8章-物联网硬件技术41

,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,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,