第8章-硬件技術(shù)-《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教程》PPT課件

1、1,第 8 章 硬件技術(shù),2,學(xué)習(xí)任務(wù),微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS,移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置傳感器硬件平臺(tái),數(shù)字化傳感器及網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù),Click to add title in here,1,2,3,本章主要涉及,3,8.1 微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS,微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System）簡(jiǎn)稱MEMS，是集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理控制電路、接口、電源等于一體的機(jī)械裝置。 它將自然界各種物理量，如聲、光、壓力、加速度、溫度以及生物、化學(xué)物質(zhì)的濃度信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將電信號(hào)送入微處理器得到指令，指令被隨即發(fā)送到微執(zhí)行器上，對(duì)自然界的變化做出相應(yīng)反

2、應(yīng),4,8.1.1 MEMS簡(jiǎn)介,MEMS在美國(guó)稱為微機(jī)電系統(tǒng)，在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)， 它是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng),微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS,5,8.1.1 MEMS簡(jiǎn)介,微電子機(jī)械系統(tǒng)不但能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部指令采取行動(dòng)。 它用微電子技術(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，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng),6,8.1.2 發(fā)展概述,完整的MEM

3、S是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。 其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平,7,8.1.2 發(fā)展概述,MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時(shí)用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。 由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變形，會(huì)影響其表面的壓敏電阻曲線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 后來(lái)的電路則包括電容感應(yīng)移動(dòng)質(zhì)量加速計(jì)，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀,8,8.1.2 發(fā)展概述,第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，

4、主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。 第三輪商業(yè)化可以說(shuō)出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過(guò)全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場(chǎng)現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長(zhǎng)期看來(lái)將是MEMS一個(gè)增長(zhǎng)強(qiáng)勁的領(lǐng)域,9,8.1.2 發(fā)展概述,目前MEMS產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的新趨勢(shì)是產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)展，其開始向工業(yè)、醫(yī)療、測(cè)試儀器等新領(lǐng)域擴(kuò)張。 推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無(wú)源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的片上實(shí)驗(yàn)室生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動(dòng)器件,10,8.1.3 微電子機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,ME

5、MS用于取代現(xiàn)有儀器或系統(tǒng)中的元器件，最終發(fā)展方向是取代現(xiàn)有大系統(tǒng)的集成微光機(jī)電系統(tǒng)（Micro Optical Electro Mechanical System，MOEMS）。 MEMS目前主要應(yīng)用在微機(jī)械元器件制造、信息、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天、國(guó)防軍事等多個(gè)領(lǐng)域,11,8.1.3 微電子機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,1）微機(jī)械元器件制造領(lǐng)域 微馬達(dá)、微鑷子、微齒輪、微開關(guān)、微電感、微透鏡陣列、微射流器件等，它可使現(xiàn)有儀器設(shè)備體積更小、重量更輕、能耗更低、可靠性更高。 （2）信息領(lǐng)域 硬盤、光盤讀寫頭、噴墨打印頭，光開關(guān)、光衰減器、光濾波器、射頻開關(guān)、射頻移相器、數(shù)字微鏡器件（digit

6、al mirror device，DMD）、蜂窩電話元器件等都已采用MEMS技術(shù)制造,12,8.1.3 微電子機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,3）汽車工業(yè) 汽車上用于保護(hù)駕駛員安全的安全氣囊是最成熟的MEMS系統(tǒng)。此外，汽車上的壓力傳感器、廢氣傳感器、碰撞傳感器、電噴控制、空氣流量傳感器和陀螺等也應(yīng)用了MEMS技術(shù)。 （4）生物醫(yī)學(xué)工程 MEMS技術(shù)還可用于制造藥物輸出系統(tǒng)，如微泵、微閥、藥物噴霧器等。同時(shí)，血壓傳感器、血糖分析傳感器、生物芯片、心臟起搏器和植入式微系統(tǒng)等均在研發(fā)中,13,8.1.3 微電子機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,5）航空航天領(lǐng)域 微陀螺、微加速度計(jì)、用于姿態(tài)控制的微推進(jìn)系統(tǒng)、微機(jī)械紅外非制冷

7、成像系統(tǒng)、微飛行器和微（納、皮）衛(wèi)星等儀器中也有所應(yīng)用。 （6）國(guó)防軍事領(lǐng)域 化學(xué)武器識(shí)別系統(tǒng)、武器安全引爆系統(tǒng)、敵我識(shí)別系統(tǒng)、用于地雷探索的磁強(qiáng)傳感器，智能炮彈、導(dǎo)彈和微型偵察機(jī)等,MEMS陀螺儀,14,8.1.4微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù),微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)包含了材料、設(shè)計(jì)與模擬、加工制造、封裝、測(cè)試五個(gè)方面。 （1）MEMS的材料 包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣材料幾類。根據(jù)不同的使用環(huán)境，MEMS材料要求耐高溫、耐低溫、耐腐蝕和耐輻射。 在微傳感器和微執(zhí)行器的制造中，MEMS需要使用具有各種功能的材料，如壓電材料、壓阻材料、磁性材料和形狀記憶合金等,15,8.1.4微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù),2）MEMS設(shè)計(jì)

8、與模擬技術(shù) MEMS設(shè)計(jì)與模擬技術(shù)包括了專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）設(shè)計(jì)、機(jī)械微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝流程設(shè)計(jì)、掩模板設(shè)計(jì)，以及微傳感器和微執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與性能模擬等,16,8.1.4微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù),3)MEMS加工技術(shù) MEMS加工技術(shù)主要分為硅微加工技術(shù)和非硅微加工技術(shù)兩類。 MEMS硅微加工技術(shù)應(yīng)用了微電子常規(guī)工藝，包括氧化、薄膜制備、光刻、刻蝕、電鍍、離子注入等,17,8.1.4微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù),4)非硅MEMS微加工技術(shù) 非硅MEMS微加工技術(shù)包括LIGA、激光、電火花等微加工技術(shù)。 LIGA技術(shù)是Li

9、thographie、Galvanoformung和Abformung三個(gè)德語(yǔ)單詞的縮寫，該技術(shù)包含了同步輻射X射線光刻、微電鑄和微復(fù)制三個(gè)工藝步驟，能制備高深寬比聚合物和金屬微結(jié)構(gòu)，并能采用微復(fù)制工藝進(jìn)行批量生產(chǎn),18,8.1.4微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù),5)MEMS封裝技術(shù) MEMS封裝技術(shù)的目的是建立微傳感器和微執(zhí)行器與專用集成電路的連接，并減少外部環(huán)境對(duì)微傳感器和微執(zhí)行器工作的影響。 MEMS封裝技術(shù)包括倒焊裝、重布線、密封封裝和真空封裝等。 設(shè)計(jì)MEMS器件的封裝往往比設(shè)計(jì)普通集成電路的封裝更加復(fù)雜，這是因?yàn)橐獫M足工作在嚴(yán)酷環(huán)境條件下的需求,例如，沖擊、震動(dòng)、溫度變化、潮濕和EMI/RFI

10、等,19,8.1.4微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù),6) MEMS測(cè)試技術(shù) MEMS測(cè)試技術(shù)主要是對(duì)微傳感器和微執(zhí)行器的性能，如微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、MEMS器件的光學(xué)性能、電學(xué)性能、以及量程、分辨率、響應(yīng)頻率等進(jìn)行測(cè)試。 可靠性測(cè)試是MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的前提，其內(nèi)容包括了高低溫、使用環(huán)境、振動(dòng)、疲勞、使用壽命等方面的測(cè)試,20,8.1.5 產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例,蘋果iPhone iPhone將使用MEMS陀螺儀，比如保齡球、高爾夫等運(yùn)動(dòng)游戲。另外，該項(xiàng)技術(shù)還可以將iPhone和桌面PC游戲結(jié)合在一起。 奧林巴斯數(shù)碼相機(jī) u1050SW 使用者可通過(guò)敲擊LCD顯示屏或機(jī)身外殼來(lái)改變?cè)O(shè)置、拍照和查看拍攝的照片。例如，當(dāng)

11、使用者在滑雪坡道上拍照時(shí)，無(wú)需脫下手套即可操作相機(jī),21,8.1.5 產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例,GPS輔助導(dǎo)航 MEMS壓力傳感器可以使GPS導(dǎo)航更精確，Sensor Platforms公司和其它供應(yīng)商都在開發(fā)集成有MEMS航位推算功能的系統(tǒng)，這樣你的導(dǎo)航系統(tǒng)就可以跟隨你進(jìn)入建筑物內(nèi)（甚至是地鐵）而不迷路。 它的開發(fā)者在開發(fā)把GPS、相機(jī)、MEMS傳感器集成在一個(gè)平臺(tái)，這樣導(dǎo)航系統(tǒng)不但知道使用者身處何處，還知道使用者看到些什么，這樣屏幕上的數(shù)據(jù)交互以確定你尋找的建筑物,22,8.2 移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置傳感器硬件平臺(tái),有許多傳感器可供節(jié)點(diǎn)平臺(tái)使用，使用哪種傳感器往往由具體的應(yīng)用需求以及傳感器本身的特點(diǎn)決定。 需要

12、根據(jù)處理器與傳感器的交互方式：通過(guò)模擬信號(hào)和通過(guò)數(shù)字信號(hào)，選擇是否需要外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器和額外的校準(zhǔn)技術(shù),23,8.2.1 內(nèi)置傳感器,24,8.2.2 微處理器,微處理器是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中負(fù)責(zé)計(jì)算的核心 ，目前的微處理器芯片同時(shí)也集成了內(nèi)存、閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、數(shù)字IO等 ，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。 影響節(jié)點(diǎn)工作整體性能的微處理器關(guān)鍵性能包括功耗特性，喚醒時(shí)間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長(zhǎng)時(shí)間工作），運(yùn)算速度和內(nèi)存大小,25,8.2.2 微處理器,常用微處理器及其關(guān)鍵特性,26,8.2.3 通信芯片,通信芯片是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中重要的組成部分 ，在一個(gè)無(wú)線

13、傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多 ，在目前常用的節(jié)點(diǎn)上，CPU在工作狀態(tài)電流僅500uA，而通信芯片在工作狀態(tài)電流近20mA。 通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點(diǎn)的重要指標(biāo)。發(fā)射功率越大，接受靈敏度越高，信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn),27,8.2.3 通信芯片,常用通信芯片： CC1000： 可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時(shí)速率只能達(dá)到19.2Kbps CC2420： 工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片 ；傳輸率250Kbps,28,8.2.3 通信芯片,常用通信芯片及其關(guān)鍵特性,29,8.3 數(shù)字化傳感器及網(wǎng)絡(luò)接口

14、技術(shù),隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是單一的模擬信號(hào)，而是經(jīng)過(guò)微電腦處理好的數(shù)字信號(hào)，有的甚至帶有控制功能，這就是所說(shuō)的數(shù)字傳感器。 隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展以及單片機(jī)的日益普及，世界進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代，人們?cè)谔幚肀粶y(cè)信號(hào)時(shí)首先想到的是電腦（單片機(jī)或計(jì)算機(jī)），具有輸出信號(hào)便于電腦處理的傳感器就是數(shù)字傳感器,30,8.3.1 數(shù)字傳感器,數(shù)字傳感器的特點(diǎn)是： 數(shù)字傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，提高了傳感器輸出信號(hào)抗干擾能力，特別適用于電磁干擾強(qiáng)、信號(hào)距離遠(yuǎn)的工作現(xiàn)場(chǎng)； 軟件對(duì)傳感器線性修正及性能補(bǔ)償，減少系統(tǒng)誤差； 一致性與互換性好,31,8.3.1 數(shù)字傳感器,模擬傳

15、感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)換、線性化及量綱處理后變成純粹的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)可根據(jù)要求以各種標(biāo)準(zhǔn)的接口形式（如232、422、485、USB等）與中央處理機(jī)相連，可以輸出線性無(wú)漂移地再現(xiàn)模擬信號(hào)，按照給定程序去控制某個(gè)對(duì)象（如電動(dòng)機(jī)）等,32,8.3.2 傳感器的網(wǎng)絡(luò)化,傳感器網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)是采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)將傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。 敏感元件輸出的模擬信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理后，由網(wǎng)絡(luò)處理裝置根據(jù)程序的設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）將其封裝成數(shù)據(jù)幀，并加以目的地址，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上,33,8.3.2 傳感器的網(wǎng)絡(luò)化,反過(guò)來(lái)，網(wǎng)絡(luò)處理器又能接收網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)

16、點(diǎn)傳給自己的數(shù)據(jù)和命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)本節(jié)點(diǎn)的操作，這樣傳感器就成為測(cè)控網(wǎng)中的一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化傳感器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示,網(wǎng)絡(luò)化傳感器的基本結(jié)構(gòu),34,8.4 未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù),需要解決的問題和主要研究?jī)?nèi)容包括： 納米技術(shù)設(shè)備和電路的微型化以及精巧化 各種傳感器技術(shù)嵌入式傳感器技術(shù)、嵌入式驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù) 銜接納米和微系統(tǒng)的各種技術(shù)解決方案 通信技術(shù)天線技術(shù)、高效節(jié)能的射頻（RF）前端技術(shù) 納米電子學(xué)納米電子元器件設(shè)備和納米電子元器件技術(shù)，具有自主配置、優(yōu)化電路體系結(jié)構(gòu),35,8.3.2 傳感器的網(wǎng)絡(luò)化,聚合物電子學(xué) 嵌入式系統(tǒng)微能源消耗和供給的微型處理器/微型控制器技術(shù)、硬件加速技術(shù) 低成本、高性能的安全識(shí)別/認(rèn)證設(shè)備 低成本硬件制造技術(shù) 防篡改、抗干擾技術(shù)，在旁側(cè)信息通道上具有感知能力或者具有警覺性的硬件設(shè)計(jì)技術(shù),36,8.5 案例：M2M道路照明解決方案,1. 物聯(lián)網(wǎng)道路照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 基于物聯(lián)網(wǎng)道路照明系統(tǒng)通過(guò)在每盞路燈嵌入一個(gè)無(wú)線通信模塊，使它們自組網(wǎng)絡(luò)，接受控制中心的命令并將路燈的狀態(tài)反饋給控制中心； 采用ZigBee技術(shù)與所管轄道路的所有路燈通信，采用GPRS與控制中心通信，根據(jù)控制中心的指令或時(shí)間和日照亮度對(duì)每盞路燈發(fā)出控制命令（路燈開啟、關(guān)閉、照明度（功率大?。┑龋詣?dòng)調(diào)節(jié)整條道路的功率平衡,37,8.5 案例：M