硬件技术-物联网技术基础教程

,单击此处编辑母版标题样式,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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第,8,章,硬件技术,学习任,务,务,微电子,机,机械系,统,统（MEMS）,移动设,备,备内置,传,传感器,硬,硬件平,台,台,数字化,传,传感器,及,及网络,接,接口技,术,术,Clicktoaddtitleinhere,1,2,3,本章主,要,要涉及,：,：,8.1微电子,机,机械系,统,统（MEMS）,微电子,机,机械系,统,统（MicroElectro MechanicalSystem）简称MEMS，是集,微,微型机,构,构、微,型,型传感,器,器、微,型,型执行,器,器以及,信,信号处,理,理控制,电,电路、,接,接口、,电,电源等,于,于一体,的,的机械,装,装置。,它将自,然,然界各,种,种物理,量,量，如,声,声、光,、,、压力,、,、加速,度,度、温,度,度以及,生,生物、,化,化学物,质,质的浓,度,度信息,转,转化为,电,电信号,，,，并将,电,电信号,送,送入微,处,处理器,得,得到指,令,令，指,令,令被随,即,即发送,到,到微执,行,行器上,，,，对自,然,然界的,变,变化做,出,出相应,反,反应。,8.1,.,.1MEMS简介,MEMS在美国,称,称为微,机,机电系,统,统，在,日,日本被,称,称为微,机,机械，,在,在欧洲,被,被称为,微,微系统,，,，,它是指,可,可批量,制,制作的,，,，集微,型,型机构,、,、微型,传,传感器,、,、微型,执,执行器,以,以及信,号,号处理,和,和控制,电,电路、,直,直至接,口,口、通,信,信和电,源,源等于,一,一体的,微,微型器,件,件或系,统,统。,微电子,机,机械系,统,统（MEMS）,8.1,.,.1MEMS简介,微电子,机,机械系,统,统不但,能,能够采,集,集、处,理,理与发,送,送信息,或,或指令,，,，还能,够,够按照,所,所获取,的,的信息,自,自主地,或,或根据,外,外部指,令,令采取,行,行动。,它用微,电,电子技,术,术和微,加,加工技,术,术（包,括,括硅体,微,微加工,、,、硅表,面,面微加,工,工、LIGA和晶片,键,键合等,技,技术）,相,相结合,的,的制造,工,工艺，,制,制造出,各,各种性,能,能优异,、,、价格,低,低廉、,微,微型化,的,的传感,器,器、执,行,行器、,驱,驱动器,和,和微系,统,统。,8.1,.,.2发展概,述,述,完整的MEMS是由微,传,传感器,、,、微执,行,行器、,信,信号处,理,理和控,制,制电路,、,、通讯,接,接口和,电,电源等,部,部件组,成,成的一,体,体化的,微,微型器,件,件系统,。,。,其目标,是,是把信,息,息的获,取,取、处,理,理和执,行,行集成,在,在一起,，,，组成,具,具有多,功,功能的,微,微型系,统,统，集,成,成于大,尺,尺寸系,统,统中，,从,从而大,幅,幅度地,提,提高系,统,统的自,动,动化、,智,智能化,和,和可靠,性,性水平,。,。,8.1,.,.2发展概,述,述,MEMS第一轮,商,商业化,浪,浪潮始,于,于20世纪70年代末80年代初,，,，当时,用,用大型,蚀,蚀刻硅,片,片结构,和,和背蚀,刻,刻膜片,制,制作压,力,力传感,器,器。,由于薄,硅,硅片振,动,动膜在,压,压力下,变,变形，,会,会影响,其,其表面,的,的压敏,电,电阻曲,线,线，这,种,种变化,可,可以把,压,压力转,换,换成电,信,信号。,后来的,电,电路则,包,包括电,容,容感应,移,移动质,量,量加速,计,计，用,于,于触发,汽,汽车安,全,全气囊,和,和定位,陀,陀螺仪,。,。,8.1,.,.2发展概,述,述,第二轮,商,商业化,出,出现于20世纪90年代，,主,主要围,绕,绕着PC和信息,技,技术的,兴,兴起。TI公司根,据,据静电,驱,驱动斜,微,微镜阵,列,列推出,了,了投影,仪,仪，而,热,热式喷,墨,墨打印,头,头现在,仍,仍然大,行,行其道,。,。,第三轮,商,商业化,可,可以说,出,出现于,世,世纪之,交,交，微,光,光学器,件,件通过,全,全光开,关,关及相,关,关器件,而,而成为,光,光纤通,讯,讯的补,充,充。尽,管,管该市,场,场现在,萧,萧条，,但,但微光,学,学器件,从,从长期,看,看来将,是,是MEMS一个增,长,长强劲,的,的领域,。,。,8.1,.,.2发展概,述,述,目前MEMS产业呈,现,现的新,趋,趋势是,产,产品应,用,用的扩,展,展，其,开,开始向,工,工业、,医,医疗、,测,测试仪,器,器等新,领,领域扩,张,张。,推动第,四,四轮商,业,业化的,其,其它应,用,用包括,一,一些面,向,向射频,无,无源元,件,件、在,硅,硅片上,制,制作的,音,音频、,生,生物和,神,神经元,探,探针，,以,以及所,谓,谓的片上实,验,验室生化药,品,品开发,系,系统和,微,微型药,品,品输送,系,系统的,静,静态和,移,移动器,件,件。,8.1,.,.3微电子,机,机械系,统,统的应,用,用领域,MEMS用于取,代,代现有,仪,仪器或,系,系统中,的,的元器,件,件，最,终,终发展,方,方向是,取,取代现,有,有大系,统,统的集,成,成微光,机,机电系,统,统（MicroOptical ElectroMechanicalSystem，MOEMS）。,MEMS目前主,要,要应用,在,在微机,械,械元器,件,件制造,、,、信息,、,、汽车,工,工业、,生,生物医,学,学工程,、,、航空,航,航天、,国,国防军,事,事等多,个,个领域,。,。,8.1,.,.3微电子,机,机械系,统,统的应,用,用领域,（1）微机,械,械元器,件,件制造,领,领域,微马达,、,、微镊,子,子、微,齿,齿轮、,微,微开关,、,、微电,感,感、微,透,透镜阵,列,列、微,射,射流器,件,件等，,它,它可使,现,现有仪,器,器设备,体,体积更,小,小、重,量,量更轻,、,、能耗,更,更低、,可,可靠性,更,更高。,（2）信息,领,领域,硬盘、,光,光盘读,写,写头、,喷,喷墨打,印,印头，,光,光开关,、,、光衰,减,减器、,光,光滤波,器,器、射,频,频开关,、,、射频,移,移相器,、,、数字,微,微镜器,件,件（digital mirrordevice，DMD）、蜂,窝,窝电话,元,元器件,等,等都已,采,采用MEMS技术制,造,造。,8.1,.,.3微电子,机,机械系,统,统的应,用,用领域,（3）汽车,工,工业,汽车上,用,用于保,护,护驾驶,员,员安全,的,的安全,气,气囊是,最,最成熟,的,的MEMS系统。,此,此外，,汽,汽车上,的,的压力,传,传感器,、,、废气,传,传感器,、,、碰撞,传,传感器,、,、电喷,控,控制、,空,空气流,量,量传感,器,器和陀,螺,螺等也,应,应用了MEMS技术。,（4）生物,医,医学工,程,程,MEMS技术还,可,可用于,制,制造药,物,物输出,系,系统，,如,如微泵,、,、微阀,、,、药物,喷,喷雾器,等,等。同,时,时，血,压,压传感,器,器、血,糖,糖分析,传,传感器,、,、生物,芯,芯片、,心,心脏起,搏,搏器和,植,植入式,微,微系统,等,等均在,研,研发中,。,。,8.1,.,.3微电子,机,机械系,统,统的应,用,用领域,（5）航空,航,航天领,域,域,微陀螺,、,、微加,速,速度计,、,、用于,姿,姿态控,制,制的微,推,推进系,统,统、微,机,机械红,外,外非制,冷,冷成像,系,系统、,微,微飞行,器,器和微,（,（纳、,皮,皮）卫,星,星等仪,器,器中也,有,有所应,用,用。,（6）国防,军,军事领,域,域,化学武,器,器识别,系,系统、,武,武器安,全,全引爆,系,系统、,敌,敌我识,别,别系统,、,、用于,地,地雷探,索,索的磁,强,强传感,器,器，智,能,能炮弹,、,、导弹,和,和微型,侦,侦察机,等,等。,MEMS陀螺仪,8.1,.,.4微电子,机,机械系,统,统技术,微电子,机,机械系,统,统技术,包,包含了,材,材料、,设,设计与,模,模拟、,加,加工制,造,造、封,装,装、测,试,试五个,方,方面。,（1）MEMS的材料,包括导,体,体、半,导,导体和,绝,绝缘材,料,料几类,。,。根据,不,不同的,使,使用环,境,境，MEMS材料要,求,求耐高,温,温、耐,低,低温、,耐,耐腐蚀,和,和耐辐,射,射。,在微传,感,感器和,微,微执行,器,器的制,造,造中，MEMS需要使,用,用具有,各,各种功,能,能的材,料,料，如,压,压电材,料,料、压,阻,阻材料,、,、磁性,材,材料和,形,形状记,忆,忆合金,等,等。,8.1,.,.4微电子,机,机械系,统,统技术,（2）MEMS设计与,模,模拟技,术,术,MEMS设计与,模,模拟技,术,术包括,了,了专用,集,集成电,路,路（applicationspecificintegrated circuit，ASIC）设计,、,、机械,微,微结构,设,设计、,加,加工工,艺,艺流程,设,设计、,掩,掩模板,设,设计，,以,以及微,传,传感器,和,和微执,行,行器结,构,构参数,优,优化与,性,性能模,拟,拟等。,8.1,.,.4微电子,机,机械系,统,统技术,(3)MEMS加工技,术,术,MEMS加工技,术,术主要,分,分为硅,微,微加工,技,技术和,非,非硅微,加,加工技,术,术两类,。,。,MEMS硅微加,工,工技术,应,应用了,微,微电子,常,常规工,艺,艺，包,括,括氧化,、,、薄膜,制,制备、,光,光刻、,刻,刻蚀、,电,电镀、,离,离子注,入,入等。,8.1,.,.4微电子,机,机械系,统,统技术,(4)非硅MEMS微加工,技,技术,非硅MEMS微加工,技,技术包,括,括LIGA、激光,、,、电火,花,花等微,加,加工技,术,术。,LIGA技术是Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个德,语,语单词,的,的缩写,，,，该技,术,术包含,了,了同步,辐,辐射X射线光,刻,刻、微,电,电铸和,微,微复制,三,三个工,艺,艺步骤,，,，能制,备,备高深,宽,宽比聚,合,合物和,金,金属微,结,结构，,并,并能采,用,用微复,制,制工艺,进,进行批,量,量生产,。,。,8.1,.,.4微电子,机,机械系,统,统技术,(5)MEMS封装技,术,术,MEMS封装技,术,术的目,的,的是建,立,立微传,感,感器和,微,微执行,器,器与专,用,用集成,电,电路的,连,连接，,并,并减少,外,外部环,境,境对微,传,传感器,和,和微执,行,行器工,作,作的影,响,响。,MEMS封装技,术,术包括,倒,倒焊装,、,、重布,线,线、密,封,封封装,和,和真空,封,封装等,。,。,设计MEMS器件的,封,封装往,往,往比设,计,计普通,集,集成电,路,路的封,装,装更加,复,复杂，,这,这是因,为,为要满,足,足工作,在,在严酷,环,环境条,件,件下的,需,需求,例如，,冲,冲击、,震,震动、,温,温度变,化,化、潮,湿,湿和EMI,/,/RFI等。,8.1,.,.4微电子,机,机械系,统,统技术,(6)MEMS测试技,术,术,MEMS测试技,术,术主要,是,是对微,传,传感器,和,和微执,行,行器的,性,性能，,如,如微结,构,构力学,性,性能、MEMS器件的,光,光学性,能,能、电,学,学性能,、,、以及,量,量程、,分,分辨率,、,、响应,频,频率等,进,进行测,试,试。,可靠性,测,测试是MEMS产品进,入,入市场,的,的前提,，,，其内,容,容包括,了,了高低,温,温、使,用,用环境,、,、振动,、,、疲劳,、,、使用,寿,寿命等,方,方面的,测,测试。,8.1,.,.5产品应,用,用实例,苹果iPhone,iPhone将使用MEMS陀螺仪,，,，比如,保,保龄球,、,、高尔,夫,夫等运,动,动游戏,。,。另外,，,，该项,技,技术还,可,可以将iPhone和桌面PC游戏结,合,合在一,起,起。,奥林,巴,巴斯数,码,码相机u1050SW,使用者,可,可通过,敲,敲击LCD显示屏,或,或机身,外,外壳来,改,改变设,置,置、拍,照,照和查,看,看拍摄,的,的照片,。,。例如,，,，当使,用,用者在,滑,滑雪坡,道,道上拍,照,照时，,无,无需脱,下,下手套,即,即可操,作,作相机,。,。,8.1,.,.5产品应,用,用实例,GPS辅助导,航,航,MEMS压力传,感,感器可,以,以使GPS导航更,精,精确，SensorPlatforms公司和,其,其它供,应,应商都,在,在开发,集,集成有MEMS航位推,算,算功能,的,的系统,，,，这样,你,你的导,航,航系统,就,就可以,跟,跟随你,进,进入建,筑,筑物内,（,（甚至,是,是地铁,）,）而不,迷,迷路。,它的开,发,发者在,开,开发把GPS、相机,、,、MEMS传感器,集,集成在,一,一个平,台,台，这,样,样导航,系,系统不,但,但知道,使,使用者,身,身处何,处,处，还,知,知道使,用,用者看,到,到些什,么,么，这,样,样屏幕,上,上的数,据,据交互,以,以确定,你,你寻找,的,的建筑,物,物。,8.2移动设,备,备内置,传,传感器,硬,硬件平,台,台,有许多,传,传感器,可,可供节,点,点平台,使,使用，,使,使用哪,种,种传感,器,器往往,由,由具体,的,的应用,需,需求以,及,及传感,器,器本身,的,的特点,决,决定。,需要根,据,据处理,器,器与传,感,感器的,交,交互方,式,式：通,过,过模拟,信,信号和,通,通过数,字,字信号,，,，选择,是,是否需,要,要外部,模,模数转,换,换器和,额,额外的,校,校准技,术,术。,8.2,.,.1内置传,感,感器,8.2,.,.2微处理,器,器,微处理,器,器是无,线,线传感,节,节点中,负,负责计,算,算的核,心,心 ，,目,目前的,微,微处理,器,器芯片,同,同时也,集,集成了,内,内存、,闪,闪存、,模,模数转,化,化器、,数,数字IO等 ，,这,这种深,度,度集成,的,的特征,使,使得它,们,们非常,适,适合在,无,无线传,感,感器网,络,络中使,用,用。,影响节,点,点工作,整,整体性,能,能的微,处,处理器,关,关键性,能,能包括,功,功耗特,性,性，唤,醒,醒时间,（,（在睡,眠,眠/工作状,态,态间快,速,速切换,）,），供,电,电电压,（,（长时,间,间工作,）,），运,算,算速度,和,和内存,大,大小。,8.2,.,.2微处理,器,器,常用微,处,处理器,及,及其关,键,键特性,8.2,.,.3通信芯,片,片,通信芯,片,片是无,线,线传感,节,节点中,重,重要的,组,组成部,分,分 ，,在,在一个,无,无线传,感,感节点,的,的能量,消,消耗中,，,，通信,芯,芯片通,常,常消耗,能,能量最,多,多 ，,在,在目前,常,常用的,节,节点上,，,，CPU在工作,状,状态电,流,流仅500uA，而通,信,信芯片,在,在工作,状,状态电,流,流近20mA。,通信芯,片,片的传,输,输距离,是,是选择,传,传感节,点,点的重,要,要指标,。,。发射,功,功率越,大,大，接,受,受灵敏,度,度越高,，,，信号,传,传输距,离,离越远,。,。,8.2,.,.3通信芯,片,片,常用通,信,信芯片,：,：,CC1000：,可工作,在,在433MHz，868MHz和915MHz；采用,串,串口通,信,信模式,时,时速率,只,只能达,到,到19.2Kbps,CC2420：,工作频,率,率2.4GHz，是一,款,款完全,符,符合IEEE 802.15.4协议规,范,范的芯,片,片 ；,传,传输率250Kbps,8.2,.,.3通信芯,片,片,常用通,信,信芯片,及,及其关,键,键特性,8.3数字化,传,传感器,及,及网络,接,接口技,术,术,随着现,代,代化的,发,发展，,传,传感器,的,的功能,已,已突破,传,传统的,功,功能，,其,其输出,不,不再是,单,单一的,模,模拟信,号,号，而,是,是经过,微,微电脑,处,处理好,的,的数字,信,信号，,有,有的甚,至,至带有,控,控制功,能,能，这,就,就是所,说,说的数,字,字传感,器,器。,随着计,算,算机的,飞,飞速发,展,展以及,单,单片机,的,的日益,普,普及，,世,世界进,入,入了数,字,字时代,，,，人们,在,在处理,被,被测信,号,号时首,先,先想到,的,的是电,脑,脑（单,片,片机或,计,计算机,）,），具,有,有输出,信,信号便,于,于电脑,处,处理的,传,传感器,就,就是数,字,字传感,器,器。,8.3,.,.1数字传,感,感器,数字传,感,感器的,特,特点是,：,：,数字,传,传感器,将,将模拟,信,信号转,换,换成数,字,字信号,输,输出，,提,提高了,传,传感器,输,输出信,号,号抗干,扰,扰能力,，,，特别,适,适用于,电,电磁干,扰,扰强、,信,信号距,离,离远的,工,工作现,场,场；,软件,对,对传感,器,器线性,修,修正及,性,性能补,偿,偿，减,少,少系统,误,误差；,一致,性,性与互,换,换性好,。,。,8.3,.,.1数字传,感,感器,模拟传,感,感器产,生,生的信,号,号经过,放,放大、,转,转换、,线,线性化,及,及量纲,处,处理后,变,变成纯,粹,粹的数,字,字信号,，,，该数,字,字信号,可,可根据,要,要求以,各,各种标,准,准的接,口,口形式,（,（如232、422、485、USB等）与,中,中央处,理,理机相,连,连，可,以,以输出,线,线性无,漂,漂移地,再,再现模,拟,拟信号,，,，按照,给,给定程,序,序去控,制,制某个,对,对象（,如,如电动,机,机）等,。,。,8.3,.,.2传感器,的,的网络,化,化,传感器,网,网络化,的,的目标,是,是采用,标,标准的,网,网络协,议,议，同,时,时采用,模,模块化,结,结构将,传,传感器,和,和网络,技,技术有,机,机地结,合,合起来,。,。,敏感元,件,件输出,的,的模拟,信,信号经AD转换及,数,数据处,理,理后，,由,由网络,处,处理装,置,置根据,程,程序的,设,设定和,网,网络协,议,议（TCP,/,/IP）将其,封,封装成,数,数据帧,，,，并加,以,以目的,地,地址，,通,通过网,络,络接口,传,传输到,网,网络上,。,。,8.3,.,.2传感器,的,的网络,化,化,反过来,，,，网络,处,处理器,又,又能接,收,收网络,上,上其它,节,节点传,给,给自己,的,的数据,和,和命令,，,，实现,对,对本节,点,点的操,作,作，这,样,样传感,器,器就成,为,为测控,网,网中的,一,一个独,立,立节点,。,。网络,化,化传感,器,器的基,本,本结构,如,如下图,所,所示。,网络化,传,传感器,的,的基本,结,结构,8.4未来的,物,物联网,硬,硬件技,术,术,需要解,决,决的问,题,题和主,要,要研究,内,内容包,括,括：, 纳,米,米技术设备和,电,电路的,微,微型化,以,以及精,巧,巧化, 各,种,种传感,器,器技术嵌入式,传,传感器,技,技术、,嵌,嵌入式,驱,驱动装,置,置技术, 衔,接,接纳米,和,和微系,统,统的各,种,种技术,解,解决方,案,案, 通,信,信技术天线技,术,术、高,效,效节能,的,的射频,（,（RF）前端,技,技术, 纳,米,米电子,学,学纳米电,子,子元器,件,件设备,和,和纳米,电,电子元,器,器件技,术,术，具,有,有自主,配,配置、,优,优化电,路,路体系,结,结构。,8.3,.,.2传感器,的,的网络,化,化, 聚,合,合物电,子,子学, 嵌,入,入式系,统,统微能源,消,消耗和,供,供给的,微,微型处,理,理器/微型控,制,制器技,术,术、硬,件,件加速,技,技术, 低,成,成本、,高,高性能,的,的安全,识,识别/认证设,备,备, 低,成,成本硬,件,件制造,技,技术, 防,篡,篡改、,抗,抗干扰,技,技术，,在,在旁侧,信,信息通,道,道上具,有,有感知,能,能力或,者,者具有,警,警觉性,的,的硬件,设,设计技,术,术,8.5案例：M2M道路照,明,明解决,方,方案,1.物联网,道,道路照,明,明系统,结,结构结,构,构,基于物,联,联网道,路,路照明,系,系统通,过,过在每,盏,盏路灯,嵌,嵌入一,个,个无线,通,通信模,块,块，使,它,它们自,组,组网络,，,，接受,控,控制中,心,心的命,令,令并将,路,路灯的,状,状态反,馈,馈给控,制,制中心,；,；,采用ZigBee技术与,所,所管辖,道,道路的,所,所有路,灯,灯通信,，,，采用GPRS与控制,中,中心通,信,信，根,据,据控制,中,中心的,指,指令或,时,时间和,日,日照亮,度,度对每,盏,盏路灯,发,发出控,制,制命令,（,（路灯,开,开启、,关,关闭、,照,照明度,（,（功率,大,大小）,等,等），,自,自动调,节,节整条,道,道路的,功,功率平,衡,衡,8.5案例：M2M道路照,明,明解决,方,方案,无线通,信,信M2M模块控,制,制道路,照,照明系,统,统结构,8.5案例：M2M道路照,明,明解决,方,方案,2.无线采,集,集通信,模,模块,无线采,集,集模块,的,的结构,8.5案例：M2M道路照,明,明解决,方,方案,无线通,信,信模块,采,采用ZigBee技术、IEEE802.15.4协议，,通,通信覆,盖,盖半径,可,可达150m，能与,在,在其覆,盖,盖范围,内,内的任,何,何路灯,节,节点自,组,组网络,和,和进行,通,通信。,远程无,线,线通信,模,模块,8.5案例：M2M道路照,明,明解决,方,方案,3.通信协,议,议,4.与中央,监,监控的,连,连接,5.控制中,心,心软件,设,设计,6.实际应,用,用,物联网,道,道路照,明,明系统,应,应用效,果,果对比,ThankYou,!,!,