1物联网传感技术

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1、学习任务学习任务传感器的概念传感器的概念 传感器的基本组成及检测原理传感器的基本组成及检测原理 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用123智能检测系统智能检测系统 4MEMS技术技术 5第1页/共52页第一页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。传感器传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。第2页/共52页第二页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。 传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径，处于物联网架构的感知层，是物联网中获得信息的主要设备、物联网的神经元、人类五官的延伸。第3页/共52页第三页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。

2、传感器是物联网的基础单元，是物联网信息采集层面的关键器件。同时，MEMS（微电机系统）、MOEMS（微光机电系统）将成为物联网的技术核心，使无线传感网、光网快速加入物联网的应用系统，提供更明确的应用方向和更丰富的市场机会，物联网也将成为传感器市场的新引擎。 实际生活中，传感器无处不在第4页/共52页第四页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.1 传感器的概念传感器的概念全自动洗衣机全自动洗衣机浊度传感器浊度传感器自动冲水装置自动冲水装置光电传感器和电子系统光电传感器和电子系统遥控器遥控器红外传感器红外传感器汽车汽车是个传感器俱乐部：温度、空气流量、是个传感器俱乐部：温度、空气流量、压力、转速

3、、位移、水位、曲轴、防抱死制动系压力、转速、位移、水位、曲轴、防抱死制动系统（统（ABS）、爆震、里程表等多种传感器）、爆震、里程表等多种传感器第5页/共52页第五页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.1 传感器的概念传感器的概念话筒话筒在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，构成一种动线圈，线圈处于永磁体的磁场中，构成一种动圈式的传感器圈式的传感器声控灯声控灯压电传感器压电传感器手机的触摸屏手机的触摸屏点触摸、面触摸等点触摸、面触摸等数码产品数码产品MP3、手机等听歌时，用力一摇、手机等听歌时，用力一摇就换成了下一曲，这就用到了加速度

4、传感器就换成了下一曲，这就用到了加速度传感器第6页/共52页第六页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.1 传感器的概念传感器的概念电饭锅电饭锅温度传感器温度传感器电熨斗电熨斗另一种温度传感器另一种温度传感器光电鼠标光电鼠标光学传感器光学传感器+图像分析芯片图像分析芯片（DSP）汽车称重汽车称重压力传感器压力传感器电子天平电子天平压力传感器压力传感器+电子系统电子系统电子温度计电子温度计红外传感器红外传感器第7页/共52页第七页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.1 传感器的概念传感器的概念各种传感器层出不穷，各种传感器层出不穷，2009年全球用量用量年全球用量用量达达13亿；亿；201

5、0年用于手机的有年用于手机的有10多亿，用于多亿，用于汽车市场的有汽车市场的有420万；万；2013年汽车市场用量达年汽车市场用量达到到1460万。中国传感器年增万。中国传感器年增15%，未来年用量，未来年用量将超万亿。将超万亿。第8页/共52页第八页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.1 传感器的概念传感器的概念传感器是把非电学物理量（如传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电的电学量（如电压、电流、电容等）的一种元件。容

6、等）的一种元件。在实际应用中，传感器一般由在实际应用中，传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅路三部分组成，有时还加上辅助电源。助电源。按按国家标准（国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义对传感器的定义为为：能：能感受被感受被测量测量并按照一定的规律并按照一定的规律转换成可转换成可用输出信号用输出信号的器件或装置，通常的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。由敏感元件和转换元件组成。人类五官延伸人与机器的对应关系第9页/共52页第九页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.2 传感器的基本组成及检测原理传感器的基本组成及检测原理

7、 敏感元件敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，它直接感受被测非电学量，输出与被量的部分，它直接感受被测非电学量，输出与被输出有确定对应关系的，转换元件所能接受的其输出有确定对应关系的，转换元件所能接受的其他物理量，如膜片或膜盒把被测压力变成位移量。他物理量，如膜片或膜盒把被测压力变成位移量。敏感元件敏感元件是传感器的核心是传感器的核心。第10页/共52页第十页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.2 传感器的基本组成及检测原理传感器的基本组成及检测原理 需要指出需要指出，并不是所有的传感器都能明显地区分敏，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件

8、和转换元件两部分，有些传感器转换元件不感元件和转换元件两部分，有些传感器转换元件不止一个，有些传感器（如热电偶）将敏感元件和转止一个，有些传感器（如热电偶）将敏感元件和转换元件合为一体。换元件合为一体。测量电路测量电路是将转换元件输出的信号进一步地转换和是将转换元件输出的信号进一步地转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性。好的品质特性。第11页/共52页第十一页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.2 传感器的基本组成及检测原理传感器的基本组成及检测原理 电源电源是可选项，主要负责为敏感元件、转换元件和测量是可选项，主要负责

9、为敏感元件、转换元件和测量电路供电。电路供电。无源型是最简单、最基本的传感器构成形式，它只由敏无源型是最简单、最基本的传感器构成形式，它只由敏感元件单独组成。输入量多为力学量（力、湿度、速度、感元件单独组成。输入量多为力学量（力、湿度、速度、加速度），输出量一般是电学量。最大特点是还需要外加速度），输出量一般是电学量。最大特点是还需要外接电源，其敏感元件能够从被测对象直接获取能量，并接电源，其敏感元件能够从被测对象直接获取能量，并将能量转换为电量，但一般输出量较弱，如热电偶传感将能量转换为电量，但一般输出量较弱，如热电偶传感器、压力传感器等通常是无源传感器。器、压力传感器等通常是无源传感器。第

10、12页/共52页第十二页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.2 传感器的基本组成及检测原理传感器的基本组成及检测原理 有源型通常建立在无源型的基础上，它与无源型的不同之处有源型通常建立在无源型的基础上，它与无源型的不同之处在于为了确保敏感元件的工作点稳定，使用了辅助能源。辅在于为了确保敏感元件的工作点稳定，使用了辅助能源。辅助能源主要起激励作用，它既可以是电源，也可以是磁源。助能源主要起激励作用，它既可以是电源，也可以是磁源。有源传感器的特点是，不需要测量电路即可有较大的电量输有源传感器的特点是，不需要测量电路即可有较大的电量输出，如光电管、光敏二极管、霍尔传感器等。出，如光电管、光敏二极

11、管、霍尔传感器等。第13页/共52页第十三页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用传统传感器的局限性传统传感器的局限性网络化、智能化的程度十分有限，缺少有效的数据处理与信息共享能力现代传感器现代传感器特点：微型化、智能化和网络化典型代表：无线传感节点第14页/共52页第十四页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用1.温度传感器温度传感器热敏电阻热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，根据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，根据材

12、料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。以及温控报警等等。半导体温度传感器半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。温度，具有成本低廉，线性度好等优点。第15页/共52页第十五页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化；由不同金属材料构成转化为电压和电流的变化；由不同金属材料构成的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，的温差电偶，能够在比较

13、大的范围内测量温度，例如例如-2002000。第16页/共52页第十六页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用2.光传感器光传感器光传感器光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两个大可以分为光敏电阻以及光电传感器两个大类。类。光敏电阻光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。来进行光探测。第17页/共52页第十七页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用2.光传感器光传感器光电传感器光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件

14、都是利主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。光敏二极管的反向饱和电流在光照用半导体器件对光照的敏感性。光敏二极管的反向饱和电流在光照的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片的把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片的集成光传感器。集成光传感器。光敏电阻结构图与实物光敏三极管集成光传感器第18页/共

15、52页第十八页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用3.压力传感器压力传感器压力传感器压力传感器是通过测量目标沿地面所产生的压是通过测量目标沿地面所产生的压力变化来发现和测定目标的侦察设备。其种类力变化来发现和测定目标的侦察设备。其种类有：应变钢丝传感器、平衡压力传感器、振动有：应变钢丝传感器、平衡压力传感器、振动/磁性电缆传感器、驻极体电缆和光纤压力传感磁性电缆传感器、驻极体电缆和光纤压力传感器等。器等。常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的的内部

16、结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。改变，产生相应的电信号。第19页/共52页第十九页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用Honeywell 24PC 压力传感器及其内部结构一种车用电容式压力传感器的结构原理图及实物图第20页/共52页第二十页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用4.湿度传感器湿度传感器湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。电阻式湿度传感器也称为湿敏电阻，利用氯化锂、电阻式湿度传感器也称为湿

17、敏电阻，利用氯化锂、碳、陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿碳、陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。度。电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。介电系数的湿度敏感性来探测湿度。第21页/共52页第二十一页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用4.湿度传感器湿度传感器一种电阻式陶瓷湿敏传感器结构图一种电容式湿敏传感器结构图几种湿度传感器第22页/共52页第二十二页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应

18、用5.霍尔（磁性）传感器霍尔（磁性）传感器霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而受到磁场的作用力，流的电子在磁场中运动而受到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差 。可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。来计算磁场的强度。第23页/共52页第二十三页，

19、编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用霍尔效应第24页/共52页第二十四页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流、霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流、振动、位移、速度、加速度、转速等等，具有广泛振动、位移、速度、加速度、转速等等，具有广泛的应用价值。的应用价值。第25页/共52页第二十五页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用各种霍尔传感器第26页/共52页第二十六页，编辑于

20、星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用6.图像传感器图像传感器CCD电荷耦合器件工作特点电荷耦合器件工作特点CCD（Charge Coupled Device）是电荷藕合）是电荷藕合器件图像传感器。它使用一种高感光度的半导体器件图像传感器。它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算

21、机，并借助而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。像。CCD 由许多感光单位组成，通常以百万像由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。素为单位。第27页/共52页第二十七页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用当当CCD 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。在一起，就构成了一幅完整的画面。

22、 CCD 和传统和传统底片相比，底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。应。 CCD 经过长达经过长达35年的发展，大致的形状和年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。运作方式都已经定型。CCD的组成主要是由一个的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。子线路矩阵所组成。第28页/共52页第二十八页，编辑于

23、星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。（互补金属氧化物导体）器件。第29页/共52页第二十九页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.3 常用传感器的工作特点和应用常用传感器的工作特点和应用7.无线传感器应用典型案例无线传感器应用典型案例2002 年，由英特尔的研究小组和年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大加州大学伯克利分校以及巴港大西洋

24、大学的科学家把无线传感器西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。研究人员采用包括的栖息情况。研究人员采用包括光、湿度、气压计、红外传感器、光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近摄像头在内的近10 种传感器类型种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据到网络，将数据到 传输到传输到300 英尺外英尺外的基站计算机内，再由此经卫星的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。在那之后，传输至加州的服务器。在那之后，全球的研究人员都可以通过互联全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数

25、据，网察看该地区各个节点的数据，掌握第一手的环境资料，为生态掌握第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为有效环境研究者提供了一个极为有效便利的平台。便利的平台。大鸭岛生态环境监测系统第30页/共52页第三十页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.4 智能检测系统智能检测系统智能检测系统的组成及特征智能检测系统的组成及特征智能传感器（智能传感器（smart sensor）是一种具有一定信息处理能力的传感）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。智能传感器组成第31页/共52页第三十一

26、页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.4 智能检测系统智能检测系统智能检测系统的组成及特征智能检测系统的组成及特征上图所示，在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集上图所示，在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号通常要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能的信号通常要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微处理器传感器构成的应用系统中，其包含的微处理器MCU（Micro Controller Unit，单片微型计算机）能够对采集的信号进行，单片微型计算机）能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。分析处理，然后把

27、处理结果发送给系统中的主机。智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了主智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了主机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统易于机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统易于实现；此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。实现；此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。第32页/共52页第三十二页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.4 智能检测系统智能检测系统常用智能检测系统的设计常用智能检测系统的设计1. 智能压力传感器智能压力传感器图中显示的是图中显示的是Honeywell （美国霍尼韦尔）公

28、司开发的（美国霍尼韦尔）公司开发的PPT 系系列智能压力传感器的外形以及内部结构。列智能压力传感器的外形以及内部结构。PPT系列智能压力传感器传感器内部结构第33页/共52页第三十三页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.4 智能检测系统智能检测系统2.智能温湿度传感器智能温湿度传感器图中显示的是图中显示的是Sensirion （瑞士盛世瑞恩）公司推出的（瑞士盛世瑞恩）公司推出的SHT11/15温温湿度智能传感器的外形、引脚以及内部框图。湿度智能传感器的外形、引脚以及内部框图。第34页/共52页第三十四页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.4 智能检测系统智能检测系统3.智能液体浑浊度传

29、感器智能液体浑浊度传感器图中显示的是图中显示的是Honeywell 公司推出的公司推出的AMPS-10G 型智能液体浑浊型智能液体浑浊度传感器的外形、测量原理以及内部框图。度传感器的外形、测量原理以及内部框图。第35页/共52页第三十五页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.4 智能检测系统智能检测系统智能传感器的结构可以是集成的，也可以是分离式，按结构可以分为智能传感器的结构可以是集成的，也可以是分离式，按结构可以分为 集成式、混合式和模块式集成式、混合式和模块式三种形式三种形式 。 集成智能传感器是将一集成智能传感器是将一个或多个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一个硅个或多个敏感

30、元件与微处理器、信号处理电路集成在同一个硅片上，集成度高、体积小片上，集成度高、体积小 。这种集成的传感器在目前的技术水平下。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同的芯片上，还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同的芯片上，则构成混合式的智能传感器（则构成混合式的智能传感器（Hybrid Smart Sensor），目前这种），目前这种结构比较多。初级的智能传感器也可以由许多相互独立的模块组成，如结构比较多。初级的智能传感器也可以由许多相互独立的模块组成，如将微处理器、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感将微处理器、信号

31、调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内，体积较大，但在目前的技术水平下，仍不失为一器装配在同一壳体内，体积较大，但在目前的技术水平下，仍不失为一种实用的结构形式。种实用的结构形式。第36页/共52页第三十六页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术 微机电系统的英文名称是微机电系统的英文名称是Micro Electro Mechanical Systems ，简称，简称MEMS，是一种由微电子、微机械部件构成，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工的微型器件，多采用半导体工艺加工。概念始于。概念始于20世纪世纪80年代年代末

32、。它一般泛指特征尺度在亚微米毫米范围的装置。末。它一般泛指特征尺度在亚微米毫米范围的装置。MEMS 是由微加工技术制备，是由微加工技术制备， 特征结构在微米尺度特征结构在微米尺度（1m0.1mm范围）范围） 的，集成有微传感器、微致动器、微电子的，集成有微传感器、微致动器、微电子信号处理与控制电路等部件的微型系统。其中微传感器获取外部信息，信号处理与控制电路等部件的微型系统。其中微传感器获取外部信息，微电子信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微致动器执行决策。微电子信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微致动器执行决策。第37页/共52页第三十七页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5

33、MEMS技术技术 MEMS技术是一种全新的，必须同时考虑多种物理场混合作用的技术是一种全新的，必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域。研发领域。 完整的完整的 MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，并集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、系统，并集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智

34、能化和可靠性水平。智能化和可靠性水平。第38页/共52页第三十八页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术 特点及应用特点及应用由于由于MEMS的体积小、集成度高、功能灵活而强大，的体积小、集成度高、功能灵活而强大，使人类的操作、加工能力延伸到使人类的操作、加工能力延伸到微米级空间微米级空间。系统具有。系统具有微小的质量和消为微小的质量和消为 耗，微小的尺寸，通常还为耗，微小的尺寸，通常还为MEMS器器件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。80%以上的以上的MEMS采用硅微工艺进行制作，使其具有大批量生产模式，采用硅微工艺进行制作，使其具有

35、大批量生产模式，制造成本因而得以大大降低制造成本因而得以大大降低 。在单一芯片内实现机电集。在单一芯片内实现机电集成也是成也是MEMS独有的特点。独有的特点。第39页/共52页第三十九页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术 特点及应用特点及应用基于基于MEMS技术制作的微传感器技术制作的微传感器 、微执行器、微型构、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应及

36、几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像技术正发展成为一个巨大的产业，就像近近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。并对人类社会产生新一轮的影响。第40页/共52页第四十页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术 特点及应用特点及应用 目前目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘

37、驱动头等。大多数工业观微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来察家预测，未来5年年MEMS器件的销售额将呈迅速增长器件的销售额将呈迅速增长之势，之势，年平均增加率约为年平均增加率约为18%，因此对机械电子工程、，因此对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。的机遇和严峻的挑战。第41页/共52页第四十一页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术 常用的常用的 MEMS 传感器传感器1. 微机电压力传感器微机电压力传感器微机械压力传感器是最早开发研制的微机械产品，也是

38、为机械微机械压力传感器是最早开发研制的微机械产品，也是为机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为微机械压力传感器分为压阻式和电容式压阻式和电容式两类，两类，分别以微机械加工分别以微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看有圆形、方形、。从敏感膜结构来看有圆形、方形、E 形等多种结构。目前，形等多种结构。目前，压阻式传感器的精度可达压阻式传感器的精度可达0.05% 0.01%, 年稳定性达年稳定性达0.1%/FS（位移测量精度），温度误差为（位移测量精度），温度误

39、差为0.0002%，耐压可达几百兆帕，过电压保护范围可达传感器量程的，耐压可达几百兆帕，过电压保护范围可达传感器量程的20倍以上倍以上，并能进行大范围下的全温补偿。，并能进行大范围下的全温补偿。第42页/共52页第四十二页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术图示为某轮胎压力传感器的内部结构以及外观图。该压力传感器利用了图示为某轮胎压力传感器的内部结构以及外观图。该压力传感器利用了传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。测试时使用了传感器内部集成的

40、测量电桥。MEMS压力传感器结构传感器中集成的测量电桥传感器外形第43页/共52页第四十三页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术2. 微机电加速度传感器微机电加速度传感器 微机电加速度传感器是继微压力传感器之后，第二个进入市微机电加速度传感器是继微压力传感器之后，第二个进入市场的微机械传感器。主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以场的微机械传感器。主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。如变化的电阻和电容。第44页/共52页第四十四页，编辑于星期四：

41、二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术3. 微机电气体流速传感器微机电气体流速传感器 图中的气体流速传感器可以用于空调等设备的监测与控制。图中的气体流速传感器可以用于空调等设备的监测与控制。图中也给出气流感应温度分布特征。图中也给出气流感应温度分布特征。气体流速传感器显微照片有气流时的温度分布气体流速传感器结构图无气流时的温度分布第45页/共52页第四十五页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术4. 微机械陀螺仪微机械陀螺仪陀螺仪也称为陀螺仪也称为角速度传感器角速度传感器，是用来测量物体旋转快慢的，是用来测量物体旋转快慢的传感器。它在运输系统，例如导航、刹车调节控制

42、和加速传感器。它在运输系统，例如导航、刹车调节控制和加速度等方面有很多应用。按照制作原理及结构可将其大致分度等方面有很多应用。按照制作原理及结构可将其大致分为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪三类。为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪三类。微机械陀螺仪（微机械陀螺仪（MEMS Gyroscope）主要有转子式、振）主要有转子式、振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。目前，动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。目前，MEMS 陀螺仪基本都是振动式的。陀螺仪基本都是振动式的。第46页/共52页第四十六页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术 一种采用超小

43、LGA 封装的多轴陀螺仪第47页/共52页第四十七页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，而陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，而MEMS加速计则能测量线性加速度，因此这两者是一对加速计则能测量线性加速度，因此这两者是一对理想的互补技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺理想的互补技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员可以跟踪并捕捉三维空仪这两种传感器，系统设计人员可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航

44、系统以及其它功能。体验、精确的导航系统以及其它功能。例如被用在例如被用在iPhone中，通过对旋转时运动的感知，中，通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变横竖屏显示，以便消费者能够可以自动地改变横竖屏显示，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。第48页/共52页第四十八页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。1.5 MEMS技术技术三轴陀螺仪和距离感应器应用于数字图片第49页/共52页第四十九页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。列举智能楼宇、智能家居中的传感器，并作详细介绍。第50页/共52页第五十页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。See You!第51页/共52页第五十一页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。感谢您的观看。第52页/共52页第五十二页，编辑于星期四：二十三点 四十七分。