信息時(shí)代的傳感器技術(shù)
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微系統技術(shù)
MST（微系統技術(shù)）泛指系統內使用有源和無(wú)源兩種微結構組件的一門(mén)技術(shù)。MST隱含MEMS（微機電系統），兩個(gè)術(shù)語(yǔ)常常是通用的。微結構或微組件表示長(cháng)度單元為微米級，最小達100nm的工藝與技術(shù)，該技術(shù)的崛起又出現了NEMW（納米機電系統），它可以看作是MEMS的延伸。MNT（微與納米技術(shù)）則是兩者的融合，是一門(mén)兼有兩種工藝和技術(shù)特點(diǎn)的更高級的技術(shù)。
傳感器微型化的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行分布式測量，更進(jìn)一步可實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。
汽車(chē)行業(yè)是MEMS傳感器的一個(gè)大市場(chǎng)，除目前的溫度、壓力、安全氣囊加速計和輪速傳感器外，還會(huì )在輪胎壓力監控、車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制和陀螺儀/速度傳感、制動(dòng)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(gè)芯片上，而信號調理電路在另一個(gè)芯片上。從工藝加工觀(guān)點(diǎn)，這一方法是比較簡(jiǎn)單的，但存在很多缺點(diǎn)：
* 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(chǎng)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(jià)、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(dòng)。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(gè)差動(dòng)電容。傳感器本體相對子中心位置的任何偏離通過(guò)差動(dòng)電容的測量來(lái)確定。這種傳感器既能測量動(dòng)態(tài)加速度（如沖擊或震動(dòng)），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 ADXL202E方框圖
生物醫學(xué)傳感器是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。MST應用于生物醫學(xué)診斷的優(yōu)點(diǎn)在于測量系統的微型化，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(zhì)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(zhì)芯片、基因芯片、微陣列等。DNA和蛋白質(zhì)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(jìn)行檢測。蛋白質(zhì)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(shù)來(lái)制作金屬微鑄模，然后現利用這個(gè)微鑄模來(lái)澆鑄塑料光柵。LIGA可對多種材料進(jìn)行加工，具有結構?。ㄎ⒚准墸?、長(cháng)寬比大（高達100）和表面光潔度好（小于50nm）的優(yōu)點(diǎn)。MSC質(zhì)譜儀亦有MST版本，主要涉及磁體部分、WEIN過(guò)濾器、行波管等。MS體積減少意味著(zhù)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(jià)格高的真空泵系統創(chuàng )造了條件。研究課題包括硅基熱燈絲源MSTQMS（四極質(zhì)譜儀）、新型微加工電子譜儀和離子俘獲MS。
LOC（芯片級實(shí)驗室）整合了多種化學(xué)處理和分析技術(shù)，用硅、玻璃、多晶硅材料加工制作，由于玻璃的性能比較穩定，一般傾向于使用玻璃襯底，要解決的技術(shù)是廉價(jià)光源、檢測陣列和集成電子電路。微流體技術(shù)則指控制芯片上液體的技術(shù)ū謾⒎?、混合砌棦窂摩蕵I(yè)取?
無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)
用無(wú)線(xiàn)替代有線(xiàn)是電子技術(shù)的總趨勢，傳感技術(shù)也不例外。在大多數新的工業(yè)系統中，無(wú)線(xiàn)鏈接確實(shí)要比布線(xiàn)經(jīng)濟得多，方便得多。早期的產(chǎn)品就是實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的鏈接，如無(wú)線(xiàn)稱(chēng)重裝置，它的一端是電子稱(chēng)，另一端是標準數字讀出器或顯示器。Motorola將無(wú)線(xiàn)傳感器與通信技術(shù)相結合，開(kāi)發(fā)了無(wú)線(xiàn)家居監測和控制系統，內設無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)漏水傳感器、無(wú)線(xiàn)門(mén)/窗傳感器和無(wú)線(xiàn)攝像機等。這類(lèi)傳感器可預設上、下限，一旦測量出現異常情況，就會(huì )通過(guò)電話(huà)或發(fā)電子郵件告警，及時(shí)通知用戶(hù)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(shù)。RFID標簽是一塊集成電路，芯片含有產(chǎn)品的ID數據，讀出器可遠距離讀取芯片存儲的數據。RFID原本用于物流跟蹤和監管系統。倘若RFID與傳感技術(shù)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(shí)時(shí)信息。MicroStrail Inc的Embed sense 無(wú)線(xiàn)傳感器就是這類(lèi)產(chǎn)品。它備有傳感器和數據采集功能，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(xiàn)圈獲得能量，外部磁場(chǎng)整流后提供3V、200μA的功率，讀出器則取得數字應力、溫度和ID信息。
Crossbow是一家能提供大規模商用智能微粒無(wú)線(xiàn)傳感器的公司。硬件平臺由通常稱(chēng)為MOTES的處理器/無(wú)線(xiàn)電板（MPR）組成。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )處理器結點(diǎn)可以和RFID讀出器部件整合在一起，構成廉價(jià)、移動(dòng)式、網(wǎng)絡(luò )化RFID標簽讀出器。這個(gè)以電池供電的設備運用Tiny OS操作系統，支持雙路無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。傳感器和數據采集卡（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(wú)線(xiàn)電板相匹配。網(wǎng)關(guān)和接口產(chǎn)品（MIB）允許研發(fā)人員將MOTES接口至PC、PDA和其它現有的網(wǎng)絡(luò )和協(xié)議。Tiny OS操作系統是源開(kāi)放的，可擴充的和可縮放的。
低速應用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )當首推ZigBee。ZigBee的 IEEE標準名稱(chēng)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(luò )、安全以及應用層的標準。ZigBee有三個(gè)版本。868MHz歐洲版本的數據速率為20kb/s；10信道的915MHz版本的數據率為40 kb/s；真正的速度至尊是2.4GHz版本,16個(gè)信道,數據速率為250 kb/s 。這三種版本都采用DSSS（直接序列擴頻）技術(shù)。ZigBee還是一種PAN（個(gè)人局域網(wǎng)）技術(shù)，可配置為星形、樹(shù)形、網(wǎng)絡(luò )型拓撲形式，效果十分理想。其最重要優(yōu)點(diǎn)是超低功耗和簡(jiǎn)單易行，在某些場(chǎng)合下，低功率可使電池工作數年之久。
Motorola公司宣稱(chēng)已研了多種標準基壓力、加速計等無(wú)線(xiàn)傳感器集成電路。該公司充分利用其MEMS基傳感器和先進(jìn)的IEEE802.15.4RF技術(shù)的優(yōu)勢，創(chuàng )建經(jīng)濟實(shí)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(jìn)密鑰標準）算法的對稱(chēng)鍵碼，增強了通信的保密性。
Ember的EM2420無(wú)線(xiàn)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(gè)信道，信道間隔0.5MHz。250Kbps QQOSK DSSS完全符合IEEE802.15.4規范，0dBm輸出功率，工作距離75m；另備+10 dBm輸出放大，作更長(cháng)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(kāi)關(guān)，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(hù)開(kāi)發(fā)，Ember Net API軟件庫為Ember Net 協(xié)議棧中的路由、發(fā)現和管理功能提供簡(jiǎn)單的始終如一的界面。
Millennial Net是一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品，它為OEM和系統集成商提供綜合的平臺，來(lái)部署高效、可縮放、自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統。它備有多種小尺寸模塊，可方便地嵌入、整合在用戶(hù)的設備中。IB-5324是IEEE802.15.4兼容的，使用2.4GHz DSSS 的無(wú)線(xiàn)方案，抗RF干擾，提供數據保密。其中IB-5324 Endpoint 精簡(jiǎn)功能部件是帶數字和模塊接口和無(wú)線(xiàn)通信鏈接的小型微計算機。它采用雙MCU設計，以方便用戶(hù)應用程序的開(kāi)發(fā)。一個(gè)應用MCU對傳感器數據進(jìn)行歸并和預處理。此外，系統還提供路由器、USB路由器和網(wǎng)關(guān)，完成網(wǎng)絡(luò )內部和主機的地線(xiàn)鏈接。Millennial Net的Windows XP或2000基網(wǎng)絡(luò )監控軟件，作為一個(gè)圖形用戶(hù)界面來(lái)控制和監視無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，完整的API軟件庫讓用戶(hù)使用Microsoft Visual C/C++來(lái)開(kāi)發(fā)各種應和程序。
結語(yǔ)
綜上所述，傳感器技術(shù)應用廣泛，與眾多學(xué)科領(lǐng)域密切相關(guān)。傳感器技術(shù)是一門(mén)綜合的高新技術(shù)，它集光、機、電、生物醫學(xué)于一身，可以毫不夸張地說(shuō)，傳感器技術(shù)的水平從一個(gè)側面反映了微電子技術(shù)、MEMS、納米技術(shù)、光電子技術(shù)，生物技術(shù)等高新技術(shù)的水平。因此，要想進(jìn)一步推動(dòng)傳感器技術(shù)的發(fā)展，綜合人才的培養、各學(xué)科間的統力協(xié)作，建立新型實(shí)驗基地和生產(chǎn)基地是至關(guān)重要的。
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