4章AD7417的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及性能

1、AD7417的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及性能電路結(jié)構(gòu)圖2-11是AD7417的電路結(jié)構(gòu)和原理框圖，這是一個(gè)片上系統(tǒng)，就是說圖2-11的電路系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上。AD7417的引腳由圖2-11可以看出，電路系統(tǒng)封裝后有16個(gè)引腳。我們知道，任何器件的電路都不是暴漏在空氣中，而是用一種絕緣材料把它封裝成各種形狀的電路器件，為了和外部其它電路器件相連接，封裝好的電路器件一般都留有接口（或引線）稱為為引腳。AD7417留有16個(gè)引腳,標(biāo)注。下面是這些引腳的名稱和作用：或引線），習(xí)慣上把電路器件留有的接口這些引腳都有其名稱，并在器件上用符號(hào)Udd0傳感器通道。UlNl轉(zhuǎn)換器(MUX)逐步逼近式A/D通道1工t

2、tY通道圖2-11AD7417電路結(jié)構(gòu)及原理框圖超溫.數(shù)宇寄存器比較器U-U是傳感器信號(hào)的輸入端口，用于與外部傳感器相連接。U為基準(zhǔn)電壓輸入端，IN1IN4REF用于與外部2.5伏基準(zhǔn)電壓相連接。C0NVST為控制信號(hào)輸入端，用于輸入A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換是以CONVST端輸入信號(hào)的上升沿作為開啟信號(hào)，以CONVST端輸入信號(hào)的下降沿作為結(jié)束信號(hào)。AA為地址碼輸入端，用于輸入主機(jī)發(fā)送的地址碼。02SDA為串行數(shù)據(jù)端，SCL為串行時(shí)鐘端。OTI為超溫報(bào)警輸出端，用于與報(bào)警器相連接。U為電源端，用于與外部2.7-5.5伏的電源相連接。GND是接地端口，用于與地線相連DD接。NC為空腳，

3、即暫時(shí)沒有什么作用，或待芯片功能擴(kuò)展時(shí)使用。在以上介紹的AD7417的16個(gè)引腳中，有兩個(gè)外電源輸入端：U和U。U是基準(zhǔn)REFDDREF電壓輸入端，所謂基準(zhǔn)電壓是指已知數(shù)值的準(zhǔn)確電壓oAD7417的U端，要求輸入的電壓值REF是2.5伏，相比之下，U端允許輸入電壓有一個(gè)波動(dòng)范圍。DD圖2-12CONVST信號(hào)波形示意圖圖2-12是CONVST端輸入信號(hào)的波形示意圖，圖中的上升沿是A/D轉(zhuǎn)換的開啟信號(hào)，下降沿是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號(hào)。圖2-11中的A/D轉(zhuǎn)換器就是由CONVST端的輸入信號(hào)進(jìn)行控制的。圖2-12中，t表示時(shí)間。AD7417的電路系統(tǒng)圖2-11大方框內(nèi)是AD7417的電路系統(tǒng)，按功能

4、可將其劃分為9個(gè)部分：內(nèi)置溫度傳感器；2.5伏基準(zhǔn)電壓源；多路轉(zhuǎn)換器（MUX）；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；內(nèi)外基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)（SWJ；超溫寄存器；數(shù)字比較器；數(shù)據(jù)輸出電路；12C接口。多路轉(zhuǎn)換器也叫多路模擬開關(guān)MUX（Multiplexer），其作用是將多個(gè)傳感器輸入的多路模擬信號(hào)，輪流與A/D轉(zhuǎn)換器接通，使一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器能完成多路模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。我們知道，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器只能轉(zhuǎn)換一路模擬信號(hào)，但是通過多路轉(zhuǎn)換器，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器就能轉(zhuǎn)換多路模擬信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，所謂逐次逼近式是指實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方式（或工作原理）。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換過程的方式不同，A/D轉(zhuǎn)換器

5、有多種類型，除逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器外，還有并聯(lián)比較式、反饋比較式、雙積分式、電壓-頻率變換式等。圖2-11中的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由取樣電容、電荷平衡比較器、時(shí)鐘振動(dòng)器、控制邏輯和電荷分配式DAC等多個(gè)電路系統(tǒng)組成，我們這里就不作介紹了。比較器是一種運(yùn)算電路，它是將輸入的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相比較，然后輸出比較結(jié)果。所謂數(shù)字比較器，是指比較器是一種數(shù)字電路，而輸入比較器的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字比較器能對(duì)兩個(gè)位數(shù)相同的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行比較，然后輸出比較結(jié)果。12C接口用于芯片間的數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用在多種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中。12C總線是一種串行數(shù)據(jù)總線，只有兩條信號(hào)線：一條是雙

6、向的數(shù)據(jù)線SDA），另一條是時(shí)鐘線（SCL）各種符合12C總線技術(shù)的器件都可以連接在這兩條線上，并且每個(gè)器件都有唯一的地址。12C接口通過串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL），在連接到總線上的器件之間傳送信息，并通過軟件尋址識(shí)別每個(gè)器件。工作原理通過以上對(duì)電路結(jié)構(gòu)的介紹，我們對(duì)AD7417電路的工作原理也就比較容易理解了。圖2-11是其電路結(jié)構(gòu)框圖，也是其工作原理圖。由圖2-11可以看出其工作原理是：溫度傳感器采集溫度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過各自的模擬通道輸入到多路轉(zhuǎn)換器（或多路模擬開關(guān)）。多路轉(zhuǎn)換器將多個(gè)傳感器輸入的電壓信號(hào)輪流與A/D轉(zhuǎn)換器接通，在CONVST信號(hào)的控制

7、下，模擬電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。超溫寄存器存儲(chǔ)著測溫范圍的最大值，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)與其進(jìn)行比較（在數(shù)字比較器中），若大于最大值，則通過OTI端口輸出報(bào)警信號(hào)；若A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)小于最大值，則其數(shù)據(jù)輸入12C接口。12C接口通過串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL），在連接到總線上的器件之間傳輸數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和進(jìn)一步處理；以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、記錄及對(duì)其它設(shè)備和器件的控制；以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測等。上面我們介紹了熱電偶，AD7417可采用熱電偶作為它的傳感器，構(gòu)成AD7417型5通道溫度傳感器。所謂通道，就是輸送傳感器信號(hào)的通路。通過圖2-11我們可以看到AD7

8、417有5個(gè)通道。AD7417的性能AD7417為5通道器件，AD7417型溫度傳感器能同時(shí)對(duì)4路遠(yuǎn)程溫度和1路本地溫度進(jìn)行精確測量和控制，芯片內(nèi)置的本地傳感器就作為多路轉(zhuǎn)換器的第0號(hào)通道，1-4號(hào)通道需接外部遠(yuǎn)程傳感器。測溫范圍和測量精度需根據(jù)所采用的溫度傳感器的測溫范圍和精度確定。AD7417采用123總線接口，適配80C51、87C51、68HC11、68HC05、PIC16CXX等型號(hào)的單片機(jī)，其串行接口遵守Motorola公司的SPI、QSPI總線協(xié)議，并與NSC公司的MicroWire總線兼容。具有內(nèi)部故障和超溫指示功能，能有效地提咼系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。電源電壓范圍為2.7-5.5V

9、，正常工作電流為600MA，在待機(jī)模式下電流為1MA。AD7417型智能溫度傳感器AD7417型溫度傳感器配上微處理器或單片機(jī)，就可構(gòu)成了AD7417型智能溫度傳感器。圖2-13是其電路原理圖。圖2-13AD7417型智能溫度傳感器電路圖退耦電容和高頻消噪電容在電源和芯片之間，連有電容：Cl、C2和C3。其中C1和C3的容值為10pF，其作用是電源退耦。電源退耦表示：當(dāng)芯片瞬間電流發(fā)生變化時(shí)，需要瞬間從電源獲取較大電流，該瞬間電流可導(dǎo)致電源電壓降低，從而對(duì)電路造成干擾。為了降低這種干擾，需要在芯片與電源之間設(shè)置一個(gè)能提供較大電流的器件，這就是圖中的電容C1和C3。C2的作用是消除高頻噪聲，其電

10、容值為0.1pF。根據(jù)電容的阻抗-頻率特性可知，當(dāng)頻率低于諧振頻率時(shí)，主要為電容效應(yīng)，此時(shí)頻率越高電容的阻抗越小；當(dāng)頻率高于諧振頻率時(shí)，電感效應(yīng)變大，此時(shí)頻率越高電容的阻抗越大。容量為0.1PF的電容，一般為陶瓷電容或云母電容，這種電容的電感效應(yīng)小，諧振頻率高，因此對(duì)高頻信號(hào)阻抗小，能夠把電源的高頻信號(hào)濾除掉。大電容由于容量大，所以體積一般也比較大，且通常使用多層卷繞的方式制作，這就導(dǎo)致了大電容的分布電感比較大。電感對(duì)高頻信號(hào)的阻抗很大，所以大電容的高頻性能不好。而一些小容量電容的性能恰恰相反，具有很好的高頻性能，但是對(duì)低頻信號(hào)的阻抗增大。因此一般在電路中，把容量大的電容器用作電源退耦，把容量

11、小的電容器用來消除高頻噪聲。芯片引腳的作用模擬通道端口U-U用來連接外部傳感器。U是外基準(zhǔn)電源輸入端，外基準(zhǔn)電源一般IN1IN4REF選用AD780或MC1403型2.5V基準(zhǔn)電壓源。SDA和SCL構(gòu)成了EC總線串行接口。CONVST為控制信號(hào)輸入端，用于輸入A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)；OTI為超溫報(bào)警端；AA為地02址碼輸入端。單片機(jī)單片機(jī)的概念微處理器一般采用單片機(jī)。單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，它是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它把中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory,RAM)、只讀存儲(chǔ)器

12、(ReadOnlyMemory,R0M)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及I/O接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一塊集成電路芯片上。單片機(jī)具有高性能、高速度、體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定性好、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。把單片機(jī)應(yīng)用到傳感器技術(shù)中，大大提高了傳感器技術(shù)的現(xiàn)代化水平。單片機(jī)的構(gòu)成單片機(jī)也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。單片機(jī)的硬件系統(tǒng)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備5部分組成，只不過這5部分被集成在一個(gè)尺寸有限的芯片上。單片機(jī)的軟件系統(tǒng)比較簡單，只有監(jiān)控程序和目標(biāo)碼的應(yīng)用程序。首先，單片機(jī)的系統(tǒng)管理沒有微型機(jī)那樣復(fù)雜的操作系統(tǒng)，而只使用簡單的監(jiān)控程序，因此監(jiān)控程序就成為單片機(jī)中最重要的系統(tǒng)軟件。其次，大多數(shù)單

13、片機(jī)不使用高級(jí)語言，因此也沒有必要配置程序設(shè)計(jì)語言。單片機(jī)中通常使用的是匯編語言，但單片機(jī)并沒有自己專用的匯編程序，用戶的應(yīng)用程序是在其他微型計(jì)算機(jī)上通過交叉匯編方法得到的二進(jìn)制目標(biāo)碼。因此，在單片機(jī)軟件系統(tǒng)中，只有監(jiān)控程序和目標(biāo)碼的應(yīng)用程序。MCS-51單片機(jī)雖然單片機(jī)種類繁多，但使用最為廣泛的是MCS-51單片機(jī)。表2-1列出了MCS-51單片機(jī)系列的芯片型號(hào)及其技術(shù)性能指標(biāo)，由此可對(duì)單片機(jī)的基本情況有一個(gè)概括的了解。由表2-1可以看出，MCS-51系列分成51和52兩個(gè)子系列，其中：51子系列是基本型,52子系列屬增強(qiáng)型。從表中可以看出52子系列功能增強(qiáng)的具體方面：片內(nèi)ROM容量從4KB

14、增加到8KB。片內(nèi)RAM容量從128B增加到256B。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器從2個(gè)增加到3個(gè)。中斷源從5個(gè)增加到6個(gè)。表2-1MCS-51系列單片機(jī)芯片型號(hào)及性能指標(biāo)子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量lI/O特性中斷源無ROMEFRDM定時(shí)器計(jì)數(shù)器并行口串行口51子系8031805187514KB128B2X64KB2X164X81580C3：80C587C5.4KB128B2K64KB2X164/81552干系列8032805287528KB256B2K64KB3K164/816J0C3280C587C5；:8KB256B2X.64KB3X164/816在表2-1中，芯片型號(hào)有帶字母“

15、C”的，有不帶的，其含義是什么。我們知道MCS-51系列單片機(jī)采用兩種半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝：一種是HMOS工藝；另一種是CHMOS工藝。表2-1芯片型號(hào)中凡帶有字母“C”的為采用CHMOS工藝制作的芯片，簡稱CHMOS芯片；其余均為HMOS芯片。CHMOS工藝是CMOS和HMOS兩種工藝的結(jié)合，除保持了HMOS芯片高速度和高密度的特點(diǎn)之外，還具有CMOS低功耗的特點(diǎn)。例如，8051芯片的功耗為630mW，而80C51的功耗只有120mW。MCS-51單片機(jī)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器有3種配置形式，即：掩膜ROM、EPROM和無。這3種配置形式對(duì)應(yīng)著3種不同的單片機(jī)芯片，它們各有特點(diǎn)，也各有其適用場合，在使用時(shí)應(yīng)

16、根據(jù)需要進(jìn)行選擇。單片機(jī)的抗干擾特性和穩(wěn)定特性此外，再順便說一下單片機(jī)的環(huán)境適應(yīng)問題，主要是指單片機(jī)的抗干擾特性和溫度特性。單片機(jī)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這是其它計(jì)算機(jī)所不能相比的，但是單片機(jī)對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)，劃分了3個(gè)等級(jí)：民用級(jí)：0至70OC.工業(yè)級(jí)：-40至125OC。軍用級(jí)：-65至125OC。因此，在使用中應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場溫度選擇芯片。2.4微型傳感器2.4.1微型傳感器的基本概念微型傳感器主要是指其敏感元件很小，敏感元件的尺寸一般在0.1-100m之間。然而，微型傳感器并不是傳統(tǒng)傳感器單純體積上的縮小，而是在理論、結(jié)構(gòu)、制作等方面，都有其自身的規(guī)律。下面我們首先介紹一下微型傳感器的一些基

17、本概念。1.微電子與微傳感器微電子技術(shù)起源于1948年第一只晶體管的出現(xiàn)，而之后不久研制的雙極結(jié)型晶體管(BJT)和結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)仍是目前微電子器件的核心單元。然而，真正意義上的微電子技術(shù)起源于集成電路芯片的出現(xiàn)。微電子技術(shù)與微電子器件近幾年來，隨著硅加工工藝的不斷進(jìn)步，使得器件的尺寸不斷縮小，現(xiàn)在最小的尺寸約在200nm左右。這樣在同一芯片上可集成的晶體管越來越多，現(xiàn)在在一塊芯片上可集成上億只晶體管。正是這種集成度的快速發(fā)展，才使的集成電路，尤其是微型計(jì)算機(jī)，成為了現(xiàn)代傳感器的重要組成部分。微電子加工技術(shù)，用于制作各種微電子器件。常見的微電子器件包括運(yùn)算放大器、邏輯門電路、微處理器

18、等。具體到測量和控制方面，微電子技術(shù)的發(fā)展直接導(dǎo)致了信號(hào)處理芯片功能的提升和價(jià)格的下降。我們知道，信號(hào)處理是測控電路重要組成部分，與信號(hào)處理芯片相比，傳感器的發(fā)展要相對(duì)滯后。傳感器不僅體積龐大，而且性價(jià)比相對(duì)較低?；谶@種現(xiàn)實(shí)，人們開始將微電子技術(shù)應(yīng)用于硅傳感器的研究，因而出現(xiàn)了微型傳感器。微型傳感器微型傳感器可以認(rèn)為是利用微加工技術(shù)，尤其是硅加工工藝制作出的傳感器。雖然微型傳感器已得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，但是目前對(duì)微型傳感器的定義還沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。不過一般說來，微型傳感器的概念包含以下三方面的含義：微型傳感器是單一的敏感元件，它的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是尺寸小。敏感元件的尺寸從毫米級(jí)到微米

19、級(jí)，有的甚至達(dá)到納米級(jí)。尺寸小自然是微型傳感器的重要特征，但是并不是微型傳感器的全部尺寸都很小，而是指它的某一個(gè)物理尺寸；有人提出：至少有一個(gè)物理尺寸在毫米量級(jí)以下的傳感器就為微型傳感器。微型傳感器是一個(gè)集成的傳感器，它將敏感元件、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上。微型傳感器中還包括微執(zhí)行器，可以獨(dú)立工作。所謂執(zhí)行器，它是接收控制信息并對(duì)受控對(duì)象施加控制作用的裝置。微型傳感器主要具有以下特點(diǎn)：體積小，重量輕。微型傳感器敏感元件的尺寸一般在微米量級(jí)，整個(gè)傳感器封裝后的尺寸也大多為毫米量級(jí)，有的甚至更小，這樣可以進(jìn)行某些特殊場合的測量。例如，微型壓力傳感器已經(jīng)可以放進(jìn)注射針頭內(nèi)，依靠注射器

20、把它送進(jìn)血管里，測量血液流動(dòng)情況；也可以把它裝載到發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面，用來測量氣體的流速和壓力。微型傳感器的重量一般在幾克到幾十克之間。能耗低。傳感器微型化使性能得到了很大提高。例如，幾何尺寸的微型化提高了溫度的穩(wěn)定性，使傳感器受外界溫度的影響減小。易于批量生產(chǎn)，成本低。微型傳感器的敏感元件是利用硅微加工工藝制作的，這種工藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是適合批量生產(chǎn)。大批量生產(chǎn)使得微型傳感器的生產(chǎn)成本大大降低。便于集成化和多功能化。微型傳感器的集成化一般包含三方面的含義：其一是將微型傳感器與后級(jí)電路集成在一起。后級(jí)電路是指對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行分析、處理的電路，一般包括放大電路、運(yùn)算電路以及溫度補(bǔ)償電路等。其二是將

21、同一類的傳感器集成在同一個(gè)芯片上，構(gòu)成陣列式微傳感器。其三是將幾個(gè)微型傳感器集成在一起，構(gòu)成一種新的微型傳感器。微型傳感器的多功能化是指經(jīng)過集成的微型傳感器，能感知和轉(zhuǎn)換兩種以上不同的物理量。例如，在同一硅片上可以同時(shí)制作壓力傳感器和溫度傳感器；現(xiàn)已制作出可同時(shí)檢測幾種離子的微傳感器陣列?？商岣邷y試系統(tǒng)智能化水平。微型傳感器的研究不僅直接導(dǎo)致了量子電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、功能材料、特殊測量儀器（如微攝像機(jī)、微X光機(jī)等）、生物傳感器以及無線傳感器的飛速發(fā)展，而且?guī)砹藘x器構(gòu)成方式的革命性進(jìn)步。敏感器件的微型化及陣列化，使得一個(gè)測試系統(tǒng)中的敏感元件的數(shù)量可以越來越多；并且通過計(jì)算、通信資源的共享，使得

22、測試系統(tǒng)的智能化水平越來越高。微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)械電子系統(tǒng)簡稱為微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），在日本稱為微機(jī)械，在歐洲稱為微系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)是微機(jī)械基本部分和電子集成線路組成的微機(jī)電器件和裝置。微機(jī)械基本部分包括：微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型能源等。微機(jī)電系統(tǒng)將傳感器、信號(hào)處理電路和執(zhí)行器一體化地集成在一個(gè)器件上。傳感器獲取被測對(duì)象的信息，信號(hào)處理電路對(duì)獲取的信息進(jìn)行處理，執(zhí)行器按照信息處理的結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)性操作。微機(jī)電系統(tǒng)把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化提高到了新的高度，微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品已在工業(yè)過程控制、通信、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人環(huán)境監(jiān)測、飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。信息系統(tǒng)的微型化不僅使系統(tǒng)體積大大

23、減小，功能大大提高，同時(shí)也使性能、可靠性大幅度提升，功耗和價(jià)格大幅度降低。具體說，推動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)步的動(dòng)力主要有如下三個(gè)：以集成電路為中心的微電子學(xué)的飛速發(fā)展為微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)步提供了基礎(chǔ)技術(shù)。在過去的幾年中，集成電路的發(fā)展遵循著每3年集成電路征特尺寸減小0.725倍，集成度翻一番的規(guī)律。專家預(yù)計(jì)在今后的一段時(shí)間內(nèi)仍將持續(xù)這個(gè)規(guī)律。目前，集成電路工藝已進(jìn)入超深亞微米階段，并可望到2012年達(dá)到0.05微米，即進(jìn)入納米階段。微電子和微機(jī)械的巧妙結(jié)合實(shí)現(xiàn)了微機(jī)電系統(tǒng)。硅各向異性刻蝕技術(shù)、硅/硅鍵合技術(shù)、表面微機(jī)械技術(shù)、X射線深度光刻、微電鑄和微塑鑄技術(shù)等，已成為生產(chǎn)微機(jī)電系統(tǒng)的核心技術(shù)。尤其是X射線

24、深度光刻、微電鑄和微塑鑄技術(shù)，成功地解決了高深寬比光刻技術(shù)的難題，為研制三維結(jié)構(gòu)的微型加速度傳感器、微執(zhí)行器等奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。新材料、微機(jī)械理論和加工技術(shù)的進(jìn)步，使得單片微機(jī)電系統(tǒng)正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?？偟恼f來，微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展是多學(xué)科、多種技術(shù)推動(dòng)的結(jié)果，同時(shí)微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)步又帶動(dòng)著多學(xué)科、多種技術(shù)的發(fā)展。微器件的相關(guān)理論和技術(shù)尺寸的減小是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要特征，但是隨著尺寸的縮小，物質(zhì)的一些宏觀特性也發(fā)生了變化。很多原來在普通尺寸下適用的理論也隨之發(fā)生了改變。因此，微機(jī)電系統(tǒng)的研究涉及到多種基礎(chǔ)理論的研究，包括:微機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、微流體力學(xué)、微熱學(xué)、微摩擦學(xué)等。微機(jī)械學(xué)主要是在微觀的范圍內(nèi)，以

25、力學(xué)、機(jī)械特性等為基礎(chǔ)研究內(nèi)容，其主要研究對(duì)象是微器件。微電子學(xué)是在“半導(dǎo)體物理與器件”的基礎(chǔ)上形成的一門涉及固體物理、器件、電子學(xué)三個(gè)領(lǐng)域的新學(xué)科。微電子學(xué)研究的中心問題是集成電路與芯片的設(shè)計(jì)、制作。微流體力學(xué)主要是研究流體在微觀領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)過程中，由于受到尺寸效應(yīng)的的影響而產(chǎn)生的變化。微熱學(xué)主要是研究微機(jī)電系統(tǒng)所用材料由于受尺寸效應(yīng)的影響，其導(dǎo)熱率、材料密度及熱容的變化情況。微摩擦學(xué)主要是研究微米以下尺寸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)界面的摩擦、磨損、潤滑性能和機(jī)理，通常也稱為分子摩擦學(xué)或納米摩擦學(xué)。微機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也需要多種技術(shù)的綜合，這些技術(shù)主要有：設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、微加工技術(shù)、微檢測技術(shù)、集成與控制技術(shù)

26、等。設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)主要是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究。目前，在微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要有自底向上設(shè)計(jì)、自頂向下設(shè)計(jì)和中間相遇設(shè)計(jì)等方法。每種設(shè)計(jì)方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。雖然在機(jī)械設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)方面都有許多成熟的CAD系統(tǒng),但宏觀尺度的CAD系統(tǒng)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言是不適用的。由于CAD系統(tǒng)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，所以許多研究機(jī)構(gòu)開展了針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）研究。目前，已開發(fā)出一些較為完整的通用的或?qū)Ｓ玫腃AD系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在微機(jī)電系統(tǒng)的研究和產(chǎn)品開發(fā)上發(fā)揮了重要的作用。其中比較有代表性的CAD系統(tǒng)有美國麻省理工大學(xué)

27、開發(fā)的MEMCAD，密歇根大學(xué)開發(fā)的CAEMEMS，瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所開發(fā)的SOLIDIS等。我國在這方面的研究起步較晚，但在國家一系列科研計(jì)劃的支持下，也開展了一些研究。例如，在國家“973”計(jì)劃資助下，北京大學(xué)、東南大學(xué)、南開大學(xué)等聯(lián)合開展了“微系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、建模、數(shù)據(jù)庫和仿真”等問題的研究，目前已經(jīng)建立了一個(gè)具有版圖設(shè)計(jì)、工藝模擬、性能分析等功能的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。材料技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)中，材料起著重要的作用。一方面，材料具有幾何成形的作用；另一方面，材料的特性對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)的性能又起著決定性的作用。因此，要求用于微機(jī)電系統(tǒng)的材料既要保證微機(jī)電系統(tǒng)的性能，又必須滿足微機(jī)電系統(tǒng)加工工藝的的

28、要求。一般說來，微機(jī)電系統(tǒng)所用的材料按性質(zhì)可分為兩類，即結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是指具有一定機(jī)械強(qiáng)度，用于構(gòu)造微機(jī)電器件結(jié)構(gòu)基體的材料，如硅晶體等。功能材料是指具有特定功能的材料，如壓電材料、光敏材料等。微加工技術(shù)微加工技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)中的核心技術(shù)，也是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)研究中最活躍的領(lǐng)域。由于微型傳感器中使用最多的材料是硅，所以對(duì)硅的微加工是微機(jī)電系統(tǒng)加工中的重要組成部分；常用的微加工技術(shù)主要有以下幾種：硅的刻蝕技術(shù)刻蝕，也稱為腐蝕，是一種對(duì)材料的某些部分進(jìn)行有選擇去除的工藝。在微機(jī)電系統(tǒng)中，刻蝕主要是利用化學(xué)腐蝕液或惰性氣體來對(duì)硅基材料的某些部分進(jìn)行有選擇的去除，以形成所需的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。采用

29、化學(xué)腐蝕液的稱為化學(xué)刻蝕，也叫濕法刻蝕；采用惰性氣體的稱為離子刻蝕，也叫干法刻蝕。由于化學(xué)刻蝕操作簡單，并可以較好地控制刻蝕的結(jié)構(gòu)輪廓，所以實(shí)際中常采用化學(xué)刻蝕法。表面膜的加工工藝表面膜的加工工藝是微型傳感器技術(shù)中最基礎(chǔ)的工藝。可以說，沒有表面膜，就沒有微型傳感器。表面膜加工工藝可分為厚膜工藝與薄膜工藝兩類。*厚膜工藝厚膜工藝采用的是一種膏劑，這種膏劑是把金屬微粒（直徑約為5微米）均勻分布在有機(jī)溶劑中制作而成。根據(jù)金屬微粒在膏劑中含量的多少，這種膏劑可分為導(dǎo)電型和電阻型。把這種膏劑和固化劑按一定比例混合，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作到基片上，便形成厚膜，其厚度約為10-25微米。厚膜工藝在微型傳感器中主要有三方面的應(yīng)用：首先，厚膜工藝可用于微型傳感器信號(hào)調(diào)理電路的集成，有利于實(shí)現(xiàn)微型傳感器信號(hào)調(diào)理電路的批量生產(chǎn)，降低微型傳感器的整機(jī)成本。其次，厚膜可把信號(hào)調(diào)理電路和傳感器集成在同一個(gè)封裝內(nèi)，不僅有利于微型傳感器的小型化，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。此外，厚膜還可用作微型傳感器的支撐結(jié)構(gòu)。壓力微型傳感器是厚膜技術(shù)在微型傳感器領(lǐng)域最成功的應(yīng)用。*薄膜工藝從字面上理解，似乎厚膜與薄膜