬，最終完成檢測單個分子的目標。
飛思卡爾半導體(Freescale)推出3款具備高感應度的傳感器，采用微機電制成的MMA6270Q(XY一軸)、MMA6280Q(一軸)和MMA7261Q(XYZ一軸)傳感器，為鎖定低成本消費電子市場的低重力(1ow—g)傳感器，可以探測透過微小的力量變化就可導致的墜落、傾斜、移動、定位和振動。
模擬器件(日本)公司計劃同時推進MEMS傳感器的集成化和多軸化，以實現可用1個傳感器來測定加速度3軸和角速度3軸的6軸傳感器。市場的大量需求，必將推進MEMS傳感器和小型化、高性能化和低耗電化等方面的開發。
2．智能傳感器的發展狀況
2．1物理轉化機理
由于集成智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數進行校正，得到一個線性度非常好的輸出結果，從而消除了非線性傳遞對傳感器應用的制約。該機理具有穩定性好、精確度高、靈敏度高的特點。
利用同一硅片上集成的智能檢測電路，可以迅速提取頻率信號，使得諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器領域的一個研究熱點。
2．2數據融合理論
數據融合是集成智能傳感器理論的重要領域，也是各國研究的熱點，對于多個傳感器組成的陣列，數據融合技術能夠充分發揮各個傳感器的特點，利用其互補性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統的使用壽命。
2．3CMO$工藝兼容
目前，國外在研究二次集成技術的同時，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結構及制造工藝流程，探求在制造工藝和微機械加工技術上有所突破。
2．4傳感器的微型化
集成智能傳感器的微型化決不僅是尺寸上的縮微與減少，而且是一種具有新機理、新結構、新作用和新功能的高科技微型系統，并在智能程度上與先進科技融合。其微型化主要基于以下發展趨勢：尺寸上的縮微和性質上的增強性；各要素的集成化和用途上的多樣化；功能上的系統化、智能化和結構上的復合性。
2．5提高測溫精度和分辨力
目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器。由美國DAIJAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數據，其分辨力高達0．03125℃，測溫精度為±0．2℃．為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A／D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為27、9．
2．6增加測試功能
新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內部256字節的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發展，這就為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉換模式、連續轉換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A／D轉換速率(典型產品為MAX6654)、分辨力及最大轉換時間(典型產品為DS1624)。
3應用實例
3．1MEMS傳感器的應用
3．11仿生機器人
仿生機器人是借助MEMS技術進行開發的研究、模仿動物或昆蟲的生物形態、結構、習性行為的電子裝置，可執行拍照、目標搜索、毒氣探測、地雷探測等人無法到達或相當危險環境內的任務。
3．1．2微飛行器
微飛行器MAV集MEMS、航空電子、飛行力學、推進器技術于一體，用于偵察、電子干擾、搜尋、救援、生化探測等用途。國際上很多科研機構積極從事這一開發，研制出多種MAV的雛形，按其飛行原理分為固定翼、旋翼、撲翼3大類型，同時加速研制的還有微渦輪機、微轉子發動機、微燃氣輪機、控制部件的微動力機電系統。研制目標是MAV的長寬高不超過150mlyl，重10—120g，續航時間20～60min，巡航速度3060km／h，有效載荷1—20g，最大飛行距離10l(m，實現傳輸圖像，可自主飛行。
3．1．3微納衛星
國外正研制質量低于10k的超微衛星以及質量小于0．1kg的納米衛星。采用MEMS技術，可將常規衛星上的許多部件微型化，例如氣相分析儀、環形激光光纖陀螺、圖像傳感器、微波收發射機、電動機、執行器等，制作成專用集成微型部件或儀器，甚至在同一芯片上構成芯片級衛星，提高衛星信息獲取和防御能力，降低衛星制作和發射成本。一枚高推力質量比的小型火箭可發射數百顆超微衛星，或采用機動應急發射方式，既單顆廉價快速完成專項任務，也能組成分布式星座或局部星團，完成以往大型衛星的任務。越來越多的理論與實踐表明：微納衛星組成的星座在遙感、通信、軍事等領域有很好的應用前景。
3．2智能傳感器的應用
3．2．1愛立信眼球
由愛立信微波技術公司研制的E眥Ⅶ(愛立信眼球)采用了智能傳感器技術和一個用戶界面友好的指揮和控制系統，可以快速獲取準確和綜合的信息。它是一種出色的雷達系統，可以在陸地和水面上分辨和跟蹤海上及空中目標，通過儀器觀測到的距離遠遠超過了地平線之外。
3．2．2計算機視覺系統
在計算機視覺系統中，智能傳感器不僅直接確定數據集的范圍，還通過測量確保系統的安全。獲得需要到達的地點信息，安置系統以得到高質量的信息。適應實踐和環境的變化，甚至獲得特殊的指令，控制器件的動作。
4傳感器的發展趨勢
4．1向高精度發展
隨著自動化生產程度的提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。
42向高可靠性、寬溫度范圍發展
傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發展新興材料(如陶瓷)傳感器將很有前途。
4．3向微型化發展
各種控制儀器設備的功能越來越強，要求各個部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。
4．4向微功耗及無源化發展
傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，在野外現場或遠離電網的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向，這樣既可以節省能源又可以提高系統壽命。目前，低功耗損的芯片發展很快，如T12702運算放大器，靜態功耗只有1．5，而工作電壓只需2～5v。
4．5向智能化數字化發展
隨著現代化的發展，傳感器的功能已突破傳統的功能，其輸出不再是單一的模擬信號(如0～10mV)，而是經過微電腦處理好后的數字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數字傳感器。
4．6向網絡化發展
網絡化是傳感器發展的一個重要方向，網絡的作用和優勢正逐步顯現出來。網絡傳感器必將促進電子科技的發展。
美國OakRidge國家實驗室的PanosDatskos與NickolayLavrik使用MEMS傳感器檢測出5．5fs的物質，創造了一項新的世界紀錄。其使用的只有2tun長、50am厚的硅懸臂，由一種廉價的二極管激光器振動。
Datskos計劃提高MEMS傳感器的靈敏度，通過將諧振頻率從目前的2MHz提高到50MHz，并且相應地使懸臂更小、更硬，最終完成檢測單個分子的目標。
飛思卡爾半導體(Freescale)推出3款具備高感應度的傳感器，采用微機電制成的MMA6270Q(XY一軸)、MMA6280Q(一軸)和MMA7261Q(XYZ一軸)傳感器，為鎖定低成本消費電子市場的低重力(1ow—g)傳感器，可以探測透過微小的力量變化就可導致的墜落、傾斜、移動、定位和振動。
模擬器件(日本)公司計劃同時推進MEMS傳感器的集成化和多軸化，以實現可用1個傳感器來測定加速度3軸和角速度3軸的6軸傳感器。市場的大量需求，必將推進MEMS傳感器和小型化、高性能化和低耗電化等方面的開發。
2．智能傳感器的發展狀況
2．1物理轉化機理
由于集成智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數進行校正，得到一個線性度非常好的輸出結果，從而消除了非線性傳遞對傳感器應用的制約。該機理具有穩定性好、精確度高、靈敏度高的特點。
利用同一硅片上集成的智能檢測電路，可以迅速提取頻率信號，使得諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器領域的一個研究熱點。
2．2數據融合理論
數據融合是集成智能傳感器理論的重要領域，也是各國研究的熱點，對于多個傳感器組成的陣列，數據融合技術能夠充分發揮各個傳感器的特點，利用其互補性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統的使用壽命。
2．3CMO$工藝兼容
目前，國外在研究二次集成技術的同時，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結構及制造工藝流程，探求在制造工藝和微機械加工技術上有所突破。
2．4傳感器的微型化
集成智能傳感器的微型化決不僅是尺寸上的縮微與減少，而且是一種具有新機理、新結構、新作用和新功能的高科技微型系統，并在智能程度上與先進科技融合。其微型化主要基于以下發展趨勢：尺寸上的縮微和性質上的增強性；各要素的集成化和用途上的多樣化；功能上的系統化、智能化和結構上的復合性。
2．5提高測溫精度和分辨力
目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器。由美國DAIJAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數據，其分辨力高達0．03125℃，測溫精度為±0．2℃．為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A／D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為27、9．
2．6增加測試功能
新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內部256字節的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發展，這就為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉換模式、連續轉換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A／D轉換速率(典型產品為MAX6654)、分辨力及最大轉換時間(典型產品為DS1624)。
3應用實例
3．1MEMS傳感器的應用
3．11仿生機器人
仿生機器人是借助MEMS技術進行開發的研究、模仿動物或昆蟲的生物形態、結構、習性行為的電子裝置，可執行拍照、目標搜索、毒氣探測、地雷探測等人無法到達或相當危險環境內的任務。
3．1．2微飛行器
微飛行器MAV集MEMS、航空電子、飛行力學、推進器技術于一體，用于偵察、電子干擾、搜尋、救援、生化探測等用途。國際上很多科研機構積極從事這一開發，研制出多種MAV的雛形，按其飛行原理分為固定翼、旋翼、撲翼3大類型，同時加速研制的還有微渦輪機、微轉子發動機、微燃氣輪機、控制部件的微動力機電系統。研制目標是MAV的長寬高不超過150mlyl，重10—120g，續航時間20～60min，巡航速度3060km／h，有效載荷1—20g，最大飛行距離10l(m，實現傳輸圖像，可自主飛行。
3．1．3微納衛星
國外正研制質量低于10k的超微衛星以及質量小于0．1kg的納米衛星。采用MEMS技術，可將常規衛星上的許多部件微型化，例如氣相分析儀、環形激光光纖陀螺、圖像傳感器、微波收發射機、電動機、執行器等，制作成專用集成微型部件或儀器，甚至在同一芯片上構成芯片級衛星，提高衛星信息獲取和防御能力，降低衛星制作和發射成本。一枚高推力質量比的小型火箭可發射數百顆超微衛星，或采用機動應急發射方式，既單顆廉價快速完成專項任務，也能組成分布式星座或局部星團，完成以往大型衛星的任務。越來越多的理論與實踐表明：微納衛星組成的星座在遙感、通信、軍事等領域有很好的應用前景。
3．2智能傳感器的應用
3．2．1愛立信眼球
由愛立信微波技術公司研制的E眥Ⅶ(愛立信眼球)采用了智能傳感器技術和一個用戶界面友好的指揮和控制系統，可以快速獲取準確和綜合的信息。它是一種出色的雷達系統，可以在陸地和水面上分辨和跟蹤海上及空中目標，通過儀器觀測到的距離遠遠超過了地平線之外。
3．2．2計算機視覺系統
在計算機視覺系統中，智能傳感器不僅直接確定數據集的范圍，還通過測量確保系統的安全。獲得需要到達的地點信息，安置系統以得到高質量的信息。適應實踐和環境的變化，甚至獲得特殊的指令，控制器件的動作。
4傳感器的發展趨勢
4．1向高精度發展
隨著自動化生產程度的提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。
42向高可靠性、寬溫度范圍發展
傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發展新興材料(如陶瓷)傳感器將很有前途。
4．3向微型化發展
各種控制儀器設備的功能越來越強，要求各個部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。
4．4向微功耗及無源化發展
傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，在野外現場或遠離電網的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向，這樣既可以節省能源又可以提高系統壽命。目前，低功耗損的芯片發展很快，如T12702運算放大器，靜態功耗只有1．5，而工作電壓只需2～5v。
4．5向智能化數字化發展
隨著現代化的發展，傳感器的功能已突破傳統的功能，其輸出不再是單一的模擬信號(如0～10mV)，而是經過微電腦處理好后的數字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數字傳感器。
4．6向網絡化發展
網絡化是傳感器發展的一個重要方向，網絡的作用和優勢正逐步顯現出來。網絡傳感器必將促進電子科技的發展。
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