微机电系统技术与智能系统集成.ppt
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1、朱嘉林朱嘉林朱嘉林朱嘉林 北京信息科技大学电工电子实验教学中心北京信息科技大学电工电子实验教学中心北京信息科技大学电工电子实验教学中心北京信息科技大学电工电子实验教学中心微机电系统技术与智能系统集成导论微机电系统技术与智能系统集成导论 n nConceptn nMEMS n nIntelligent systemn nCombined MEMS and intelligent system (example)n nDevelopment TendencyOutline Outline n nConceptConceptn nMEMS MEMS n nIntelligent systemInte
2、lligent systemn nCombined MEMS and intelligent Combined MEMS and intelligent systemsystemn nDevelopment TendencyDevelopment Tendencyn n微机电系统(微机电系统(MEMS)是指可批量制作的,)是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系源等于一体的微型器件或系 统。统。n n智能系统智能系统(Intelligent
3、system)是根据人工是根据人工智能原理构成的智能信息处理系统,它是专智能原理构成的智能信息处理系统,它是专家系统、神经网络、模糊控制的总称,它通家系统、神经网络、模糊控制的总称,它通过信息处理技术求解问题的解答。过信息处理技术求解问题的解答。n n以微处理器为核心的电子系统,可以很容易以微处理器为核心的电子系统,可以很容易将计算技术与实用技术结合在一起,组成新将计算技术与实用技术结合在一起,组成新一代的一代的“智能型系统智能型系统”。Concept MEMS+Intelligent system智能微系统智能微系统n n微机电系统(微机电系统(微机电系统(微机电系统(MEMSMEMS)用于
4、信息的采集、处理、)用于信息的采集、处理、)用于信息的采集、处理、)用于信息的采集、处理、计算、以及环境和宏观系统的控制,可以增加智计算、以及环境和宏观系统的控制,可以增加智计算、以及环境和宏观系统的控制,可以增加智计算、以及环境和宏观系统的控制,可以增加智能化系统的行为能力、功用及效果。能化系统的行为能力、功用及效果。能化系统的行为能力、功用及效果。能化系统的行为能力、功用及效果。n nMEMSMEMS技术与微电子智能技术相互融合、将传感技术与微电子智能技术相互融合、将传感技术与微电子智能技术相互融合、将传感技术与微电子智能技术相互融合、将传感器、执行器、信号采集、数据处理、控制电路一器、执
5、行器、信号采集、数据处理、控制电路一器、执行器、信号采集、数据处理、控制电路一器、执行器、信号采集、数据处理、控制电路一体化混合集成在一块三维基片上,以构成一能完体化混合集成在一块三维基片上,以构成一能完体化混合集成在一块三维基片上,以构成一能完体化混合集成在一块三维基片上,以构成一能完成一种或多种功能的智能微系统,导致了智能化成一种或多种功能的智能微系统,导致了智能化成一种或多种功能的智能微系统,导致了智能化成一种或多种功能的智能微系统,导致了智能化MEMSMEMS概念的出现。概念的出现。概念的出现。概念的出现。MEMS加速度传感器通过倾斜、晃动等动加速度传感器通过倾斜、晃动等动作实现对用户
6、界面、游戏等的操控,给人作实现对用户界面、游戏等的操控,给人们与设备之间的交互带来全新的体验。们与设备之间的交互带来全新的体验。意法半导体意法半导体-单轴和多轴单轴和多轴MEMS(微机电系统)陀螺仪。(微机电系统)陀螺仪。在空中操作的三维鼠标和在空中操作的三维鼠标和遥控器遥控器荷兰飞利浦公司荷兰飞利浦公司荷兰飞利浦公司荷兰飞利浦公司 MEMS显示器显示器(美国美国美国美国PixtronixPixtronix)LED背光、两片玻璃面板、背光、两片玻璃面板、MEMS快门、快门、TFT基板组成。基板组成。MEMS快门的尺寸约为快门的尺寸约为160160m,最快切换时间为,最快切换时间为100s。该显
7、示器能耗仅是。该显示器能耗仅是LCD的的1/4。激光微型投影仪激光微型投影仪三星三星三星三星(SumsungSumsung)公司公司公司公司 使用固体激光器和使用固体激光器和使用固体激光器和使用固体激光器和MEMSMEMS微镜技术。激光投影仪图像清晰鲜微镜技术。激光投影仪图像清晰鲜微镜技术。激光投影仪图像清晰鲜微镜技术。激光投影仪图像清晰鲜艳,而其提供自动调焦功能。艳,而其提供自动调焦功能。艳,而其提供自动调焦功能。艳,而其提供自动调焦功能。爬进静脉的微型机器人爬进静脉的微型机器人以色列理工大学以色列理工大学以色列理工大学以色列理工大学 该机器人使用MEMS技术制造,由磁场驱动,运动速度可以达
8、到9mm/s,不需要自身供电。该机器人还可以停泊在病人体内,其微臂能够吸引到血管壁上,并能经受血压的冲击。Outline n nConceptConceptn nMEMS MEMS n nIntelligent systemIntelligent systemn nCombined MEMS and intelligent system Combined MEMS and intelligent system(example(example)n nDevelopment TendencyDevelopment Tendency What is MEMS?uuMicro-electro-mech
9、anical Systems(MEMS)Micro-electro-mechanical Systems(MEMS)(US)(US)uu Implies“electrical component or functionality”Implies“electrical component or functionality”uu Implies“mechanical component or functionality”Implies“mechanical component or functionality”uuMicrosystems or Microsystems Technology(MS
10、T)Microsystems or Microsystems Technology(MST)(Europe)Europe)uu“Very small systems”“Very small systems”uu“Systems made of small components”“Systems made of small components”uu No specific bias on functionality or manufacturing methodNo specific bias on functionality or manufacturing methoduuMicromac
11、hinesMicromachines (Japan)(Japan)uu微机电系统微机电系统 (China)(China)Scale sizes for microsystems武器制导和个人导航芯片上的惯性导航组合武器制导和个人导航芯片上的惯性导航组合超小型、超低功率无线通信(超小型、超低功率无线通信(RF MEMSRF MEMS)的机电信号处理的机电信号处理军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值导分布式传感器军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值导分布式传感器系统系统小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成微流量系统小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成微流量系统武器安全、保险和引信武器安全、保险和引信有
12、条件保养的嵌入式传感器和执行器有条件保养的嵌入式传感器和执行器高密度、低功耗的大规模数据存储器件高密度、低功耗的大规模数据存储器件敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动、共形表飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动、共形表面面一、一、MEMSMEMS在军事上的应用在军事上的应用MEMSMEMS系统的代表系统的代表微型无人驾驶飞机微型无人驾驶飞机特点特点小、轻、廉价、功能强小、轻、廉价、功能强低空侦察、通信低空侦察、通信近敌电子干扰近敌电子干扰携高能炸药攻击敌雷达和通信中枢携高能炸药攻击敌雷达
13、和通信中枢战场毁伤评估和生化武器的探测战场毁伤评估和生化武器的探测城市作战,侦察、探测、查找敌对分子、窃听城市作战,侦察、探测、查找敌对分子、窃听边境巡逻、毒品禁运边境巡逻、毒品禁运通信中继通信中继环境研究环境研究自然灾害的监视与支援自然灾害的监视与支援大型牧场和城区监视等大型牧场和城区监视等 作用作用MEMS系统的代表微型无人驾驶飞机军事意义军事意义减少人员伤亡减少人员伤亡完成一些士兵难以进行的侦察完成一些士兵难以进行的侦察任务任务提高武器作战的消费比、降低提高武器作战的消费比、降低军费开支军费开支已成为信息战的重要组成部分已成为信息战的重要组成部分代表产品:美国,翼展代表产品:美国,翼展1
14、2.7cm12.7cm,重量重量50g50g,推力推力0.127N0.127N,飞行速度飞行速度57-114km/h57-114km/h,飞行距离飞行距离60-120km60-120km,25g25g甲烷甲烷/h/h 分布式战场微型传感器网络分布式战场微型传感器网络探测人员、车辆运动信息,查明敌人军队部署调动探测人员、车辆运动信息,查明敌人军队部署调动布撒、收集信息方式布撒、收集信息方式MEMSMEMS系统的代表系统的代表微型军用机器人微型军用机器人 移动式微型机器人移动式微型机器人昆虫微型机器人昆虫微型机器人固定式微型机器人固定式微型机器人从携带到控制,从体外到体内,欺骗性更大从携带到控制,
15、从体外到体内,欺骗性更大日本东京大学蟑螂机器人日本东京大学蟑螂机器人 以色列微型飞行军事机器人以色列微型飞行军事机器人20072007年年 6 6个分系统:传感器系统、信息处理与自主导航系统、个分系统:传感器系统、信息处理与自主导航系统、通信系统、机动系统、破坏系统、驱动电源通信系统、机动系统、破坏系统、驱动电源 工作原理工作原理陀螺仪测量姿态和转动的角速度,保持对加速度对陀螺仪测量姿态和转动的角速度,保持对加速度对准的方向进行跟踪;加速度计测量加速度的变化准的方向进行跟踪;加速度计测量加速度的变化 典型用途典型用途提供运动物体姿态、位置和速度的信息,各种航提供运动物体姿态、位置和速度的信息,
16、各种航空航天平台及飞行器的制导系统空航天平台及飞行器的制导系统 作为微执行器的特点作为微执行器的特点微型惯性测量组合微型惯性测量组合MIMUMIMU(Intertial Measurement Uint-IMU)美国德雷珀实验室,尺寸美国德雷珀实验室,尺寸2cm2cm2cm2cm0.5cm0.5cm,质量质量约约5g5g,陀螺的漂移不稳定性陀螺的漂移不稳定性1010/h/h,加速度计精加速度计精度为度为250g 250g 代表产品代表产品寿命、可靠性高(无转动的部件)寿命、可靠性高(无转动的部件)成本低成本低体积和重量小体积和重量小 要求要求 大量程、高大量程、高g g值值测量量程在几万测量量
17、程在几万g g到十几万到十几万g g 很好的抗过载能力很好的抗过载能力硅材料内部缺陷少硅材料内部缺陷少 侵彻武器概念与作用侵彻武器概念与作用 典型产品典型产品微型加速度传感器在侵彻武器引信中的应用 美国在美国在9090年代初期开始研究硬目标灵巧引信(年代初期开始研究硬目标灵巧引信(ETSFETSF)美国美国ENDEVCOENDEVCO公司,公司,9090年代,年代,2020万万g g,压阻式加速度微传压阻式加速度微传感器,感器,7270A 7270A 二、MEMS在汽车上的应用传感器对汽车的作用:传感器对汽车的作用:汽车是传感器第二大市场,每台车汽车是传感器第二大市场,每台车4040到上百个传
18、感器到上百个传感器汽车发展趋势(智能化)需要更多传感器,特别是安全方面汽车发展趋势(智能化)需要更多传感器,特别是安全方面MEMSMEMS传感器在汽车应用中的优势:成本、性能、可靠、轻传感器在汽车应用中的优势:成本、性能、可靠、轻应用位置:应用位置:安全气囊、安全气囊、ABSABS制动、测速、防撞、发动机燃烧状态、减振等制动、测速、防撞、发动机燃烧状态、减振等主要应用产品:主要应用产品:MEMSMEMS加速度传感器、加速度传感器、MEMSMEMS压力传感器压力传感器 主要用途主要用途发动机控制和传动系统。例如:流量绝对压力测量,气压发动机控制和传动系统。例如:流量绝对压力测量,气压测量,排气回
19、流测量,燃料压力测量。测量,排气回流测量,燃料压力测量。悬挂悬挂/制动和牵引控制系统。例如:轮胎压力监测,主动制动和牵引控制系统。例如:轮胎压力监测,主动悬挂液压测量。悬挂液压测量。驾驶与乘座环境控制系统。例如:座椅腰部支撑压力测量,驾驶与乘座环境控制系统。例如:座椅腰部支撑压力测量,空调控制压力传感器空调控制压力传感器 压力传感器在汽车中的应用压力传感器在汽车中的应用安全气囊安全气囊加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用工作范围工作范围0-0-50g50g安装位置:汽车发生碰撞时受到挤压的部位安装位置:汽车发生碰撞时受到挤压的部位/非挤非挤压的区域压的区域悬挂系统悬挂系统测量范
20、围为测量范围为0-2g0-2g。暴露恶劣环境中,需复杂封装,价格高于安全气囊的暴露恶劣环境中,需复杂封装,价格高于安全气囊的加速度计加速度计防锁定制动系统(防锁定制动系统(anti-lock braking anti-lock braking systemsystem)用于中档和高档的汽车用于中档和高档的汽车三、MEMS在生化、医学上的应用作用:作用:替代器官植入替代器官植入体内量微手术体内量微手术微量检测微量检测医学成像医学成像 MEMSMEMS的优势:微型特别适合体内、细胞尺度的作用的优势:微型特别适合体内、细胞尺度的作用产品形式特点:具体开发,形式多样产品形式特点:具体开发,形式多样 心
21、脏起搏器心脏起搏器/人工心脏人工心脏耳蜗植入耳蜗植入/MEMS/MEMS替代有缺陷的视网膜替代有缺陷的视网膜 19601960年第一个起博器,双稳态多谐振荡器电路年第一个起博器,双稳态多谐振荡器电路 原理:刺激心房和心室的心肌原理:刺激心房和心室的心肌原来与现在工作模式原来与现在工作模式人工器官植入 20072007年移植人工心脏成活年移植人工心脏成活 前提:神经尚健全前提:神经尚健全 原理:与神经连线,光声信息采用原理:与神经连线,光声信息采用-转换成电信号转换成电信号-分配分配到不同电极连线到不同电极连线刺激神经刺激神经条件:经过条件反射训练条件:经过条件反射训练 人工胰腺人工胰腺 葡萄糖
22、传感器葡萄糖传感器+胰腺素补充泵胰腺素补充泵 三大组成部分三大组成部分 优缺点优缺点 运动、探测(要求可视化)、操作运动、探测(要求可视化)、操作体内显微手术、检查、释药微创微创/无创无创利用人体天生的入口或极小切口,避免损伤健康的组织,康复快、痛感小 效果好效果好直接针对病毒药量小药量小避免对健康组织的药物作用操作困难操作困难 已有应用已有应用消化道(肠道、胆结石去除)、耳鼻喉科、泌尿、妇科 发展方向发展方向血管内手术、颅内手术及细胞手术 MEMS Examples BoschMAP engine control pressure sensorMotorola airbag accelero
23、meter Ford ISAAC two-chip accelerometer MEMS with rotary bearing surfaces and interlockinggears(Sandia National Laboratories)JPL-Developed Microgyros Its dimensions are 4 by 4 millimeters,its weight is less than one gram Silicon Sensing Systems Japan Ltd.Rate Gyroscope The materials of MEMS(Silicon)
24、Si PROPERTIESWhy Use Silicon?Microfabrication Technology of MEMSThree kinds of technologyn nUltra-precision fabrication based on the traditional technology and special fabrication technology;n nMicromachine process technology based on the IC fabrication technology;n nSome micromachine fabrication te
25、chnology on developing with better future.Such as LIGA,etc.Ultra-precision fabrication Ultra-precision fabrication based on the traditional based on the traditional technology and special technology and special fabrication technology;fabrication technology;MEMS fabrication technologyIC process n nTh
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