第5章 微传感器和微执行器
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封装技术
由于这些输入输出的界面往往对MEMS器件的特性 有较大的影响。因此，IC开发的传统封装技术只能应 用于少数的MEMS产品。
典型MEMS 微系统封装示例
多批自组装流程图
自组装结果 LED与衬底的电学装配集成
MEMS芯片级封装技术
概述 MEMS芯片级封装主要功能是为MEMS器件提供
必要的微机械结构支撑、保护、隔离和与其他系统 的电气连接，以提高芯片的机械强度和抗外界冲击 的能力，确保系统在相应的环境中更好地发挥其功 能。
该类封装通常是在圆片级实现，所以又称为圆片 级封装(wafer level package) 。圆片级封装一次可以 同时封装许多个微传感器和执行器，提高了MEMS 前后道工序协作的效益，是目前MEMS封装研究中 的热点。
通常，经过多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙 度无法满足其要求，而且直接键合使用的高温也会对 电路和MEMS器件带来损坏。所以，硅片直接键合 大多用于制作SOI圆片而不用于直接封装MEMS硅片。
硅片熔融键合
(2)阳极键合(anodic bonding)
又称静电键合，这种技术将玻璃与金属或硅等半导 体键合起来，不用任何粘合剂，键合界面气密性和 稳定性很好。一般的键合条件：硅片接阳极，玻璃 接阴极，温度为300-4000C，偏压500-1000V。
芯片级装配不仅完全消除了器件加工工艺不兼容对系 统性能的影响，而且整个系统完全模块化，有利于来自不 同领域设计人员之间的协同。
由于MEMS器件尺寸微小，对微装配的精度要求达 到了微米、亚微米级，甚至达到纳米级，这对装配工 艺设计、连接方式、装配设备、操作环境、对准方式 以及操作方法都提出了非常严格的要求。
仪器仪表行业智能化仪器仪表开发方案
仪器仪表行业智能化仪器仪表开发方案第一章智能化仪器仪表概述 (3)1.1 智能化仪器仪表的定义 (3)1.2 智能化仪器仪表的分类 (3)1.3 智能化仪器仪表的发展趋势 (3)第二章智能化仪器仪表开发流程 (4)2.1 需求分析 (4)2.2 设计与选型 (4)2.3 软件开发 (4)2.4 系统集成与测试 (5)第三章智能传感器技术 (5)3.1 传感器概述 (5)3.2 智能传感器原理 (5)3.2.1 信号采集 (5)3.2.2 信号处理 (6)3.2.3 信号传输 (6)3.3 智能传感器设计 (6)3.3.1 传感器选型 (6)3.3.2 微处理器选型 (6)3.3.3 通信模块设计 (6)3.3.4 软件开发 (6)3.4 智能传感器应用 (6)3.4.1 工业自动化 (6)3.4.2 环境监测 (6)3.4.3 医疗健康 (7)3.4.4 智能家居 (7)3.4.5 无人驾驶 (7)第四章数据采集与处理技术 (7)4.1 数据采集原理 (7)4.2 数据预处理 (7)4.3 数据分析方法 (7)4.4 数据可视化 (8)第五章通信与网络技术 (8)5.1 通信原理 (8)5.2 网络技术 (8)5.3 通信协议 (8)5.4 网络安全 (9)第六章智能控制技术 (9)6.1 控制系统概述 (9)6.2 智能控制原理 (9)6.3 智能控制算法 (9)6.4 智能控制应用 (10)第七章人机交互技术 (10)7.1 人机交互概述 (10)7.2 交互界面设计 (10)7.3 交互方式 (11)7.4 用户体验 (11)第八章软件开发与集成 (11)8.1 软件开发流程 (11)8.1.1 需求分析 (11)8.1.2 设计阶段 (12)8.1.3 编码实现 (12)8.1.4 调试与优化 (12)8.2 软件架构设计 (12)8.2.1 模块划分 (12)8.2.2 接口定义 (12)8.2.3 技术选型 (12)8.3 软件集成 (12)8.3.1 硬件集成 (12)8.3.2 软件模块集成 (12)8.3.3 系统集成 (13)8.4 软件测试 (13)8.4.1 单元测试 (13)8.4.2 集成测试 (13)8.4.3 系统测试 (13)8.4.4 验收测试 (13)第九章智能化仪器仪表测试与验证 (13)9.1 测试方法 (13)9.2 测试设备 (14)9.3 测试流程 (14)9.4 验证与评估 (14)第十章智能化仪器仪表发展趋势与展望 (15)10.1 技术发展趋势 (15)10.1.1 高精度与高稳定性 (15)10.1.2 网络化与云计算 (15)10.1.3 智能诊断与预测性维护 (15)10.1.4 跨平台与兼容性 (15)10.2 市场前景分析 (15)10.2.1 市场规模 (15)10.2.2 市场竞争格局 (15)10.2.3 市场趋势 (15)10.3 行业挑战与机遇 (15)10.3.1 挑战 (16)10.3.2 机遇 (16)10.4 发展策略与建议 (16)10.4.1 提高研发投入 (16)10.4.2 拓展市场渠道 (16)10.4.3 优化产品结构 (16)10.4.4 加强人才培养 (16)第一章智能化仪器仪表概述1.1 智能化仪器仪表的定义智能化仪器仪表是指集成了现代电子技术、计算机技术、通信技术、传感技术及人工智能等先进技术的测量和控制设备。
物联网工程导论课后习题答案
第1章物联网概论1.简述物联网的定义物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。
2.简述物联网应具备的三个特征（1）全面感知：利用射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取；（2）可靠传送：通过将物体接入信息网络，依托各种通信网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享；（3）智能处理：利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，实现智能化的决策和控制。
3.简述信息浪潮15年定律的内容“计算模式每隔15年发生一次变革”被称为“15年周期定律”。
4.请解释以下名词：RFID；EPCRFID：Radio Frequency Identification射频识别。
EPC：Electronic Product Code产品电子代码。
5.物联网的三大推动力分别是什么？政府；企业；教育界与科技界。
6.国家提出的战略性新兴产业领域，主要包括哪七个方面？1）、节能环保产业；2）、新一代信息技术产业；3）、生物产业；4）、高端装备制造产业；5）、新能源产业；6）、新材料产业；7）、新能源汽车产业。
第2章物联网应用案例11.请说出数字城市发展的两个阶段数字化是数字城市发展的第一阶段。
在这一阶段，数字城市实现了无纸化、自动化办公，同时网络基础设施建设完成。
信息化是数字城市发展的第二阶段。
政府信息化、产业信息化、领域信息化和社会信息化发展迅速，各个部门内部形成有效的信息系统。
2.什么是智慧城市？智慧城市是充分利用数字化及相关计算机技术和手段，对城市基础设施与生活发展相关的各方面内容进行全方面的信息化处理和利用，具有对城市地理、资源、生态、环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字网络化管理、服务与决策功能的信息体系。
3.谈谈数字城市与智慧城市的区别一是关注点不同。
智能传感器系统(第二版)(刘君华)1-5章 (1)
第1章 概述
由于传感器的使用， 使生产工艺过程的控制和产品性 能的检测有了保证， 所以它是提高产品竞争力的强有力的 手段， 是获得经济效益的有效途径。 据有关资料， 全美电 站的相关数据表明， 如果主汽流量精度改善1%， 电站的燃 烧成本（热效率）将会改善1%， 每年可节约3亿美元； 若 传感器及其测量仪表可利用率提高1%， 则每年可节约30亿 美元； 美国的电站采用了先进的传感器和控制技术后， 使 全美经济每年获益达110亿美元之多。
第1章 概述
（2） 传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的 程度。 20世纪80年代， 日本、 西欧市场传感器销售值年增 长率为30%~40%， 英国传感器销售额1990年比1980年增长 24倍。 近十几年来发达国家传感器的产量及市场需求年增 长率平均在10%以上。 这是因为它是：
第1章 概述
第1章 概述
1.2
作为获取信息工具的传感器， 位于信息系统的最前端。 其特性的好坏、 输出信息的可靠性对整个系统质量至关重 要。 因此， 传感器的性能必须适应系统使用的要求。
回顾自动化系统对传感器的要求， 对了解智能传感器 提出的背景是很有益处的。
自动化系统对传感器最基本的， 而且又是最急切的要 求是： 降低现行传感器的价格性能比。
mems的主要构成
mems的主要构成MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种集成了微电子技术、微机械技术和微加工技术的微型化系统。
它由微小的电子元件和机械元件组成，通常包括以下主要构成部分：1. 传感器（Sensors）： MEMS中的传感器是用于检测、测量和感知环境变量的部件。
常见的MEMS传感器包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、温度传感器等。
这些传感器可以将物理量转换为电信号，用于监测和控制。
2. 执行器（Actuators）：执行器是MEMS系统中的动态元件，用于响应传感器的信息并执行相应的动作。
例如，微型电机、微型阀门和微型振动器等。
执行器通过电信号、热能或其他形式的能量输入，产生机械运动或其他控制行为。
3. 微处理器（Microprocessor）：微处理器是MEMS系统的智能部分，用于处理和分析传感器采集的数据，并根据需要控制执行器。
微处理器通常集成在MEMS芯片中，使得MEMS能够实现更为复杂的功能。
4. 微机械结构（Micro-Mechanical Structures）：MEMS的微机械结构是由微小的机械元件组成的，例如梁、弹簧、振膜等。
这些结构通过微加工技术制造，并在MEMS设备中执行特定的机械功能。
5. 封装和封装材料：MEMS芯片通常需要封装以保护其内部结构，同时提供连接和通信的接口。
封装材料必须对外部环境具有适当的耐受性，并保障MEMS内部的稳定性。
6. 通信接口：对于需要与外部系统通信的MEMS设备，通信接口是必不可少的。
这可能涉及标准的数字通信协议，例如I2C、SPI 或UART等，以及无线通信技术，如蓝牙或射频识别（RFID）等。
MEMS技术的发展使得微小尺寸的机电系统得以实现，从而为传感器、执行器和控制器的集成提供了可能。
这种集成化的设计使得MEMS能够在广泛的应用领域发挥作用，包括汽车、医疗、通信、消费电子等。
微机电系统-MEMS简介_图文
分析和遗传诊断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、
微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械
在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来
了希望。
*
19
OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统
• 金山科技集团研制的胶囊内镜
“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医 学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS） 高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视 仪、影像分析处理软件等组成。
21
微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.
这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流 MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能 更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检 测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。 成本非常低廉。
微机电系统-MEMS简介_图文.ppt
MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发 明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好 的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行 器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片 上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。
胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机
器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送
药等方面应用甚广。
MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特
点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风
MEMS技术
MEMS在微光学及电子系统如开关、继电器、扫描器、 显示设备、variable capacitances等领域同样有着深入的
应用而且在广计算机网络和通信方面具有巨大的市场
AFM和STM工具及数据存储系统使用微驱动器来获得 超高密度的记录和扫描。
驱动原理
尺寸的变化不仅对机械的设计而且对微 执行器的驱动也有影响。驱动原理的选 择依据以下几方面：尺寸、技术、相应 时间、力、扭矩，而且还要考虑到位移 和能耗等方面。主要可分为下面两方面：
模制
电镀 LIGA HEXSIL 这些技术可以允许high aspect ratios and a
structure height of more than 100 微米，但 其机械结构与表面微加工相比简单。
MEMS的材料问题
由于材料的性质，MEMS的设计还要注 意许多问题。
在MEMS设计的发展中，一些模拟工具 极大的促进了MEMS的发展。但标准的 测试途径及一些材料性质资料的积累却 滞后与这些设计和模拟工具，并严重阻 碍了MEMS的使用。
弹性 强度性质 粘度和粘结力 疲劳
微型机械执行机构已不止是在实验室的 设计，我们可以看到其10几年来的许多 应用，并且迅速增大了其市场。但目前 他还只是刚刚起步。MEMS的应用将有 助于产生更好质量的器件：更高的灵敏
度，更好的再现性，更快的反应速度， 而且减小能源的消耗。
静电学应用发展的特点
多学科交叉 静电力对小微粒非常有效，并直接作用
于带电物质而不是介质 静电沉积最明显成熟的标志是在1963年
H.J.White论文的发表。此时正是全社会 关注环境污染问题的时候，这就极大的 促进了静电沉积的应用。
二、静电被覆
现代工业的一个显著标志就是对一层乃 至多层材料被覆表面的要求
MEMS设计知识点总结
MEMS设计知识点总结MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 是一种微机电系统，通过利用微观尺度的物理、机械、光电学和化学特性，将微型传感器、执行器以及电子控制电路集成在一起。
MEMS设计是一项涉及多领域知识的复杂过程，本文将对MEMS设计的关键知识点进行总结，以帮助读者更好地了解和应用MEMS技术。
一、MEMS设计流程MEMS设计的流程一般包括以下几个步骤：1. 定义需求：明确设计的目的和要求，包括感测或执行的物理参数、性能指标等。
2. 概念设计：通过分析和评估不同的设计方案，选择最合适的设计方案。
3. 详细设计：进行具体的器件结构设计，包括材料的选择、尺寸的确定、布局的设计等。
4. 模拟仿真：利用计算机辅助工具进行工艺和物理仿真，验证设计的可行性和性能。
5. 制造工艺：将设计转化为实际器件，包括制程流程的制定、工艺设备的选择等。
6. 测试与验证：对制造出的器件进行测试和验证，评估其性能是否满足设计要求。
7. 优化与改进：根据测试结果和反馈，对设计进行优化和改进。
二、MEMS设计中的关键问题1. 材料选择：MEMS器件需要具备特定的物理和机械性能，如高硬度、抗腐蚀性、低热膨胀系数等。
常用的材料包括硅、氮化硅、金属、玻璃等。
2. 结构设计：根据不同的应用需求，设计合适的MEMS结构，如梁、薄膜、微型通道等。
结构设计要考虑到器件的稳定性、可靠性和性能。
3. 尺寸优化：通过尺寸的调整和优化，可以提高MEMS器件的性能。
例如，更小的尺寸可以提高器件的灵敏度和响应速度。
4. 电路设计：为了实现信号的处理和控制，需要设计相应的电子电路。
电路设计要考虑电源的噪声、功耗以及信号的放大和滤波等问题。
5. 封装与封装技术：为了保护MEMS器件，减少干扰和外界环境的影响，需要进行封装处理。
封装技术包括芯片封装、耦合封装等。
6. 可靠性设计：MEMS器件往往要工作在复杂的环境条件下，如高温、高湿、振动等。
第五章(3)化学传感器及电子鼻技术
18:25 电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作
18:25 电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作
18:25
3、电子鼻技术
（1）什么是电子鼻？ （2）电子鼻技术的发展历史 （3）电子鼻技术的基本原理 （4）电子鼻技术的研究现状与前景
电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作
18:25
传感器阵列的数据采集系统
电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作
18:25
4、模式识别 — 人工神经网络
（1）模式识别处理
传感器阵列输出的信号经专用软件采集、加工、处理后， 利用多元数据统计分析方法、神经网络方法和模糊方法将 多维响应信号转换为感官评定指标值或组成成分的浓度值， 得到被测气味定性分析结果的智能解释器。
1982年，英国学者Persuad和Dodd用3个商品化的SnO2气 体传感器（TGS 813、812、711）模拟哺乳动物嗅觉系统中 的多个嗅感受器细胞对戊基醋酸酯、乙醇、乙醚、戊酸、柠 檬油、异茉莉酮等有机挥发气进行了类别分析，开创了电子 鼻研究之先河。
电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作
酞菁类聚合物是有机半导体敏感材料的代表，它们所具有的 环状结构使得吸附气体分子与有机半导体之间产生电子授受 关系。不同的酞菁聚合物可选择如真空升华技术、LB膜技 术、旋涂技术和自组织膜技术（SA）等制膜技术在检测器件 上制得薄膜型气敏元件，并可制得传感器阵列，使其与计算 机模式识别技术结合使用。
聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、β－胡萝卜素等近年来也被用作有 机半导体气敏材料受到人们关注。
18:25
电子鼻敏感材料必须具备两个基本条件：
（1） 对不同的气味均有响应，即通用性要强，要求对成千上万