,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,第,8,章 物联网,硬件技术,第 8 章 物联网硬件技术,1,学习任务,微电子机械系统（,MEMS,）,移动设备内置传感器硬件平台,数字化传感器及网络接口技术,Click to add title in here,1,2,3,本章主要涉及：,学习任务微电子机械系统（MEMS）移动设备内置传感器硬件平,2,8.1,微电子机械系统（,MEMS,）,微电子机械系统（,Micro Electro Mechanical System,）简称,MEMS,，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、电源等于一体的机械装置。,它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。,8.1 微电子机械系统（MEMS）微电子机械系统（Micr,3,8.1.1 MEMS,简介,MEMS,在美国称为微机电系统，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，,它是指可批量制作的，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。,微电子机械系统（,MEMS,）,8.1.1 MEMS简介MEMS在美国称为微机电系统，在日,4,8.1.1 MEMS,简介,微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。,它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、,LIGA,和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。,8.1.1 MEMS简介微电子机械系统不但能够采集、处理与,5,8.1.2,发展概述,完整的,MEMS,是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯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系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。,8.1.2 发展概述完整的MEMS是由微传感器、微执行器、,6,8.1.2,发展概述,MEMS,第一轮商业化浪潮始于,20,世纪,70,年代末,80,年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。,由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。,后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。,8.1.2 发展概述MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪7,7,8.1.2,发展概述,第二轮商业化出现于,20,世纪,90,年代，主要围绕着,PC,和信息技术的兴起。,TI,公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。,第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是,MEMS,一个增长强劲的领域。,8.1.2 发展概述,8,8.1.2,发展概述,目前,MEMS,产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。,推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的,片上实验室,生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。,8.1.2 发展概述目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用,9,8.1.3,微电子机械系统的应用领域,MEMS,用于取代现有仪器或系统中的元器件，最终发展方向是取代现有大系统的集成微光机电系统（,Micro Optical Electro Mechanical System,，,MOEMS,）。,MEMS,目前主要应用在微机械元器件制造、信息、汽车工业、生物医学工程、航空航天、国防军事等多个领域。,8.1.3 微电子机械系统的应用领域MEMS用于取代现有仪器,10,8.1.3,微电子机械系统的应用领域,（,1,）微机械元器件制造领域,微马达、微镊子、微齿轮、微开关、微电感、微透镜阵列、微射流器件等，它可使现有仪器设备体积更小、重量更轻、能耗更低、可靠性更高。,（,2,）信息领域,硬盘、光盘读写头、喷墨打印头，光开关、光衰减器、光滤波器、射频开关、射频移相器、数字微镜器件（,digital mirror device,，,DMD,）、蜂窝电话元器件等都已采用,MEMS,技术制造。,8.1.3 微电子机械系统的应用领域（1）微机械元器件制造领,11,8.1.3,微电子机械系统的应用领域,（,3,）汽车工业,汽车上用于保护驾驶员安全的安全气囊是最成熟的,MEMS,系统。此外，汽车上的压力传感器、废气传感器、碰撞传感器、电喷控制、空气流量传感器和陀螺等也应用了,MEMS,技术。,（,4,）生物医学工程,MEMS,技术还可用于制造药物输出系统，如微泵、微阀、药物喷雾器等。同时，血压传感器、血糖分析传感器、生物芯片、心脏起搏器和植入式微系统等均在研发中。,8.1.3 微电子机械系统的应用领域（3）汽车工业,12,8.1.3,微电子机械系统的应用领域,（,5,）航空航天领域,微陀螺、微加速度计、用于姿态控制的微推进系统、微机械红外非制冷成像系统、微飞行器和微（纳、皮）卫星等仪器中也有所应用。,（,6,）国防军事领域,化学武器识别系统、武器安全引爆系统、敌我识别系统、用于地雷探索的磁强传感器，智能炮弹、导弹和微型侦察机等。,MEMS,陀螺仪,8.1.3 微电子机械系统的应用领域（5）航空航天领域MEM,13,8.1.4,微电子机械系统技术,微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。,（,1,）,MEMS,的材料,包括导体、半导体和绝缘材料几类。根据不同的使用环境，,MEMS,材料要求耐高温、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。,在微传感器和微执行器的制造中，,MEMS,需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。,8.1.4微电子机械系统技术微电子机械系统技术包含了材料、设,14,8.1.4,微电子机械系统技术,（,2,）,MEMS,设计与模拟技术,MEMS,设计与模拟技术包括了专用集成电路（,application specific integrated circuit,，,ASIC,）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。,8.1.4微电子机械系统技术（2）MEMS设计与模拟技术,15,8.1.4,微电子机械系统技术,(3)MEMS,加工技术,MEMS,加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。,MEMS,硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。,8.1.4微电子机械系统技术(3)MEMS加工技术,16,8.1.4,微电子机械系统技术,(4),非硅,MEMS,微加工技术,非硅,MEMS,微加工技术包括,LIGA,、激光、电火花等微加工技术。,LIGA,技术是,Lithographie,、,Galvanoformung,和,Abformung,三个德语单词的缩写，该技术包含了同步辐射,X,射线光刻、微电铸和微复制三个工艺步骤，能制备高深宽比聚合物和金属微结构，并能采用微复制工艺进行批量生产。,8.1.4微电子机械系统技术(4)非硅MEMS微加工技术,17,8.1.4,微电子机械系统技术,(5)MEMS,封装技术,MEMS,封装技术的目的是建立微传感器和微执行器与专用集成电路的连接，并减少外部环境对微传感器和微执行器工作的影响。,MEMS,封装技术包括倒焊装、重布线、密封封装和真空封装等。,设计,MEMS,器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为要满足工作在严酷环境条件下的需求,例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和,EMI/RFI,等。,8.1.4微电子机械系统技术(5)MEMS封装技术,18,8.1.4,微电子机械系统技术,(6)MEMS,测试技术,MEMS,测试技术主要是对微传感器和微执行器的性能，如微结构力学性能、,MEMS,器件的光学性能、电学性能、以及量程、分辨率、响应频率等进行测试。,可靠性测试是,MEMS,产品进入市场的前提，其内容包括了高低温、使用环境、振动、疲劳、使用寿命等方面的测试。,8.1.4微电子机械系统技术(6)MEMS测试技术,19,8.1.5,产品应用实例,苹果,iPhone,iPhone,将使用,MEMS,陀螺仪，比如保龄球、高尔夫等运动游戏。另外，该项技术还可以将,iPhone,和桌面,PC,游戏结合在一起。,奥林巴斯数码相机,u1050SW,使用者可通过敲击,LCD,显示屏或机身外壳来改变设置、拍照和查看拍摄的照片。例如，当使用者在滑雪坡道上拍照时，无需脱下手套即可操作相机。,8.1.5 产品应用实例苹果iPhone,20,8.1.5,产品应用实例,GPS,辅助导航,MEMS,压力传感器可以使,GPS,导航更精确，,Sensor Platforms,公司和其它供应商都在开发集成有,MEMS,航位推算功能的系统，这样你的导航系统就可以跟随你进入建筑物内（甚至是地铁）而不迷路。,它的开发者在开发把,GPS,、相机、,MEMS,传感器集成在一个平台，这样导航系统不但知道使用者身处何处，还知道使用者看到些什么，这样屏幕上的数据交互以确定你寻找的建筑物。,8.1.5 产品应用实例 GPS辅助导航,21,8.2,移动设备内置传感器硬件平台,有许多传感器可供节点平台使用，使用哪种传感器往往由具体的应用需求以及传感器本身的特点决定。,需要根据处理器与传感器的交互方式：通过模拟信号和通过数字信号，选择是否需要外部模数转换器和额外的校准技术。,8.2 移动设备内置传感器硬件平台有许多传感器可供节点平台,22,8.2.1,内置传感器,8.2.1 内置传感器,23,8.2.2,微处理器,微处理器是无线传感节点中负责计算的核心，目前的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转化器、数字,IO,等，这种深度集成的特征使得它们非常适合在无线传感器网络中使用。,影响节点工作整体性能的微处理器关键性能包括功耗特性，唤醒时间（在睡眠,/,工作状态间快速切换），供电电压（长时间工作），运算速度和内存大小。,8.2.2 微处理器微处理器是无线传感节点中负责计算的核心,24,8.2.2,微处理器,常用微处理器及其关键特性,8.2.2 微处理器常用微处理器及其关键特性,25,8.2.3,通信芯片,通信芯片是无线传感节点中重要的组成部分，在一个无线传感节点的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多，在目前常用的节点上，,CPU,在工作状态电流仅,500uA,，而通信芯片在工作状态电流近,20mA,。,通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标。发射功率越大，接受灵敏度越高，信号传输距离越远。,8.2.3 通信芯片通信芯片是无线传感节点中重要的组成部分,26,8.2.3,通信芯片,常用通信芯片：,CC1000,：,可工作在,433MHz,，,868MHz,和,915MHz,；采用串口通信模式时速率只能达到,19.2Kbps,CC2420,：,工作频率,2.4GHz,，是一款完全符合,IEEE 802.15.4,协议规范的芯片；传输率,250Kbps,8.2.3 通信芯片常用通信芯片：,27,8.2.3,通信芯片,常用通信芯片及其关键特性,8.2.3 通信芯片常用通信芯片及其关键特性,28,8.3,数字化传感器及网络接口技术,随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微电脑处理好的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。,随着计算机的飞速发展以及单片机的日益普及，世界进入了数字时代，人们在处理被测信号时首先想到的是电脑