1、物联网概论物联网概论20192019年年1010月月第三章第三章 物联网技术基础物联网技术基础 目目 录录3.1 3.1 传感器技术传感器技术 3.2 3.2 常用传感器常用传感器物联网技术基础物联网技术基础 3.3 MEMS3.3 MEMS技术技术 3.4 3.4 无线传感网络无线传感网络 3.5 3.5 无线网络技术无线网络技术目目 录录3.6 3.6 自动识别技术自动识别技术 3.7 3.7 定位技术定位技术物联网技术基础物联网技术基础43.1 传感器技术传感器技术传感器和人们的日常生活密切相关传感器具有的社会意义传感器具有的社会意义传感器在经济建设中占据重要地位53.1 传感器技术传感
2、器技术 随着住房私有化和住宅小区管理的推广，供热系统的规范化管理随着住房私有化和住宅小区管理的推广，供热系统的规范化管理逐渐成为必需解决的重要问题，计算机应用领域的不断扩大和相应外逐渐成为必需解决的重要问题，计算机应用领域的不断扩大和相应外围设备的不断完善为供热系统的自动化管理创造了条件。利用温度采围设备的不断完善为供热系统的自动化管理创造了条件。利用温度采集器对用户环境进行温度采样，并记录到数据库中作为收费依据，对集器对用户环境进行温度采样，并记录到数据库中作为收费依据，对于闲置和不需供热的房间自动关闭，并采用了计算机远程管理技术，于闲置和不需供热的房间自动关闭，并采用了计算机远程管理技术，
3、大大提高了供热系统的自动化程度。大大提高了供热系统的自动化程度。传感器在日常生活中的应用传感器在日常生活中的应用 车用传感器是汽车电子设备的重要组成部分，担负着信息收集的车用传感器是汽车电子设备的重要组成部分，担负着信息收集的任务，在汽车电喷发动机系统、自动空调系统中，温度是需测量和控任务，在汽车电喷发动机系统、自动空调系统中，温度是需测量和控制的重要参数之一，发动机热状态的测量、气体及液体温度的测量，制的重要参数之一，发动机热状态的测量、气体及液体温度的测量，都需要温度传感器来完成。车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，都需要温度传感器来完成。车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运
4、行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。因而车用温度传感器是必不可少的。因而车用温度传感器是必不可少的。63.1 传感器技术传感器技术 利用适当的传感器，例如：压电传感利用适当的传感器，例如：压电传感器、加速度传感器、超声传感器、湿度传器、加速度传感器、超声传感器、湿度传感器等，可以有效的建立一个三维立体的感器等，可以有效的建立一个三维立体的防护监测网络。该系统可以用于监测桥梁、防护监测网络。该系统可以
5、用于监测桥梁、高架桥、高速公路等道路环境。对许多老高架桥、高速公路等道路环境。对许多老旧的桥梁、桥墩长期受到水流的冲刷，传旧的桥梁、桥墩长期受到水流的冲刷，传感器能够放置在桥墩底部，用以感测桥墩感器能够放置在桥墩底部，用以感测桥墩的结构、桥墩被腐蚀情况等；也可以放置的结构、桥墩被腐蚀情况等；也可以放置在桥梁两侧，搜集桥梁的温度、湿度、震在桥梁两侧，搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度等。有效减少断桥造成的生命财产动幅度等。有效减少断桥造成的生命财产损失。三峡大坝里一共埋设了万余台损失。三峡大坝里一共埋设了万余台/只只检测仪器和传感器，这些检测仪器和传感器，这些“眼睛眼睛”时刻监时刻监测三峡大坝是否稳
6、定，有无沉降。测三峡大坝是否稳定，有无沉降。传感器在经济建设中的应用传感器在经济建设中的应用73.1 传感器技术传感器技术 尽管尽管2121世纪的人们并没有实现科幻小说中的某些预言。然而更为世纪的人们并没有实现科幻小说中的某些预言。然而更为奇妙的场景很快便会成为现实：只需一台电脑和若干传感器，一切尽奇妙的场景很快便会成为现实：只需一台电脑和若干传感器，一切尽在掌控之中。你可以一边从个人在掌控之中。你可以一边从个人pcpc中调控欣赏在平面电视上播放的影中调控欣赏在平面电视上播放的影片，一边控制烤箱的温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地监控片，一边控制烤箱的温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地
7、监控与了解一切需要关注的信息：工作室里机器的运行，实验室里研究的与了解一切需要关注的信息：工作室里机器的运行，实验室里研究的进度，家中饮用水的成分和空气中或许可能出现有毒物质的示警，酒进度，家中饮用水的成分和空气中或许可能出现有毒物质的示警，酒窖里不同位置的温度与湿度，私家公路的灯光调控，各类仪表的数据窖里不同位置的温度与湿度，私家公路的灯光调控，各类仪表的数据变更变更不会再有过火而败味的美食，更不会有不会再有过火而败味的美食，更不会有小鬼当家小鬼当家中入室中入室的匪徒，火灾和毒气泄漏都将最大程度地被防止，博物馆的馆长则不的匪徒，火灾和毒气泄漏都将最大程度地被防止，博物馆的馆长则不再担惊受怕地
8、忧虑古董名画的命运。再担惊受怕地忧虑古董名画的命运。83.1 传感器技术传感器技术 传感器的定义传感器的定义 传感器的分类传感器的分类 传感器的应用传感器的应用 93.1传感器的定义传感器的定义 传感器（传感器（SensorSensor）的定义：）的定义：国家标准国家标准GB 7665-87GB 7665-87定义：传定义：传感器（感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）为能感受规定的被测量并按）为能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器材或装置，通常由敏感一定规律转换成可用信号输出的器材或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。元件和转换元件组成。
9、半导体敏感元器件可以直接输出电半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器！信号，本身就构成传感器！103.1.1传感器的组成与结构传感器的组成与结构 传感器的组成传感器的组成 113.1.1传感器的组成与结构传感器的组成与结构 传感器的组成传感器的组成 敏感元件敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某种物理量的元件。确定关系的某种物理量的元件。转换元件转换元件 以敏感元件的输出为输入，将其转换以敏感元件的输出为输入，将其转换成电信号输出。成电信号输出。变换电路变换电路 将电路参数接入转换电路，转换为电将电路参数接入转换电路，转换为电量输出
10、。量输出。123.1.1传感器的组成与结构传感器的组成与结构 传感器的结构形式传感器的结构形式 传感器结构取决于其设计思想；而传感器设计的传感器结构取决于其设计思想；而传感器设计的一个重点是信号选择方式，把所选信号的某方面性能一个重点是信号选择方式，把所选信号的某方面性能在结构上具体化，以实现传感器的功能。在结构上具体化，以实现传感器的功能。133.1.1传感器的组成与结构传感器的组成与结构 传感器的结构形式传感器的结构形式 选择固定信号方式的传感器直接结构选择固定信号方式的传感器直接结构选择补偿信号方式的传感器补偿结构选择补偿信号方式的传感器补偿结构 选择差动式信号方式的传感器差动结构选择差
11、动式信号方式的传感器差动结构 选择平均信号方式的传感器平均结构选择平均信号方式的传感器平均结构 选择平衡信号方式的传感器闭环结构选择平衡信号方式的传感器闭环结构 143.1.2 传感器的分类传感器的分类常将传感器的功能和人类的常将传感器的功能和人类的5 5大器官相比较：大器官相比较：光敏传感器视觉 声敏传感器听觉 气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 压敏、温敏、流体传感器触觉153.1.2传感器的分类传感器的分类热敏元件热敏元件按感测元器件分类按感测元器件分类力敏元件力敏元件光敏元件光敏元件磁敏元件磁敏元件气敏元件气敏元件色敏元件色敏元件163.1.2传感器的分类传感器的分类 磁敏传感器，是感知磁
12、性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器的生产量是最大的。它主要用于无刷直流电机（霍尔电机）中，这种电机用于磁带录音机、录像机、XY记录仪、打印机、电唱机及仪器中的通风风扇等。另外，霍尔元件及霍尔传感器还用于测转速、流量、流速及利用它制成高斯计、电流计、功率计等仪器。下图给出的是磁敏角度传感器。173.1.2传感器的分类传感器的分类物理类：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。物理类：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类：基于化学反应的
13、原理。化学类：基于化学反应的原理。生物类生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能。基于酶、抗体和激素等分子识别功能。按感知外界的原理按感知外界的原理183.1.2传感器的分类传感器的分类 日本制成多功能生物传感器，能测定血液和尿中的各种物质，如糖、蛋白质和胆固醇等。英国科学家研制一种如同一支钢笔大小的酶传感器。它可在瞬间测出汽车驾驶员血液中的酒精含量，大大方便了警察的执法。日本九州大学的科研人员研制出比人的舌头还要灵敏10倍的味觉传感器。利用传感器产生不同的电位差，从电位差的变化可了解产生味道的浓度。193.1.2传感器的分类传感器的分类机械量：如位移、力、加速度等机械量：如位移、力、加速度等
14、热工量：如温度、热量、流量、液位等热工量：如温度、热量、流量、液位等物理参量：浓度、密度、酸碱度等物理参量：浓度、密度、酸碱度等按被测量类型分类按被测量类型分类状态参量：偏差、裂纹、磨损等状态参量：偏差、裂纹、磨损等203.1.2传感器的分类传感器的分类 Intel公司研制家庭护理的无线传感网络系统，用于对人体行为进行模式监测，如：坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等。该系统在人体的特征部位安装多个传感器，系统实时的把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融合、分类，进而监控受监测人的行为模式。213.1.2传感器的分类传感器的分类结构型：通过传感器结构参量的变化实现信号变换结构型：通过传感器结
15、构参量的变化实现信号变换物性型：利用敏感元件材料本身的物性变化来实现物性型：利用敏感元件材料本身的物性变化来实现信号的变换。信号的变换。按被信号转换特征分按被信号转换特征分类类223.1.2传感器的分类传感器的分类 压电效应传感器-是一种自发电式机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克
16、服这一缺陷。233.1.2传感器的分类传感器的分类能量转换型：能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作传感器直接由被测对象输入能量使其工作 按能量关系分类按能量关系分类能量控制型：能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。量的变化控制外部供给能量的变化。243.1.2传感器的分类传感器的分类 电学式传感器电学式传感器按工作原理分类按工作原理分类 磁学式传感器磁学式传感器 光电式传感器光电式传感器电势型传感器电势型传感器 电荷传感器电荷传感器253.1.2传感器的分类传感器的分类 光化学传感器是近年发展起来的一种新
17、型微量和痕量分析技术，它把特定的化学物质的种类和浓度变成电信号来表示的功能元件。主要是利用光敏感材料与被测物质中的分子、离子或生物物质相互接触时直接或间接地引起电极电势等电信号的变化,使很少的化学物质加入体系后,会有放大了许多倍的信号被检出,以获得某种化学物质的浓度。目前,化学传感器的研究受到了广泛的关注,其灵敏度非常高,选择性好,携带方便,易微型化,能用于现场分析和监控等。因此在矿山开发、石油化工、生物医学及日常生活中越来越多的被用来作为易燃,易爆,有毒,有害气体的检测预报和自动控制装置,或用来测定多种含量极低的物质,甚至可以测量细胞中的离子浓度。医学上采用化学传感器作病情诊断及治疗过程的自
18、动控制。263.1.2 传感器的分类传感器的分类 美国加州大学圣迭戈分校的研究人员研发出了一种可应用于手机上的微型化学传感器，借助手机或其他无线通讯设备，这种被称为“硅鼻”的传感器可检测出空气中的有害气体，并自动发出气体的种类和传播范围等信息。其原理是在具有纳米孔的硅芯片上集成数百个独立的微型传感器，可辨别出特定的有毒气体分子并作出反应。273.1.2传感器的分类传感器的分类膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号输出（包括直接或间接转换）。期信号输出（包括直接或间接转换）。按输出信号分类按输出信号分类模拟传感器模拟传感器:将被
19、测量的非电学量转换成模拟电信号。将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。（包括直接和间接转换）。开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。283.1.3 传感器的综合应用传感器的综合应用在汽车行业的应用在汽车行业的应用293.1.3 传感器的综合应用传感器的综合应用在现代工业上的应用在现代工业上的应用 现代工业生产尤其是自动化生产过
20、程中，要用各种传现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各种参数，使设备工作在感器来监视和控制生产过程中的各种参数，使设备工作在最佳或正常状态，并使产品达到质量要求。最佳或正常状态，并使产品达到质量要求。钢铁企业应用各种传感器和通信网络，在生产过程中钢铁企业应用各种传感器和通信网络，在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控，从而提实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控，从而提高了产品质量，优化了生产流程。高了产品质量，优化了生产流程。303.1.3 传感器的应用传感器的应用在家用电器领域的应用在家用电器领域的应用 如全自动洗衣机、电饭煲和微波
21、炉等都离不开传感器。如全自动洗衣机、电饭煲和微波炉等都离不开传感器。医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（波诊断仪、断层扫描（CTCT）及核磁共振诊断设备等，都大）及核磁共振诊断设备等，都大量地使用了各种各样的传感技术。量地使用了各种各样的传感技术。温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的的特性工作的.313.1.3 传感器的应用传感器的应用在军事国防
22、领域的应用在军事国防领域的应用 在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器精确制导等，没有传感器是难以实现的。达跟踪、武器精确制导等，没有传感器是难以实现的。目前每架军用飞机需目前每架军用飞机需 2020多种力学量传感器，对操纵多种力学量传感器，对操纵杆拉力、起落着陆冲击力、发动机的推动力、救生装置弹杆拉力、起落着陆冲击力、发动机的推动力、救生装置弹射力、进气管压力场分布及动态中各种压力、振动、加速射力、进气管压力场分布及动态中各种压力、振动、加速度、角加速度、位移等参量的测量，还要对过载和燃油密度、角加速度、位移等参量的测量，还要
23、对过载和燃油密度及飞行员呼吸的流量等参数的测量，检测机舱内含氧量、度及飞行员呼吸的流量等参数的测量，检测机舱内含氧量、舱内烟雾报警、机载火控系统的设计、隐型用传感器等。舱内烟雾报警、机载火控系统的设计、隐型用传感器等。323.1.3 传感器的应用传感器的应用在航天领域的应用在航天领域的应用 在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶着陆系统等，都需要大量的传感器。人造卫星和自动驾驶着陆系统等，都需要大量的传感器。人造卫星的遥感遥测等都与传感器紧密相关。的遥感遥测等都与传感器紧密相关。“阿波罗阿波罗10”的运载火箭部分，检测加速度、声学
24、、的运载火箭部分，检测加速度、声学、温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器共有温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器共有2077个，宇宙飞船部分共有各种传感器个，宇宙飞船部分共有各种传感器1218个。个。333.2 常用传感器常用传感器(一一)温度传感器温度传感器343.2 常用传感器常用传感器(二二)湿度传感器湿度传感器353.2 常用传感器常用传感器(三三)电感式传感器电感式传感器 利用电磁感应将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈利用电磁感应将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由的自感系数和互感系数的变化，再由电路电路转换为
25、电压或电流的变化量输出，转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换实现非电量到电量的转换 363.2 常用传感器常用传感器(四四)压力传感器压力传感器 利用传感器件在受外部压力时产生一定的内部结构变形或位移，转化为利用传感器件在受外部压力时产生一定的内部结构变形或位移，转化为电特性的改变，产生相应的电信号，此即压电效应，故亦称压电传感器。电特性的改变，产生相应的电信号，此即压电效应，故亦称压电传感器。373.2 常用传感器常用传感器(五五)光传感器光传感器 光敏电阻利用材料电阻率的光敏性来进行光探测。光电传感器则采用光光敏电阻利用材料电阻率的光敏性来进行光探测。光电传感器则采用光电元
26、件作为检测元件，它先将被测量的变化转换成光信号的变化，再利用光电元件作为检测元件，它先将被测量的变化转换成光信号的变化，再利用光电元件将光信号转换成电信号。电元件将光信号转换成电信号。383.2 常用传感器常用传感器(六六)光栅式传感器光栅式传感器 光栅式传感器也是光电效应传感器，受光照后产生光电效应，将光信号光栅式传感器也是光电效应传感器，受光照后产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。转换成电信号输出。393.2 常用传感器常用传感器(七七)霍尔（磁性）传感器霍尔（磁性）传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应如图霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应
27、如图3-163-16：将一个金属或半导体材料薄片置于磁场中，当有电流通过时，由于形成电流将一个金属或半导体材料薄片置于磁场中，当有电流通过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而受到磁场力的作用力，会使材料中产生与电流方向垂的电子在磁场中运动而受到磁场力的作用力，会使材料中产生与电流方向垂直的电压差。可通过测量霍尔传感器产生的电压大小来计算磁场强度。直的电压差。可通过测量霍尔传感器产生的电压大小来计算磁场强度。403.2 常用传感器常用传感器(七七)化学传感器化学传感器 化学传感器是指对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号的传感器。化学传感器是指对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号的传感器。
28、如如COCO、CO2CO2、O2O2、H2SH2S传感器、传感器、PHPH值传感器、酒精浓度传感器等。值传感器、酒精浓度传感器等。413.2 常用传感器常用传感器(八八)化学传感器化学传感器 化学传感器是指对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号的传感器。化学传感器是指对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号的传感器。如如COCO、CO2CO2、O2O2、H2SH2S传感器、传感器、PHPH值传感器、酒精浓度传感器等。值传感器、酒精浓度传感器等。423.2 常用传感器常用传感器(九九)生物传感器生物传感器 以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物以被测目标与分子识别元件的
29、相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器（传感器（affinitybiosensoraffinitybiosensor）等）等 433.2 常用传感器常用传感器(十十)微波传感器微波传感器 由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率变化；由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率变化；再利用接收天线接收通过被测物体或由其反射回的微波，将其转换成电信号，再利用接收天线接收通过被测物体或由其反射回的微波，将其转换成电信号，再经测量电路就实现了微波检测。再经测量电路就实现了微波检测。443.2 常用传感器常用传感器(十一十一)超声波传感器超声波传感器 由发射天线发出
30、的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率变化；由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率变化；再利用接收天线接收通过被测物体或由其反射回的微波，将其转换成电信号，再利用接收天线接收通过被测物体或由其反射回的微波，将其转换成电信号，再经测量电路就实现了微波检测。再经测量电路就实现了微波检测。453.2 常用传感器常用传感器(十二十二)MEMS陀螺仪传感器陀螺仪传感器 MEMS MEMS陀螺中没有机械旋转器件，它主要利用振动来诱导和探测哥里奥利陀螺中没有机械旋转器件，它主要利用振动来诱导和探测哥里奥利力，利用哥氏加速度对振动质量块的作用来检测惯性转动。如物体在圆盘上力，利用哥氏
31、加速度对振动质量块的作用来检测惯性转动。如物体在圆盘上无径向运动，哥氏力不会产生。故在无径向运动，哥氏力不会产生。故在MEMSMEMS陀螺仪中，用质量块来回做径向运陀螺仪中，用质量块来回做径向运动或振荡，与此对应的哥氏力就不停地在横向来回变化。动或振荡，与此对应的哥氏力就不停地在横向来回变化。463.2 常用传感器常用传感器(十三十三)多功能传感器多功能传感器 多功能传感器包含多个敏感元件，体积小巧且多种功能兼备，借助不同多功能传感器包含多个敏感元件，体积小巧且多种功能兼备，借助不同敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用一个传敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同
32、的表征方式，用一个传感器系统来同时实现多对象传感功能。感器系统来同时实现多对象传感功能。473.2 常用传感器常用传感器(十四十四)智能传感器智能传感器 智能传感器（智能传感器（intelligent sensorintelligent sensor或或smart sensorsmart sensor）具有综合采集、处）具有综合采集、处理与交换信息的能力，是传感器与微处理机相结合的产物。理与交换信息的能力，是传感器与微处理机相结合的产物。483.2 常用传感器常用传感器(十四十四)常用智能传感器常用智能传感器智能压力传感器智能液体浑浊度传感器493.2 常用传感器常用传感器(十四十四)常用智能
33、传感器常用智能传感器智能温湿度传感器503.2 常用传感器常用传感器(十四十四)智能传感器智能传感器飞利浦推出了一种基于多功能智能传感器的自动真空吸尘器，飞利浦推出了一种基于多功能智能传感器的自动真空吸尘器，其外观的俯、侧视如图。智能自动真空吸尘器是设有电线，其外观的俯、侧视如图。智能自动真空吸尘器是设有电线，侧面有多达侧面有多达3232个红外智能传感器形成了缓冲装置，结合智能个红外智能传感器形成了缓冲装置，结合智能自动吸尘器下面的红外线传感器能帮助吸尘器探测和自动回自动吸尘器下面的红外线传感器能帮助吸尘器探测和自动回避墙壁和地面上的障碍物，避开楼梯区域，防跌落。避墙壁和地面上的障碍物，避开楼
34、梯区域，防跌落。通过集成摄像装置、多种传感器探测与收集的信息和驱动程通过集成摄像装置、多种传感器探测与收集的信息和驱动程序，使其能综合绘制房间地图并合理设计清洁路线。有此地序，使其能综合绘制房间地图并合理设计清洁路线。有此地图，智能吸尘器能清楚其目前所处位置、过去所处位置以及图，智能吸尘器能清楚其目前所处位置、过去所处位置以及需要前往的位置，从而有效地清洁地面。红外线传感器则用需要前往的位置，从而有效地清洁地面。红外线传感器则用于探测障碍物，自动绕行，故它能在家中自由来去，不会绊于探测障碍物，自动绕行，故它能在家中自由来去，不会绊倒老人与孩子等。倒老人与孩子等。513.3 MEMS技术技术 M
35、EMSMEMS的基本概念的基本概念 MEMSMEMS技术的特点技术的特点 MEMSMEMS的加工工艺及制作的加工工艺及制作 MEMSMEMS的分类的分类 523.3.1 MEMS的基本概念的基本概念MEMSMEMSMicro Electromechanical Micro Electromechanical SystemSystem，微机电系统，微机电系统MEMSMEMS是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。这种微电子机械系统不仅能采集、处理与发送信息或
36、指令，这种微电子机械系统不仅能采集、处理与发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。533.3.2 MEMS的特点的特点微型化微型化 MEMSMEMS的基本特点的基本特点低能耗、灵敏度和工作效率高低能耗、灵敏度和工作效率高 以硅为主要原料以硅为主要原料 可批量生产可批量生产 集成化集成化 学科上的交叉学科上的交叉 应用上的高度与广泛应用上的高度与广泛 543.3.3 MEMS的起源的起源 MEMSMEMS技术源于半导体和微技术加工领域的发展。半导体材料（特技术源于半导体和微技术加工领域的发展。半导体材料（特别是硅）对
37、力、热、磁等多种信号有敏感特性，可用于开发集成电路别是硅）对力、热、磁等多种信号有敏感特性，可用于开发集成电路的先进工艺技术。由于采用平面工艺，使之不断向微型化与集成化发的先进工艺技术。由于采用平面工艺，使之不断向微型化与集成化发展。而微机械加工（展。而微机械加工（Micro MachiningMicro Machining）技术的出现为）技术的出现为MEMSMEMS奠定了基奠定了基础，随加工技术不断扩充，水平不断提高，使制作硅微机械部件成为础，随加工技术不断扩充，水平不断提高，使制作硅微机械部件成为可能。可能。19871987年，加州大学伯克利分校的范龙生等人用表面微机械加工年，加州大学伯克
38、利分校的范龙生等人用表面微机械加工法制成了多晶硅齿轮，引起了国际学术界的震动。随后，汽车用微机法制成了多晶硅齿轮，引起了国际学术界的震动。随后，汽车用微机械多路绝压传感器投入批量生产，标志械多路绝压传感器投入批量生产，标志MEMSMEMS技术作为一个应用型交叉技术作为一个应用型交叉学科的出现。学科的出现。553.3.4 MEMS的制造工艺的制造工艺 微米微米/纳米技术包括了从亚毫米到亚微米范围的材料工艺和装置纳米技术包括了从亚毫米到亚微米范围的材料工艺和装置制造和集成，制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积外延生长、扩散、离子制造和集成，制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积外延生长、扩散、离子注入、测试、监测与
39、封装。纳米制造技术和工艺除了包括微米制造的注入、测试、监测与封装。纳米制造技术和工艺除了包括微米制造的一些技术如离子束光刻工艺外，还包括为利用材料特性而进行分子和一些技术如离子束光刻工艺外，还包括为利用材料特性而进行分子和原子级的加工与排列技术等。原子级的加工与排列技术等。563.3.5 MEMS的加工材料的加工材料 MEMS MEMS所用材料一般为衬底材料和附加材料两类，目前衬底材料以硅为主。所用材料一般为衬底材料和附加材料两类，目前衬底材料以硅为主。选用晶态半导体材料是因其具有性能优异、容易得到、有多种成熟的加工工选用晶态半导体材料是因其具有性能优异、容易得到、有多种成熟的加工工艺、与晶面
40、有关的各向异性使之适于微机械加工及具有集成有源电路等诸多艺、与晶面有关的各向异性使之适于微机械加工及具有集成有源电路等诸多优点。衬底材料也可是其他非半导体材料，包括金属、玻璃、石英、其他晶优点。衬底材料也可是其他非半导体材料，包括金属、玻璃、石英、其他晶态绝缘体、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有机和无机材料。态绝缘体、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有机和无机材料。573.3.6 MEMS的分类及应用的分类及应用l 传感传感MEMS技术技术 l 生物生物MEMS技术技术 l 光学光学MEMS技术技术l 射频射频MEMS技术技术 583.3.6 MEMS的分类的分类传感传感MEMSMEMS技术技术 传感传
41、感MEMSMEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。来感受转换电信号的器件和系统。593.3.6 MEMS的分类的分类传感传感MEMSMEMS技术的应用技术的应用 计步表或计步器是利用三轴计步表或计步器是利用三轴MEMSMEMS传感器实现健身和健传感器实现健身和健康监测功能的代表性应用，在特定的情况下，计步器的传康监测功能的代表性应用，在特定的情况下，计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的感器能够精确地
42、测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度，通过处理加速度数据，计步器显示用户走过的步加速度，通过处理加速度数据，计步器显示用户走过的步数和速度，以及运动过程中所消耗掉的热量。数和速度，以及运动过程中所消耗掉的热量。安全气囊在生死时刻的开启，就是根据多种安全气囊在生死时刻的开启，就是根据多种MEMSMEMS加速加速度器采集的信号来控制的。这些芯片传感突然的减速，并度器采集的信号来控制的。这些芯片传感突然的减速，并在瞬间决定何时开启安全气囊。较新的在瞬间决定何时开启安全气囊。较新的MEMSMEMS陀螺仪甚至可陀螺仪甚至可以阻止翻车的发生。以阻止翻车的发生。603.3.6 MEMS的分类的分类生物
43、生物MEMSMEMS技术技术 生物生物MEMSMEMS技术是用技术是用MEMSMEMS技术制造的化学或生物微型分技术制造的化学或生物微型分析和检测芯片或仪器，将在衬底上制造出的微型驱动泵、析和检测芯片或仪器，将在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量器、增微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量器、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。扩、反应、分离、检测
44、和后处理等分析全过程。613.3.6 MEMS的分类的分类生物生物MEMSMEMS技术的应用技术的应用 视网膜开刀时视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机器人放入眼球内大夫可将遥控机器人放入眼球内 ,在在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。等方面应用甚广。MEMSMEMS的微小可进入很小的器官和组织，的微小可进入很小的器官和组织，智能自动地进行细微精确的操作智能自动地进行细微精确的操作,大大提高介入治疗的精大大提高介入治疗的精度度,直接进入相应病变地进行工作直接进入相应病变地进行工作,降低手术风险。同时降低手术风险。同时
45、,可进行基因分析和遗传诊断可进行基因分析和遗传诊断,利用微加工技术制造各种微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。合于操作生物细胞和生物大分子。623.3.6 MEMS的分类的分类光学光学MEMSMEMS技术技术 结合综合微电子、微机械、结合综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系新型光器件，称为微光机电系统统(MOEMS)(MOEMS)。它能把各种。它能把各种MEMSMEMS结构件与微光学器件、光波导结构件与微光学器件、
46、光波导器件、半导体激光器件、光电器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统。形成一种全新的功能系统。633.3.6 MEMS的分类的分类光学光学MEMSMEMS技术的应用技术的应用 在电信方面，由于光学在电信方面，由于光学MEMSMEMS制成的光学器件具有很好的效能，例如制成的光学器件具有很好的效能，例如低插入损耗、优良的波长平坦度和极小的串扰，而且能提高整合度及器低插入损耗、优良的波长平坦度和极小的串扰，而且能提高整合度及器件规模件规模(Scalability)(Scalability)，极适用于高性能的光纤网络。显示产业方面，极
47、适用于高性能的光纤网络。显示产业方面，包括整合式可配带的携带型设备，以及条形码扫描、自适应光学系统、包括整合式可配带的携带型设备，以及条形码扫描、自适应光学系统、商用印刷等等。商用印刷等等。目前最成功的光学目前最成功的光学MEMSMEMS产品，是由产品，是由TITI的的DLPDLP专利技术所制造的微面专利技术所制造的微面镜器件。镜器件。DLPDLP芯片可说是目前最复杂的光源开关，它包含了最多达芯片可说是目前最复杂的光源开关，它包含了最多达220220万万用铰链安装的微型运动镜面组成的矩形数组，每片微型镜面的大小都不用铰链安装的微型运动镜面组成的矩形数组，每片微型镜面的大小都不超过人类头发丝厚度
48、的五分之一，对应投影图像中的一个像素。超过人类头发丝厚度的五分之一，对应投影图像中的一个像素。643.3.6 MEMS的分类的分类射频射频MEMSMEMS技术技术 射频射频MEMSMEMS技术就是利用技术就是利用MEMSMEMS技术制作各种用于无线通技术制作各种用于无线通讯的射频器件或系统，包括各种无源器件如：片上高讯的射频器件或系统，包括各种无源器件如：片上高Q Q值谐值谐振器，滤波器，微开关，微型天线以及电感、电容等。射振器，滤波器，微开关，微型天线以及电感、电容等。射频频MEMSMEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMSMEMS器件包
49、括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器。可动器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器。可动的的MEMSMEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。器件包括开关、调谐器和可变电容。RF-MEMSRF-MEMS653.3.6 MEMS的分类的分类射频射频MEMSMEMS技术的应用技术的应用 对一个多频道的通讯终端来说，要求滤波器同时具有对一个多频道的通讯终端来说，要求滤波器同时具有窄的带宽，高的选择性、宽的调谐能力以及低的插入损耗窄的带宽，高的选择性、宽的调谐能力以及低的插入损耗是非常困难甚至不可能。在此情况下，只有利用开关将整是非常困难甚至不可能。在此情况下，只有利用开关将整个频域分成若干独立频
50、段再通过滤波器进行选择。利用射个频域分成若干独立频段再通过滤波器进行选择。利用射频频MEMSMEMS技术制作的微开关以其良好的电学和机械特性、高技术制作的微开关以其良好的电学和机械特性、高寿命、低损耗成为研究热点。寿命、低损耗成为研究热点。663.3.7 MEMS的发展前景的发展前景 MEMS MEMS技术也正发展成为一个巨大的产业，多数工业观技术也正发展成为一个巨大的产业，多数工业观察家预测，未来察家预测，未来5 5年年MEMSMEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增长率约为年平均增长率约为18%18%，因此对机械电子工程、精密机械及，因此对机械电子工程、
