仪器仪表微型化的研究进展课件

1、 仪器仪表微型化的研究进展仪器仪表（英文：instrumentation） 仪器仪表 仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。微型仪器仪表 关于微型仪器仪表, 目前尚未见到有关对其概念的确切的定义和描述。可以认为, 微型仪器仪表实际上就是具有仪器化功能的微机电系统产品, 是微机电系统技术的实际应用, 它具有一般仪器具有的测量、分析、诊断、控制、等功能, 是一种新型的智能结构。 一 仪器仪表 “微型化”发展过程 仪器仪表工业是促进国民经济各部门 技术进步、提高劳动生产率和社会经济效益的先导工业。仪器仪表的装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力发展水平

2、和科学技术的现代化水平。 仪器仪表微型化又是仪器仪表技术进步的一个重要方向。所以研究微型化仪器仪表有着重要的实际意义。微型仪器仪表的发展大致可以分为三个阶段。分别是模拟式，数字式和新技术下的微型仪器仪表。从电路原理来看仪器仪表可分为两代。第一代仪器仪表是模拟式仪器仪表，大量指针式的万用表、电压表、电流表及一些通用的测试仪器，均是典型的模拟式仪器。这一代仪器仪表功能简单，精度低，响应速度慢，体积大，结构笨重。微型化的技术障碍多，成本高。第二代仪器仪表是数字式仪器仪表，它的基本工作原理是将待测的模拟信号转换成 数字信号，并进行测量，结果以数字形式输出显示。这代仪器仪表适应于快速响应 和高精度的要求

3、。由于数字电路的一些先天优势，这代仪器仪表的体积缩小明显。 第三代微型仪器仪表才可以真正称得上微型化。在近20年来随着微电子技术、计算机技术、精密机械技术、网络技术、纳米技术等高新技术的迅猛发展，对仪器仪表的微型化提出了更高的要求。特别是近10年来，由于包括纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果以及高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新技术成果的竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革。从而出现了大量体积小、成本低、功能多样的现代仪器仪表。二 微型化仪器仪表的应用领域与实例从市场应用需求来看, 微型仪器的市场

4、大体可以分为以下几类:(1) 环境科学 微型仪器在环境监测、分析和处理方面大有作为。它们主要是由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备。这些微型仪器可用来检测气体和液体的化学成份, 检测核、生物, 化学物质和有毒物品, 其优势在于体积小, 价格低, 低功耗, 易携带。(2) 航天及星球探索 美国宇航局(NASA ) 目前正制订微型仪器技术开发计划, 主要目的是发展适合21世纪的小型、低价、高性能航天器, 利用M EM S 技术对航天器有效载荷和某些机电部件进行微型化, 极大地缩小各种科学仪器和传感器的体积和重量, 其结果是提高了功能密度。 (3) 生物医疗生物医疗领域是微

5、型仪器比较活跃的领域之一, 目前已研制的微型仪器包括:一次性血压计, 1995 年Motorola 与ICSensor 销出了2000 万只;“灵巧药丸”(Smart pill) , 实际上是包含传感器、储药囊和微压力泵的微型仪器, 可注入人体, 并在人体内部的精确部位施放精确剂量的药物; (4) 汽车工业现代汽车的电子技术含量以每年10% 的比例增长, 而传感器的含量则以每年20% 的比例增长, 其中主要包括微加速度传感计及微压力传感器等微型仪器。将微型压力传感器置于轮胎中, 可用来保持轮胎适当压力, 避免充气过量或不足, 仅此一项就可节油10%。利用微加速度计传感器可监控撞车, 并为防撞气

6、囊提供紧急充气信号, 减少车内人员伤害。 (5) 军事应用 微型仪器在军事上的应用具有深远意义, 它或许就是未来战场的另一只军事力量。如将袖珍式质谱仪作为有害化学战剂报警传感器安装在微型车辆或无人驾驶机上, 就能在战地搜寻化学武器。利用各种微型传感器做成的草杆、树叶, 上面装有微型电子侦察仪、微照相机等, 将它们大量撒向战场后, 在空中、地面、水上就能随时随地搜集情报。将传感器和灵巧武器散布在战场上, 形成危险区, 阻挠敌方步兵和坦克。 除了上述的领域外, 微型仪器还在工业控制、工业检测, 玩具、服装等行业具有较强的需求背景。 微型化仪器仪表实例1.微型机械惯性测量组件(MMIMU) . 惯性

7、测量组件包括陀螺仪和加速度计两种仪表，由化学蚀刻单晶硅晶片制成。这种加工工艺可在10cm单个晶片上批量生产出4000个单个仪表。这些新材料和新技术将使惯性敏感器件的联合成本大大降低，可靠性提高，尺寸减小和质量减轻，可以将它们集成为高水平系统。 这种微型机械惯性测量组件由于其小尺寸和硅材料的固有强度，在冲击下能保持完好。现在的组件可以在80G振动环境中可靠地工作。左图是陀螺的照片。陀螺最长的尺寸为600m。陀螺外环运动由两个埋置电极来敏感和控制，而内环由两个桥式电桥来敏感和控制。2.一种基于微加工技术的微型电场传感器的设计与制造电场测量在气象研究、航空航天、工业生产等领域有着广泛的应用。与其它的

8、电荷感应式电场传感器相比,基于微加工技术的微型电场传感器具有明显的优势。它重量轻,更有利于对高空或外太空进行测量;体积微小,能用于测量电场分布的细节;另外将微型电场传感器与其它传感器如温度传感器、压力传感器、湿度传感器等集成在一起也相对容易,因此基于微加工技术的微型电场传感器有着广阔的应用前景。微型电场传感器实物图传感器核心感应部分以微加工技术制造,采用了独特的结构和加工工艺,使其具备体积小、重量轻、功耗低、便于与其它器件集成等特点,而且制作工艺相对简单,成本较低。三 微型化技术介绍仪器仪表产品微型化主要归结于超大规模集成（VLSI）新器件、微机电系统（MEMS）、圆片规模集成（WSI）和多芯

9、片模块（MCM）等；采用微控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、微分光光学系统、微传感器等，使仪器仪表产品体积缩小，精度提高。总体来说,提高仪器仪表“微型化”的方法主要是超大规模集成（VLSI）技术和微机电（MEMS）技术。1.大规模集成电路对提高仪器仪表微型化的作用。 近年出现的16位、32位微处理器，各种输入输出接口芯片，大容量RAM，这些器件都对仪表的微型化发展产生很大的影响。不少仪器采用了单片机芯片，其结果提高了智能仪表的性能，减少了器件数目。在仪表中广泛采用这些微处理器和集成电路，将使其功能大为增加，体积明显减小。2. 微机电系统对提高仪器仪表微型化的作用。 微机电系统即MEMS

10、(Micro Electro Mechanical systems) 是指可以用微电子等批量加工工艺制造的集微机械与微电子等部件于一体的部件或结构。微电子机械系统技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。采用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。特别适合微型仪器仪表的制造。使用这种技术生产的仪器仪表，体积小、重量轻、性能稳定; 成本低, 性能一致性好;

11、 综合集成度高、附加值高; 四 微型仪器仪表的发展趋势(1)仪器仪表的微型化进程加快。 目前, 传感器有越来越小的趋势。通过MEMS 技术可以实现单一的微传感器到极小尺寸的集成传感器系统。从而，使得仪器仪表的微型化进程加快。(2)微型仪器仪表有智能化的趋势。 随着信息处理单元体积的不断缩小，多传感器与信息处理单元的集成技术发展，微型仪器仪表有智能化的趋势。(3)微型仪器仪表的功能更加丰富 随着封装、系统集成、模数电路的集成等技术继续发展，微型仪器仪表的功能更加丰富，可以满足用户多方面的需求。目前, 微型仪器的有关研究较少, 但相关技术研究却很多, 例如, 各类微型传感器的研制已经开始, 有的已产业化。微型仪器随着微电子机械技术的不断发展, 其技术不断成熟, 价格将不断降低, 因此其应用领域也将不断扩大。将在人们生活中的各领域起到独特的作用。 例如, 目前要同时测量一个病人的几个不同的参量, 通常病人的体内要插进几个管子, 这增加了感染的机会,而微型智能仪器体积小、可植入人体能同时测量多参数。就能很好的解决类似问题。因此，微型仪器的使用将使得我们所处理的某些问题变得十分简单