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(cè)量、觀察、計(jì)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(duì)其概念的確切的定義和描述?？梢哉J(rèn)為, 微型儀器儀表實(shí)際上就是具有儀器化功能的微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品, 是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用, 它具有一般儀器具有的測(cè)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(guò)程 儀器儀表工業(yè)是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門 技術(shù)進(jìn)步、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)國(guó)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(gè)重要方向。所以研究微型化儀器儀表有著重要的實(shí)際意義。微型儀器儀表的發(fā)展大致可以分為三個(gè)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(lái)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(wàn)用表、電壓表、電流表及一些通用的測(cè)試儀器，均是典型的模擬式儀器。這一代儀器儀表功能簡(jiǎn)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(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行測(cè)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(shì)，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(lái)隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)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(duì)儀器儀表的微型化提出了更高的要求。特別是近10年來(lái)，由于包括納米級(jí)的精密機(jī)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(jìng)相問(wèn)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(shí)例從市場(chǎng)應(yīng)用需求來(lái)看, 微型儀器的市場(chǎng)

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(cè)、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(cè)量和分析設(shè)備。這些微型儀器可用來(lái)檢測(cè)氣體和液體的化學(xué)成份, 檢測(cè)核、生物, 化學(xué)物質(zhì)和有毒物品, 其優(yōu)勢(shì)在于體積小, 價(jià)格低, 低功耗, 易攜帶。(2) 航天及星球探索 美國(guó)宇航局(NASA ) 目前正制訂微型儀器技術(shù)開發(fā)計(jì)劃, 主要目的是發(fā)展適合21世紀(jì)的小型、低價(jià)、高性能航天器, 利用M EM S 技術(shù)對(duì)航天器有效載荷和某些機(jī)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(jì), 1995 年Motorola 與ICSensor 銷出了2000 萬(wàn)只;“靈巧藥丸”(Smart pill) , 實(shí)際上是包含傳感器、儲(chǔ)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(zhǎng), 而傳感器的含量則以每年20% 的比例增長(zhǎng), 其中主要包括微加速度傳感計(jì)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(lái)保持輪胎適當(dāng)壓力, 避免充氣過(guò)量或不足, 僅此一項(xiàng)就可節(jié)油10%。利用微加速度計(jì)傳感器可監(jiān)控撞車, 并為防撞氣

6、囊提供緊急充氣信號(hào), 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(lái)戰(zhàn)場(chǎng)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(bào)警傳感器安裝在微型車輛或無(wú)人駕駛機(jī)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(jī)等, 將它們大量撒向戰(zhàn)場(chǎng)后, 在空中、地面、水上就能隨時(shí)隨地搜集情報(bào)。將傳感器和靈巧武器散布在戰(zhàn)場(chǎng)上, 形成危險(xiǎn)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(cè), 玩具、服裝等行業(yè)具有較強(qiáng)的需求背景。 微型化儀器儀表實(shí)例1.微型機(jī)械慣性測(cè)量組件(MMIMU) . 慣性

7、測(cè)量組件包括陀螺儀和加速度計(jì)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(gè)晶片上批量生產(chǎn)出4000個(gè)單個(gè)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(jī)械慣性測(cè)量組件由于其小尺寸和硅材料的固有強(qiáng)度，在沖擊下能保持完好。現(xiàn)在的組件可以在80G振動(dòng)環(huán)境中可靠地工作。左圖是陀螺的照片。陀螺最長(zhǎng)的尺寸為600m。陀螺外環(huán)運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)埋置電極來(lái)敏感和控制，而內(nèi)環(huán)由兩個(gè)橋式電橋來(lái)敏感和控制。2.一種基于微加工技術(shù)的微型電場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)與制造電場(chǎng)測(cè)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(chǎng)傳感器相比,基于微加工技術(shù)的微型電場(chǎng)傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它重量輕,更有利于對(duì)高空或外太空進(jìn)行測(cè)量;體積微小,能用于測(cè)量電場(chǎng)分布的細(xì)節(jié);另外將微型電場(chǎng)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(duì)容易,因此基于微加工技術(shù)的微型電場(chǎng)傳感器有著廣闊的應(yīng)用前景。微型電場(chǎng)傳感器實(shí)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(dú)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(diǎn),而且制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)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?dú)w結(jié)于超大規(guī)模集成（VLSI）新器件、微機(jī)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(cè)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?？傮w來(lái)說(shuō),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(jī)電（MEMS）技術(shù)。1.大規(guī)模集成電路對(duì)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(duì)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(jī)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(jī)電系統(tǒng)對(duì)提高儀器儀表微型化的作用。 微機(jī)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(jī)械與微電子等部件于一體的部件或結(jié)構(gòu)。微電子機(jī)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(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)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(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)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(shì)(1)儀器儀表的微型化進(jìn)程加快。 目前, 傳感器有越來(lái)越小的趨勢(shì)。通過(guò)MEMS 技術(shù)可以實(shí)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(shì)。 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(shì)。(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(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展, 其技術(shù)不斷成熟, 價(jià)格將不斷降低, 因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。將在人們生活中的各領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。 例如, 目前要同時(shí)測(cè)量一個(gè)病人的幾個(gè)不同的參量, 通常病人的體內(nèi)要插進(jìn)幾個(gè)管子, 這增加了感染的機(jī)會(huì),而微型智能儀器體積小、可植入人體能同時(shí)測(cè)量多參數(shù)。就能很好的解決類似問(wèn)題。因此，微型儀器的使用將使得我們所處理的某些問(wèn)題變得十分簡(jiǎn)單