儀器儀表微型化的研究進(jìn)展課件

1、 儀器儀表微型化的研究進(jìn)展儀器儀表（英文：instrumentation） 儀器儀表 儀器儀表是用以檢出、測量、觀察、計算各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等的器具或設(shè)備。微型儀器儀表 關(guān)于微型儀器儀表, 目前尚未見到有關(guān)對其概念的確切的定義和描述?？梢哉J(rèn)為, 微型儀器儀表實際上就是具有儀器化功能的微機電系統(tǒng)產(chǎn)品, 是微機電系統(tǒng)技術(shù)的實際應(yīng)用, 它具有一般儀器具有的測量、分析、診斷、控制、等功能, 是一種新型的智能結(jié)構(gòu)。 一 儀器儀表 “微型化”發(fā)展過程 儀器儀表工業(yè)是促進(jìn)國民經(jīng)濟各部門 技術(shù)進(jìn)步、提高勞動生產(chǎn)率和社會經(jīng)濟效益的先導(dǎo)工業(yè)。儀器儀表的裝備水平在很大程度上反映出一個國家的生產(chǎn)力發(fā)展水平

2、和科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化水平。 儀器儀表微型化又是儀器儀表技術(shù)進(jìn)步的一個重要方向。所以研究微型化儀器儀表有著重要的實際意義。微型儀器儀表的發(fā)展大致可以分為三個階段。分別是模擬式，數(shù)字式和新技術(shù)下的微型儀器儀表。從電路原理來看儀器儀表可分為兩代。第一代儀器儀表是模擬式儀器儀表，大量指針式的萬用表、電壓表、電流表及一些通用的測試儀器，均是典型的模擬式儀器。這一代儀器儀表功能簡單，精度低，響應(yīng)速度慢，體積大，結(jié)構(gòu)笨重。微型化的技術(shù)障礙多，成本高。第二代儀器儀表是數(shù)字式儀器儀表，它的基本工作原理是將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號，并進(jìn)行測量，結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。這代儀器儀表適應(yīng)于快速響應(yīng) 和高精度的要求

3、。由于數(shù)字電路的一些先天優(yōu)勢，這代儀器儀表的體積縮小明顯。 第三代微型儀器儀表才可以真正稱得上微型化。在近20年來隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、精密機械技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、納米技術(shù)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對儀器儀表的微型化提出了更高的要求。特別是近10年來，由于包括納米級的精密機械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果、基因?qū)哟蔚纳飳W(xué)研究成果以及高精密超性能特種功能材料研究成果和全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用成果等在內(nèi)的一大批當(dāng)代最新技術(shù)成果的競相問世，使得儀器儀表領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革。從而出現(xiàn)了大量體積小、成本低、功能多樣的現(xiàn)代儀器儀表。二 微型化儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域與實例從市場應(yīng)用需求來看, 微型儀器的市場

4、大體可以分為以下幾類:(1) 環(huán)境科學(xué) 微型儀器在環(huán)境監(jiān)測、分析和處理方面大有作為。它們主要是由化學(xué)傳感器、生物傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的微型測量和分析設(shè)備。這些微型儀器可用來檢測氣體和液體的化學(xué)成份, 檢測核、生物, 化學(xué)物質(zhì)和有毒物品, 其優(yōu)勢在于體積小, 價格低, 低功耗, 易攜帶。(2) 航天及星球探索 美國宇航局(NASA ) 目前正制訂微型儀器技術(shù)開發(fā)計劃, 主要目的是發(fā)展適合21世紀(jì)的小型、低價、高性能航天器, 利用M EM S 技術(shù)對航天器有效載荷和某些機電部件進(jìn)行微型化, 極大地縮小各種科學(xué)儀器和傳感器的體積和重量, 其結(jié)果是提高了功能密度。 (3) 生物醫(yī)療生物醫(yī)療領(lǐng)域是微

5、型儀器比較活躍的領(lǐng)域之一, 目前已研制的微型儀器包括:一次性血壓計, 1995 年Motorola 與ICSensor 銷出了2000 萬只;“靈巧藥丸”(Smart pill) , 實際上是包含傳感器、儲藥囊和微壓力泵的微型儀器, 可注入人體, 并在人體內(nèi)部的精確部位施放精確劑量的藥物; (4) 汽車工業(yè)現(xiàn)代汽車的電子技術(shù)含量以每年10% 的比例增長, 而傳感器的含量則以每年20% 的比例增長, 其中主要包括微加速度傳感計及微壓力傳感器等微型儀器。將微型壓力傳感器置于輪胎中, 可用來保持輪胎適當(dāng)壓力, 避免充氣過量或不足, 僅此一項就可節(jié)油10%。利用微加速度計傳感器可監(jiān)控撞車, 并為防撞氣

6、囊提供緊急充氣信號, 減少車內(nèi)人員傷害。 (5) 軍事應(yīng)用 微型儀器在軍事上的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義, 它或許就是未來戰(zhàn)場的另一只軍事力量。如將袖珍式質(zhì)譜儀作為有害化學(xué)戰(zhàn)劑報警傳感器安裝在微型車輛或無人駕駛機上, 就能在戰(zhàn)地搜尋化學(xué)武器。利用各種微型傳感器做成的草桿、樹葉, 上面裝有微型電子偵察儀、微照相機等, 將它們大量撒向戰(zhàn)場后, 在空中、地面、水上就能隨時隨地搜集情報。將傳感器和靈巧武器散布在戰(zhàn)場上, 形成危險區(qū), 阻撓敵方步兵和坦克。 除了上述的領(lǐng)域外, 微型儀器還在工業(yè)控制、工業(yè)檢測, 玩具、服裝等行業(yè)具有較強的需求背景。 微型化儀器儀表實例1.微型機械慣性測量組件(MMIMU) . 慣性

7、測量組件包括陀螺儀和加速度計兩種儀表，由化學(xué)蝕刻單晶硅晶片制成。這種加工工藝可在10cm單個晶片上批量生產(chǎn)出4000個單個儀表。這些新材料和新技術(shù)將使慣性敏感器件的聯(lián)合成本大大降低，可靠性提高，尺寸減小和質(zhì)量減輕，可以將它們集成為高水平系統(tǒng)。 這種微型機械慣性測量組件由于其小尺寸和硅材料的固有強度，在沖擊下能保持完好。現(xiàn)在的組件可以在80G振動環(huán)境中可靠地工作。左圖是陀螺的照片。陀螺最長的尺寸為600m。陀螺外環(huán)運動由兩個埋置電極來敏感和控制，而內(nèi)環(huán)由兩個橋式電橋來敏感和控制。2.一種基于微加工技術(shù)的微型電場傳感器的設(shè)計與制造電場測量在氣象研究、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與其它的

8、電荷感應(yīng)式電場傳感器相比,基于微加工技術(shù)的微型電場傳感器具有明顯的優(yōu)勢。它重量輕,更有利于對高空或外太空進(jìn)行測量;體積微小,能用于測量電場分布的細(xì)節(jié);另外將微型電場傳感器與其它傳感器如溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器等集成在一起也相對容易,因此基于微加工技術(shù)的微型電場傳感器有著廣闊的應(yīng)用前景。微型電場傳感器實物圖傳感器核心感應(yīng)部分以微加工技術(shù)制造,采用了獨特的結(jié)構(gòu)和加工工藝,使其具備體積小、重量輕、功耗低、便于與其它器件集成等特點,而且制作工藝相對簡單,成本較低。三 微型化技術(shù)介紹儀器儀表產(chǎn)品微型化主要歸結(jié)于超大規(guī)模集成（VLSI）新器件、微機電系統(tǒng)（MEMS）、圓片規(guī)模集成（WSI）和多芯

9、片模塊（MCM）等；采用微控技術(shù)、微加工技術(shù)、微檢測技術(shù)、微光源、微分光光學(xué)系統(tǒng)、微傳感器等，使儀器儀表產(chǎn)品體積縮小，精度提高。總體來說,提高儀器儀表“微型化”的方法主要是超大規(guī)模集成（VLSI）技術(shù)和微機電（MEMS）技術(shù)。1.大規(guī)模集成電路對提高儀器儀表微型化的作用。 近年出現(xiàn)的16位、32位微處理器，各種輸入輸出接口芯片，大容量RAM，這些器件都對儀表的微型化發(fā)展產(chǎn)生很大的影響。不少儀器采用了單片機芯片，其結(jié)果提高了智能儀表的性能，減少了器件數(shù)目。在儀表中廣泛采用這些微處理器和集成電路，將使其功能大為增加，體積明顯減小。2. 微機電系統(tǒng)對提高儀器儀表微型化的作用。 微機電系統(tǒng)即MEMS

10、(Micro Electro Mechanical systems) 是指可以用微電子等批量加工工藝制造的集微機械與微電子等部件于一體的部件或結(jié)構(gòu)。微電子機械系統(tǒng)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。采用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，可將機械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。特別適合微型儀器儀表的制造。使用這種技術(shù)生產(chǎn)的儀器儀表，體積小、重量輕、性能穩(wěn)定; 成本低, 性能一致性好;

11、 綜合集成度高、附加值高; 四 微型儀器儀表的發(fā)展趨勢(1)儀器儀表的微型化進(jìn)程加快。 目前, 傳感器有越來越小的趨勢。通過MEMS 技術(shù)可以實現(xiàn)單一的微傳感器到極小尺寸的集成傳感器系統(tǒng)。從而，使得儀器儀表的微型化進(jìn)程加快。(2)微型儀器儀表有智能化的趨勢。 隨著信息處理單元體積的不斷縮小，多傳感器與信息處理單元的集成技術(shù)發(fā)展，微型儀器儀表有智能化的趨勢。(3)微型儀器儀表的功能更加豐富 隨著封裝、系統(tǒng)集成、模數(shù)電路的集成等技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，微型儀器儀表的功能更加豐富，可以滿足用戶多方面的需求。目前, 微型儀器的有關(guān)研究較少, 但相關(guān)技術(shù)研究卻很多, 例如, 各類微型傳感器的研制已經(jīng)開始, 有的已產(chǎn)業(yè)化。微型儀器隨著微電子機械技術(shù)的不斷發(fā)展, 其技術(shù)不斷成熟, 價格將不斷降低, 因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴大。將在人們生活中的各領(lǐng)域起到獨特的作用。 例如, 目前要同時測量一個病人的幾個不同的參量, 通常病人的體內(nèi)要插進(jìn)幾個管子, 這增加了感染的機會,而微型智能儀器體積小、可植入人體能同時測量多參數(shù)。就能很好的解決類似問題。因此，微型儀器的使用將使得我們所處理的某些問題變得十分簡單