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- 信息時代的傳感器技術
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/4/10
現(xiàn)實世界的信息是通過傳感器獲得的，與人們的生活息息相關。傳感器已大舉進入工業(yè)自動化、汽車工業(yè)、航天、生物、醫(yī)學應用領域，且在無線通信、消費品領域亦有廣泛的發(fā)展空間。傳感器種類繁多，涉及物理、化學、電子、機械、生物、醫(yī)學等學科。在眾多傳感器技術中，微系統(tǒng)技術起著關鍵的作用，利用這一技術已研制了各種類型、性能可靠的傳感器。此外，傳感器無線網(wǎng)絡化也是當前一個熱門話題，為傳感器應用另辟一條蹊徑。本文將詳細介紹這方面的發(fā)展情況。
微系統(tǒng)技術
MST（微系統(tǒng)技術）泛指系統(tǒng)內使用有源和無源兩種微結構組件的一門技術。MST隱含MEMS（微機電系統(tǒng)），兩個術語常常是通用的。微結構或微組件表示長度單元為微米級，最小達100nm的工藝與技術，該技術的崛起又出現(xiàn)了NEMW（納米機電系統(tǒng)），它可以看作是MEMS的延伸。MNT（微與納米技術）則是兩者的融合，是一門兼有兩種工藝和技術特點的更高級的技術。
傳感器微型化的優(yōu)點是不言而喻的。由于它采用與半導器件相同的材料和工藝加工的，因此可制作嵌入式傳感器、陣列型傳感器、多功能傳感器以及智能傳感器。由于傳感器體積小、功耗低，便于進行分布式測量，更進一步可實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡。
汽車行業(yè)是MEMS傳感器的一個大市場，除目前的溫度、壓力、安全氣囊加速計和輪速傳感器外，還會在輪胎壓力監(jiān)控、車輛動態(tài)控制和陀螺儀/速度傳感、制動壓力傳感、引擎射出壓力傳感和燃料氣化壓力傳感諸多方面大量應用。加速計是比較有代表性的一款產(chǎn)品。
早期MEMS采用多芯片方案，傳感元件（MEMS結構）在一個芯片上，而信號調理電路在另一個芯片上。從工藝加工觀點，這一方法是比較簡單的，但存在很多缺點：
* 增加了硅片總面積。
* 多芯片模塊需要附加的組裝步驟。
* 要求傳感器輸出信號較大，以克服芯片至芯片互連形成的雜散電容以及較大傳感器結構固有的雜散場效應。
* 成品率低
最新一代加速計傳感器都是單芯片的，如AD公司的ADXL 202E集成EMES加速計，它是目前已批量生產(chǎn)的小型、廉價、低重力集成化雙軸加速計。圖1是ADXL202E機械結構的示意圖。MEMS結構用多晶硅彈簧懸掛在襯底上，傳感器本體可沿X軸和Y軸移動。四方形傳感器本體四周設有32組徑向指狀橫桿。這些指狀橫桿處于固定在襯底上的兩條平板之間。每條指狀橫桿一對固定板組成一個差動電容。傳感器本體相對子中心位置的任何偏離通過差動電容的測量來確定。這種傳感器既能測量動態(tài)加速度（如沖擊或震動），也能測量靜態(tài)加速度（如傾角或重力）。
圖1 ADXL202E機械結構示意圖
圖2是ADXL202E的總體方框圖。差動電容是采用同步調制/解調技術測量的。放大后的X軸和Y軸加速度信號分別通過32KΩ電阻加至CX和CY輸出引腳以及PWM調制器。在CX和CY引腳處增加電容能限制帶寬，從而降低噪聲電平。PWM與加速度成正比，其輸出可直接送至微處理器的數(shù)字輸入端，用計數(shù)器解調PWM信號。
圖2 ADXL202E方框圖
MEMS設計存在諸多挑戰(zhàn)。首先是機械方面問題，即便是最簡單的系統(tǒng)，也要弄清各個元件的機械性質。多數(shù)MEMS系統(tǒng)用多晶硅來構建微機械結構，然而它的機械性能并不是十分理想的。此外，在微觀世界中，材料的機械性能又會發(fā)生什么變化呢？其次是傳感器的電氣測量。傳感器利用差動電容來實現(xiàn)測量，然后，將信號放大、線性化、在某些場合還要進行溫度補償。差動電容輸出的信號是十分微小的，已達到測量的極限。對集成化一體器件，在加工過程中還存在機械性能和電氣性能互相影響的問題，改進機械結構卻影響電氣性能，反之亦然，例如退火可以增加機械強度，但使BiMOS器件性能惡化，因此要完善兼顧機械加工和電氣性能的工藝技術。目前，器件的設計都不是手工完成的，廣泛使用CAD工具和模擬軟件，但在MEMS領域還沒有標準的設計軟件，要進一步加強MEMS CAD工具和模擬軟件、診斷軟件的開發(fā)。
生物醫(yī)學傳感器是一個非�；钴S的研究領域。MST應用于生物醫(yī)學診斷的優(yōu)點在于測量系統(tǒng)的微型化，從而可大大減少樣品和反應物。MST生物傳感器由兩部分構成；微結構元件產(chǎn)生因物理或生物性能改變引起的可測量輸出；生物部分通常是酶、抗體、核酸、微組織或細胞，利用抗體—抗源的選擇性，提供針對特定物質的傳感響應。IVD（臨床診斷）和生物芯片是主要MST產(chǎn)品。IVD典型產(chǎn)品是測量血糖的可熔解血液測試條。生物芯片則指DNA芯片，蛋白質芯片、基因芯片、微陣列等。DNA和蛋白質微陣列免疫分析法用硅或玻璃加工出微陣列結構，利用螢光標記進行檢測。蛋白質或DNA層的厚度為10nm左右，用印刷法或濺射工藝淀積在微陣列上。
微型譜儀用于便攜式譜儀基應用。LIGA是采用深X光光刻和電鍍技術來制作金屬微鑄模，然后現(xiàn)利用這個微鑄模來澆鑄塑料光柵。LIGA可對多種材料進行加工，具有結構�。ㄎ⒚准墸�、長寬比大（高達100）和表面光潔度好（小于50nm）的優(yōu)點。MSC質譜儀亦有MST版本，主要涉及磁體部分、WEIN過濾器、行波管等。MS體積減少意味著可減少離子平均自由路程，即可在較高的壓力（10-2mbar）下工作。小體積與高壓相結合為省略體積大且價格高的真空泵系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。研究課題包括硅基熱燈絲源MSTQMS（四極質譜儀）、新型微加工電子譜儀和離子俘獲MS。
LOC（芯片級實驗室）整合了多種化學處理和分析技術，用硅、玻璃、多晶硅材料加工制作，由于玻璃的性能比較穩(wěn)定，一般傾向于使用玻璃襯底，要解決的技術是廉價光源、檢測陣列和集成電子電路。微流體技術則指控制芯片上液體的技術。
無線傳感器技術
用無線替代有線是電子技術的總趨勢，傳感技術也不例外。在大多數(shù)新的工業(yè)系統(tǒng)中，無線鏈接確實要比布線經(jīng)濟得多，方便得多。早期的產(chǎn)品就是實現(xiàn)點對點的鏈接，如無線稱重裝置，它的一端是電子稱，另一端是標準數(shù)字讀出器或顯示器。Motorola將無線傳感器與通信技術相結合，開發(fā)了無線家居監(jiān)測和控制系統(tǒng)，內設無線溫度傳感器、無線漏水傳感器、無線門/窗傳感器和無線攝像機等。這類傳感器可預設上、下限，一旦測量出現(xiàn)異常情況，就會通過電話或發(fā)電子郵件告警，及時通知用戶發(fā)出故障，排除故障。
RFID（射頻識別）傳感器標簽是一種很有特色的技術。RFID標簽是一塊集成電路，芯片含有產(chǎn)品的ID數(shù)據(jù)，讀出器可遠距離讀取芯片存儲的數(shù)據(jù)。RFID原本用于物流跟蹤和監(jiān)管系統(tǒng)。倘若RFID與傳感技術相結合，制作成傳感器標簽，那么它不僅含有貨物的電子條形碼信息，也攜帶有溫度、壓力、位置等實時信息。MicroStrail Inc的Embed sense 無線傳感器就是這類產(chǎn)品。它備有傳感器和數(shù)據(jù)采集功能，可嵌入在產(chǎn)品中，創(chuàng)建智能材料，智能結構和智能機器。該產(chǎn)品使用電感從外部線圈獲得能量，外部磁場整流后提供3V、200μA的功率，讀出器則取得數(shù)字應力、溫度和ID信息。
Crossbow是一家能提供大規(guī)模商用智能微粒無線傳感器的公司。硬件平臺由通常稱為MOTES的處理器/無線電板（MPR）組成。無線網(wǎng)絡處理器結點可以和RFID讀出器部件整合在一起，構成廉價、移動式、網(wǎng)絡化RFID標簽讀出器。這個以電池供電的設備運用Tiny OS操作系統(tǒng)，支持雙路無線網(wǎng)絡。傳感器和數(shù)據(jù)采集卡（MTS和MDA）可內置傳感器，也可外接傳感器，該卡完全與處理器和無線電板相匹配。網(wǎng)關和接口產(chǎn)品（MIB）允許研發(fā)人員將MOTES接口至PC、PDA和其它現(xiàn)有的網(wǎng)絡和協(xié)議。Tiny OS操作系統(tǒng)是源開放的，可擴充的和可縮放的。
低速應用無線網(wǎng)絡當首推ZigBee。ZigBee的 IEEE標準名稱為802.15.4。802.15.4標準定義了PHY層和MAC層，而ZigBee聯(lián)盟設定了網(wǎng)絡、安全以及應用層的標準。ZigBee有三個版本。868MHz歐洲版本的數(shù)據(jù)速率為20kb/s；10信道的915MHz版本的數(shù)據(jù)率為40 kb/s；真正的速度至尊是2.4GHz版本,16個信道,數(shù)據(jù)速率為250 kb/s 。這三種版本都采用DSSS（直接序列擴頻）技術。ZigBee還是一種PAN（個人局域網(wǎng)）技術，可配置為星形、樹形、網(wǎng)絡型拓撲形式，效果十分理想。其最重要優(yōu)點是超低功耗和簡單易行，在某些場合下，低功率可使電池工作數(shù)年之久。
Motorola公司宣稱已研了多種標準基壓力、加速計等無線傳感器集成電路。該公司充分利用其MEMS基傳感器和先進的IEEE802.15.4RF技術的優(yōu)勢，創(chuàng)建經(jīng)濟實用的終端產(chǎn)品。產(chǎn)品使用標準硬件接口，可選用的OEM和嵌入式處理器。RF收發(fā)器工作在全球性2.4GHz頻帶，通信傳輸使用128位AES（先進密鑰標準）算法的對稱鍵碼，增強了通信的保密性。
Ember的EM2420無線解決方案是理想的通信產(chǎn)品。它工作在2.4GHz全球性ISM頻帶，16個信道，信道間隔0.5MHz。250Kbps QQOSK DSSS完全符合IEEE802.15.4規(guī)范，0dBm輸出功率，工作距離75m；另備+10 dBm輸出放大，作更長距離傳輸。它安全性好，有硬件基CRC和AES-128密鑰。該器件有集成化的CMOS收發(fā)器和片上TX/RX開關，芯片封裝在7mm×7mm、48QLP中，僅需少量外部元件。EM2420備有多種高速同步串行硬件接口與主處理器通信。為方便用戶開發(fā)，Ember Net API軟件庫為Ember Net 協(xié)議棧中的路由、發(fā)現(xiàn)和管理功能提供簡單的始終如一的界面。
Millennial Net是一種無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品，它為OEM和系統(tǒng)集成商提供綜合的平臺，來部署高效、可縮放、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。它備有多種小尺寸模塊，可方便地嵌入、整合在用戶的設備中。IB-5324是IEEE802.15.4兼容的，使用2.4GHz DSSS 的無線方案，抗RF干擾，提供數(shù)據(jù)保密。其中IB-5324 Endpoint 精簡功能部件是帶數(shù)字和模塊接口和無線通信鏈接的小型微計算機。它采用雙MCU設計，以方便用戶應用程序的開發(fā)。一個應用MCU對傳感器數(shù)據(jù)進行歸并和預處理。此外，系統(tǒng)還提供路由器、USB路由器和網(wǎng)關，完成網(wǎng)絡內部和主機的地線鏈接。Millennial Net的Windows XP或2000基網(wǎng)絡監(jiān)控軟件，作為一個圖形用戶界面來控制和監(jiān)視無線網(wǎng)絡，完整的API軟件庫讓用戶使用Microsoft Visual C/C++來開發(fā)各種應和程序。
結語
綜上所述，傳感器技術應用廣泛，與眾多學科領域密切相關。傳感器技術是一門綜合的高新技術，它集光、機、電、生物醫(yī)學于一身，可以毫不夸張地說，傳感器技術的水平從一個側面反映了微電子技術、MEMS、納米技術、光電子技術，生物技術等高新技術的水平。因此，要想進一步推動傳感器技術的發(fā)展，綜合人才的培養(yǎng)、各學科間的統(tǒng)力協(xié)作，建立新型實驗基地和生產(chǎn)基地是至關重要的。
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