现代传感技术

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以及网关构成的传感 器网络。安放在不同 微传感器系统 地点的传感器节点不 断采集着外界的物理 信息，如温度、声音、 包括微传感器、微执 震动等。相互独立的 行器，可以独立工作 节点之间通过无线网 。此外，还可以由多 络进行通信。无线传 个微传感器组成传感 感器网络的每个节点 器网络或者通过其他 都能够实现采集，数 网络实现异地联网。 据的简单处理，还能 接收来自其他节点的 数据，并最终将数据 发送到网关。工程师 可以从网关获取数据， 查看历史数据记录或 进行分析。

微型机械电子系统所用材料主要有硅体物质( 单晶硅、多晶硅、处延硅层、二氧 化硅、氮化硅、碳化硅等) , 硅的硬度和抗疲劳强度高于不锈钢, 密度低于铝, 热 传导性好, 热膨胀系数低, 抗蠕变和畸变能力强。
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微传感器是目前最为成功、最具有实用性的微机械电子系统装置。 种由独立分布的节点 它包括三个层面的含义：
无线传感器网络是一
单一微传感器 它的一个显著特点就 是尺寸小（一般敏感 元件的尺寸从毫米级 到微米级、有的甚至 达到纳米级.在加工 中，主要采用精密加 工、微电子技术以及 MEMS技术，使得传 感器的尺寸大大减小。
集成微传感器 将微小的敏感元件、 信号处理器、数据处 理装置封装在一块芯 片上，形成集成的传 感器。
基础理论
随着尺寸的缩小，物质的一些宏观特性发生了变化，很多原来在普通尺寸下 适用的理论也随之发生类似纳米效应那样的变化。纳米效应就是指纳米材料 具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到 某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界 限时开始导电。
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在微机电系统中，涉及多种基础理论方面的研究：
智能材料 指那些具有结构功能 化和功能多样化的材 料组合体，它模糊了 结构与功能的明显界 限，一般具备传感、 制动和控制三个基本 要素，能够模仿人类 或生物的某些特定行 为，对外界信息激励 具有较强的自适应能 力。如形状记忆材料。
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（3）微加工技术 由于微机电系统中使用最多的材料是硅，所以对硅的微 加工是微机电系统加工中的重要部分。如氧化、掺杂、光刻、腐蚀、外延、 淀积、钝化等。这些加工技术都是微机电系统加工中可能用到的工艺。但光 有这些工艺方法，还远不能满足微机电系统的要求，微机电系统中还有一些 独特的加工技术，通过常规集成电路制造中的工艺技术与这些独特的加工技 术结合，才能加工出满足微机电系统所要求的器件。 在硅微加工技术方面，主要有体硅微加工技术和表面硅微加工技术。
主要是研究微机电系 统所用材料由于受尺 寸效应影响，其导热 率、材料密度和热容 的变化情况。
主要是研究微米以下 尺度的相对运动界面 的摩擦、磨损、润滑 性能和机理，通常也 称为分子摩擦学或纳 米摩擦学。
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基础技术 微机电系统的基础技术主要涉及设计技术、加工技术、材料技术、测量技术、 集成与控制技术等。 （1）设计技术 主要是微机电系统设计方法的研究。主要有自底向上 设计、自顶向下设计和中间相遇设计（比较可行的方法）。开展计算机辅助 设计（CAD）是解决微机电系统设计的根本出路。无论在机械设计还是电子 设计方面，都有成熟的CAD系统。比较有代表性的CAD系统有美国麻省理工 学院和微观世界公司开发MEMCAD、密歇根大学开发的CAEMEMS等系统。 微机电系统CAD设计的一般过程是：通过掩膜及工艺或结构的直接描述，由 结构仿真器生成三维几何模型。然后从材料数据库中提取元件的材料特性， 将其插入几何模型中，生成完整的三维模型，再用该模型进行多能量域的分 析。 10
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目录
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微机电传感器
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软测量与软传感器 模糊传感器
仿生传感器
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2.1软测量概述
在过程控制中, 若要使生产装置处于最佳运行工况、实现多产高价值产 品, 从而提高装置的经济效益, 就必须要对产品质量等重要过程变量进 行严格控制。但由于某些原因却不能直接对该变量进行控制。例如某些 精(分)馏塔产品成分控制，在线成分分析仪表(传感器)不仅价格昂贵、 维护保养复杂, 而且由于分析仪表滞后大等原因, 最终将导致控制质量 的性能下降, 难以满足生产要求。这种情况在工业生产中实例很多, 例 如某些精(分)馏塔塔板效率, 反应器中反应物浓度、转化率、催化剂活 性, 生物发酵罐中的生物量参数等。为了解决这类变量的测量问题, 出 现了不少方法。
以单晶硅材料为加工对象，通过在硅体上有选择地 去除一部分材料，从而获得所需的微结构。常用方 法有化学刻蚀和离子刻蚀。化学刻蚀是基于化学反 应，对材料的某些部分进行有选择地去除，以形成 所需的结构构形；离子刻蚀是利用高频辉光放电产 生的活性粒子与被腐蚀材料发生物理和化学反应， 达到刻蚀目的。 表面硅加工技术是通过蒸镀和淀积方法，在硅基 表面上形成各种薄膜，通过对这些薄膜的加工， 使其与硅基一起构成整体。这些薄膜有多晶硅膜、 氮化硅膜、二氧化硅膜、合金膜以及金刚石膜等。 这些薄膜所起的作用不同，有的作为敏感膜，有 的作为介质膜起绝缘作用，有的作为衬垫层起尺 寸控制作用，有的起耐腐蚀、耐磨损作用。
（2）材料技术 材料对于传统的几何成型、微机电系统的加工工艺和特性等有着重要的影响。 一般来说，微机电系统所用的材料按性质可以分成三类：结构材料、功能材料和智能材料。
结构材料 指那些具有一定机械 强度，用于构造微机 电系统器件结构基体 的材料，如硅晶体等。
功能材料 指具有特定功能的材 料，如压电材料，光 敏材料等。
振动陀螺的工作原理是基于科氏效应，通过一定形式的装置产 生并检测科氏加速度。科氏加速度是由法国科学家科里奥利于 1835年首先提出的出现在旋转坐标系中的表征加速度，其与旋 转坐标系的旋转速度成正比。
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一个在转动的盘子上从中心向边缘作直线运动的球，它在盘子上所 形成的实际轨迹是一曲线。该曲线的曲率与转动速率是有关系 的，实际上，如果从盘子上面观察，则会看到球有明显的加速 度，即科氏加速度。此加速度由盘子的角速度矢量和球做直线 运动的速度矢量的矢积得出
体积小 重量轻
功耗低
提高智能化 水平
微传感器 的特点
性能好
便于集成化 多功能化
易于批量生产 成本低
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1.2微机电传感器的基础理论和技术基础
微机电传感器技术不仅涉及元件和系统的设计、材料、制造、测试、控制、能源 以及与外界连接等许多方面，还涉及到许多的学科领域和技术领域，如微电子技 术、微机械技术、微动力学、物理学、化学、材料科学、生物医学、计量科学等
前沿传感技术
演讲人：李晓磊
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高新技术是指那些对一个国家或一个地 区的政治、经济和军事等各方面的进步 产生深远的影响，并能形成产业的先进 前沿技术定义：是指高技术领域中具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术， 技术群。（一）信息技术领域生物技术 （二）新材料技术领域（三）新能源技 是未来高技术更新换代和新兴产业发展的重要基础，是国家高技术创新能力 术领域 的综合体现。 前沿传感技术是现代科技的前沿技术，是当今世界令人瞩目的高新技术之一， 多学科、多种高新技术的交叉融合，推动了新一代传感器的诞生和发展。 传感技术的主流和方向：集成化、微型化、智能化、网络化。
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（1-1）
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因此，尽管并无实际力施加于球上，但对于盘子上方的观察点而言， 产生了明显的正比于转动角速度的力，这个力就是科氏力。若球 的质量为m，则科氏力的值可表示为 Fc 2m ( ) （1-2） 在微机械陀螺中，一般是利用一定的振动质量 块来检测科氏力。质量块P固连在旋转坐标系 的XOY平面，如果假设沿X轴方向以相对旋转 坐标系的速度V运动，旋转坐标系绕Z轴以角 速度w旋转，则根据科氏效应原理，质量块P在 旋转坐标系的正Y轴上产生科氏力，且此科氏力 与作用在质量块P上的输入角速度w成正比，并 会引起质量块在Y轴方向的位移。通过测量此位 移信息就可获得输入角速度w的信息。
主要是在微观的范 围内以力学、机械 特性等微基础研究 的学科，其主要的 研究对象是微器件 和微部件。
主要是在“半导体物 理与器件”的基础上 形成的一门涉及固体 物理、器件和电子学 三个领域的新学科， 研究的中心问题主要 是集成电路与芯片的 设计与制造。
主要是研究流体在微 观领域的运动过程中， 由于受到尺寸效应的 影响而发生的变化。 (尺寸效应就是由于尺 寸的变化而产生的特 殊效应）
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1.3几种典型的微机电传感器 根据检测对象所属分类的不同
物理量传感器
化学量传感器
生物量传感器
力学的、光学的、 热学的、声学的、 磁学的等多种传感器。
气敏传感器和离子敏 传感器。
酶传感器、免疫传感 器、微生物传感器、 细胞传感器、DNA传 感器。
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1、力微传感器
（1）在工业过程自动化中应用极为广泛，对力和压力传感器的微型化、集 成化和智能化的研究，在实际应用中正发挥着重要的作用。 工作原理：力和压力传感器是将力或压力信号转变为电压或电流信号 的装置。 在力的侧量中可以有许多方法，一般情况下，由于力的作用，能够引 起物体的变形，因此只要能够测得变形量，就能够测到力。在这种通 过物体变形来测量力的系统中，一般由弹性元件来感受力的作用，产 生弹性变形，再由敏感元件将这种变形转换为另一种信号输出，
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除了硅的微加工技术外，在微电系统中还有一些加工方法，如键合技术、 LIGA技术、准分子激光加工技术等。 （4）微测量技术 是微机电传感器技术的重要组成部分，它为加工过程提 供了定性或定量评判，是保证加工质量的基础。微机电传感器检测主要包括 材料特性检测、结构的性能检测和综合性能检测。 在微机电传感器材料特性检测中，主要是测定材料的各种性能指标， 例如对硅晶体材料特性检测包括：a、薄膜力-应变检测；b、材料内部应力 检测；c、材料破坏强度检测；d、薄膜破坏的韧性检测；e、疲劳试验等。 对非硅晶体材料特性检测包括：a、拉伸与压缩试验；b、硬度试验；c、牵 引试验；d、微小压缩试验等。 （5）集成与控制技术 系统集成式微机电系统发展的必然趋势，它包括系 统设计、微传感器和微执行器与控制、通信电路以及微能源的集成等。
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2百度文库1软测量概述
目前应用较广泛的是软测量方法。软测量的特点是用计算机软件来取代 传统仪器中硬件功能。在测量中不存在直接的物理传感器或仪器实体， 而是利用其他由直接物理传感器实体得到的信息，通过数学模型计算手 段得到所需检测信息的一种功能实体。
软测量技术一般是根据某种最优准则，通过选择一些容易测量且与主导 变量密切联系的二次变量(辅助变量)来预测主导变量，它所建立的软测 量模型可以完成一些实际硬件检测仪器所不能完成的测量任务。
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2.2 软测量技术基本原理 软测量技术的数学描述
软测量的目的就是利用所有可以获得的信息求取主导变量的最佳估计值，即构 造从θ 、u、d到y 的映射。其中，辅助变量θ 、控制变量u和可测扰动d1。过程 的输入输出关系。
图1 力传感器的组成
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（2）电容式硅微加速度计 下图为该微加速度计的截面图.电容式加速度 计的工作原理是, 利用惯性质量块在加速度作用下, 引起悬臂梁变形, 通 过检测其上电容的变化量就可以获得加速度的大小。
图2
电容式硅微加速度计的截面图
C2
A
x2
C1
A
x1
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2、微陀螺 （1）传统的机械式陀螺通常是利用一个高速旋转转子的角动量守 恒原理来测量角速度。测量高速旋转的角速度微传感器也可称 为微陀螺或微机械陀螺。在微机电系统中要加工出如此高速旋 转的复杂的转子系统是非常困难的。几乎所有的微机械陀螺都 放弃了采用高速旋转的转子的设计，而是利用振动元件来测出 角速度，因此微机械陀螺又被称为微机械振动陀螺。
概述
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微机电传感器 软测量与软传感器
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模糊传感器
仿生传感器
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微机电传感器 软测量与软传感器
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模糊传感器
仿生传感器
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1.1微传感器
微机械电子系统（MEMS)是指大小在毫米量级以下，构成单元尺寸在微米、纳 米量级的可控制的可运动的微型机电装置；可批量制作的，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、直至接口、通信和电源等于一体的 微型器件或系统。