信息時代的傳感器技術(shù)

現(xiàn)實世界的信息是通過傳感器獲得的，與人們的生活息息相關(guān)。傳感器已大舉進(jìn)入工業(yè)自動化、汽車工業(yè)、航天、生物、醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，且在無線通信、消費品領(lǐng)域亦有廣泛的發(fā)展空間。傳感器種類繁多，涉及物理、化學(xué)、電子、機械、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科。在眾多傳感器技術(shù)中，微系統(tǒng)技術(shù)起著關(guān)鍵的作用，利用這一技術(shù)已研制了各種類型、性能可靠的傳感器。此外，傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化也是當(dāng)前一個熱門話題，為傳感器應(yīng)用另辟一條蹊徑。本文將詳細(xì)介紹這方面的發(fā)展情況。

微系統(tǒng)技術(shù)

MST（微系統(tǒng)技術(shù)）泛指系統(tǒng)內(nèi)使用有源和無源兩種微結(jié)構(gòu)組件的一門技術(shù)。MST隱含MEMS（微機電系統(tǒng)），兩個術(shù)語常常是通用的。微結(jié)構(gòu)或微組件表示長度單元為微米級，最小達(dá)100nm的工藝與技術(shù)，該技術(shù)的崛起又出現(xiàn)了NEMW（納米機電系統(tǒng)），它可以看作是MEMS的延伸。MNT（微與納米技術(shù)）則是兩者的融合，是一門兼有兩種工藝和技術(shù)特點的更高級的技術(shù)。

傳感器微型化的優(yōu)點是不言而喻的。由于它采用與半導(dǎo)器件相同的材料和工藝加工的，因此可制作嵌入式傳感器、陣列型傳感器、多功能傳感器以及智能傳感器。由于傳感器體積小、功耗低，便于進(jìn)行分布式測量，更進(jìn)一步可實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

汽車行業(yè)是MEMS傳感器的一個大市場，除目前的溫度、壓力、安全氣囊加速計和輪速傳感器外，還會在輪胎壓力監(jiān)控、車輛動態(tài)控制和陀螺儀/速度傳感、制動壓力傳感、引擎射出壓力傳感和燃料氣化壓力傳感諸多方面大量應(yīng)用。加速計是比較有代表性的一款產(chǎn)品。

早期MEMS采用多芯片方案，傳感元件（MEMS結(jié)構(gòu)）在一個芯片上，而信號調(diào)理電路在另一個芯片上。從工藝加工觀點，這一方法是比較簡單的，但存在很多缺點：

* 增加了硅片總面積。
* 多芯片模塊需要附加的組裝步驟。
* 要求傳感器輸出信號較大，以克服芯片至芯片互連形成的雜散電容以及較大傳感器結(jié)構(gòu)固有的雜散場效應(yīng)。
* 成品率低

最新一代加速計傳感器都是單芯片的，如AD公司的ADXL 202E集成EMES加速計，它是目前已批量生產(chǎn)的小型、廉價、低重力集成化雙軸加速計。圖1是ADXL202E機械結(jié)構(gòu)的示意圖。MEMS結(jié)構(gòu)用多晶硅彈簧懸掛在襯底上，傳感器本體可沿X軸和Y軸移動。四方形傳感器本體四周設(shè)有32組徑向指狀橫桿。這些指狀橫桿處于固定在襯底上的兩條平板之間。每條指狀橫桿一對固定板組成一個差動電容。傳感器本體相對子中心位置的任何偏離通過差動電容的測量來確定。這種傳感器既能測量動態(tài)加速度（如沖擊或震動），也能測量靜態(tài)加速度（如傾角或重力）。

圖1 ADXL202E機械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是ADXL202E的總體方框圖。差動電容是采用同步調(diào)制/解調(diào)技術(shù)測量的。放大后的X軸和Y軸加速度信號分別通過32KΩ電阻加至CX和CY輸出引腳以及PWM調(diào)制器。在CX和CY引腳處增加電容能限制帶寬，從而降低噪聲電平。PWM與加速度成正比，其輸出可直接送至微處理器的數(shù)字輸入端，用計數(shù)器解調(diào)PWM信號。

圖2 ADXL202E方框圖

MEMS設(shè)計存在諸多挑戰(zhàn)。首先是機械方面問題，即便是最簡單的系統(tǒng)，也要弄清各個元件的機械性質(zhì)。多數(shù)MEMS系統(tǒng)用多晶硅來構(gòu)建微機械結(jié)構(gòu)，然而它的機械性能并不是十分理想的。此外，在微觀世界中，材料的機械性能又會發(fā)生什么變化呢？其次是傳感器的電氣測量。傳感器利用差動電容來實現(xiàn)測量，然后，將信號放大、線性化、在某些場合還要進(jìn)行溫度補償。差動電容輸出的信號是十分微小的，已達(dá)到測量的極限。對集成化一體器件，在加工過程中還存在機械性能和電氣性能互相影響的問題，改進(jìn)機械結(jié)構(gòu)卻影響電氣性能，反之亦然，例如退火可以增加機械強度，但使BiMOS器件性能惡化，因此要完善兼顧機械加工和電氣性能的工藝技術(shù)。目前，器件的設(shè)計都不是手工完成的，廣泛使用CAD工具和模擬軟件，但在MEMS領(lǐng)域還沒有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計軟件，要進(jìn)一步加強MEMS CAD工具和模擬軟件、診斷軟件的開發(fā)。

生物醫(yī)學(xué)傳感器是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。MST應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)診斷的優(yōu)點在于測量系統(tǒng)的微型化，從而可大大減少樣品和反應(yīng)物。MST生物傳感器由兩部分構(gòu)成；微結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生因物理或生物性能改變引起的可測量輸出；生物部分通常是酶、抗體、核酸、微組織或細(xì)胞，利用抗體—抗源的選擇性，提供針對特定物質(zhì)的傳感響應(yīng)。IVD（臨床診斷）和生物芯片是主要MST產(chǎn)品。IVD典型產(chǎn)品是測量血糖的可熔解血液測試條。生物芯片則指DNA芯片，蛋白質(zhì)芯片、基因芯片、微陣列等。DNA和蛋白質(zhì)微陣列免疫分析法用硅或玻璃加工出微陣列結(jié)構(gòu)，利用螢光標(biāo)記進(jìn)行檢測。蛋白質(zhì)或DNA層的厚度為10nm左右，用印刷法或濺射工藝淀積在微陣列上。

微型譜儀用于便攜式譜儀基應(yīng)用。LIGA是采用深X光光刻和電鍍技術(shù)來制作金屬微鑄模，然后現(xiàn)利用這個微鑄模來澆鑄塑料光柵。LIGA可對多種材料進(jìn)行加工，具有結(jié)構(gòu)?。ㄎ⒚准墸?、長寬比大（高達(dá)100）和表面光潔度好（小于50nm）的優(yōu)點。MSC質(zhì)譜儀亦有MST版本，主要涉及磁體部分、WEIN過濾器、行波管等。MS體積減少意味著可減少離子平均自由路程，即可在較高的壓力（10-2mbar）下工作。小體積與高壓相結(jié)合為省略體積大且價格高的真空泵系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。研究課題包括硅基熱燈絲源MSTQMS（四極質(zhì)譜儀）、新型微加工電子譜儀和離子俘獲MS。

LOC（芯片級實驗室）整合了多種化學(xué)處理和分析技術(shù)，用硅、玻璃、多晶硅材料加工制作，由于玻璃的性能比較穩(wěn)定，一般傾向于使用玻璃襯底，要解決的技術(shù)是廉價光源、檢測陣列和集成電子電路。微流體技術(shù)則指控制芯片上液體的技術(shù)ū謾⒎?、混合砌棦窂摩蕵I(yè)取?

無線傳感器技術(shù)

用無線替代有線是電子技術(shù)的總趨勢，傳感技術(shù)也不例外。在大多數(shù)新的工業(yè)系統(tǒng)中，無線鏈接確實要比布線經(jīng)濟(jì)得多，方便得多。早期的產(chǎn)品就是實現(xiàn)點對點的鏈接，如無線稱重裝置，它的一端是電子稱，另一端是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字讀出器或顯示器。Motorola將無線傳感器與通信技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了無線家居監(jiān)測和控制系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)無線溫度傳感器、無線漏水傳感器、無線門/窗傳感器和無線攝像機等。這類傳感器可預(yù)設(shè)上、下限，一旦測量出現(xiàn)異常情況，就會通過電話或發(fā)電子郵件告警，及時通知用戶發(fā)出故障，排除故障。

RFID（射頻識別）傳感器標(biāo)簽是一種很有特色的技術(shù)。RFID標(biāo)簽是一塊集成電路，芯片含有產(chǎn)品的ID數(shù)據(jù)，讀出器可遠(yuǎn)距離讀取芯片存儲的數(shù)據(jù)。RFID原本用于物流跟蹤和監(jiān)管系統(tǒng)。倘若RFID與傳感技術(shù)相結(jié)合，制作成傳感器標(biāo)簽，那么它不僅含有貨物的電子條形碼信息，也攜帶有溫度、壓力、位置等實時信息。MicroStrail Inc的Embed sense 無線傳感器就是這類產(chǎn)品。它備有傳感器和數(shù)據(jù)采集功能，可嵌入在產(chǎn)品中，創(chuàng)建智能材料，智能結(jié)構(gòu)和智能機器。該產(chǎn)品使用電感從外部線圈獲得能量，外部磁場整流后提供3V、200μA的功率，讀出器則取得數(shù)字應(yīng)力、溫度和ID信息。

Crossbow是一家能提供大規(guī)模商用智能微粒無線傳感器的公司。硬件平臺由通常稱為MOTES的處理器/無線電板（MPR）組成。無線網(wǎng)絡(luò)處理器結(jié)點可以和RFID讀出器部件整合在一起，構(gòu)成廉價、移動式、網(wǎng)絡(luò)化RFID標(biāo)簽讀出器。這個以電池供電的設(shè)備運用Tiny OS操作系統(tǒng)，支持雙路無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器和數(shù)據(jù)采集卡（MTS和MDA）可內(nèi)置傳感器，也可外接傳感器，該卡完全與處理器和無線電板相匹配。網(wǎng)關(guān)和接口產(chǎn)品（MIB）允許研發(fā)人員將MOTES接口至PC、PDA和其它現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。Tiny OS操作系統(tǒng)是源開放的，可擴充的和可縮放的。

低速應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)首推ZigBee。ZigBee的 IEEE標(biāo)準(zhǔn)名稱為802.15.4。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了PHY層和MAC層，而ZigBee聯(lián)盟設(shè)定了網(wǎng)絡(luò)、安全以及應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee有三個版本。868MHz歐洲版本的數(shù)據(jù)速率為20kb/s；10信道的915MHz版本的數(shù)據(jù)率為40 kb/s；真正的速度至尊是2.4GHz版本,16個信道,數(shù)據(jù)速率為250 kb/s 。這三種版本都采用DSSS（直接序列擴頻）技術(shù)。ZigBee還是一種PAN（個人局域網(wǎng)）技術(shù)，可配置為星形、樹形、網(wǎng)絡(luò)型拓?fù)湫问?，效果十分理想。其最重要?yōu)點是超低功耗和簡單易行，在某些場合下，低功率可使電池工作數(shù)年之久。

Motorola公司宣稱已研了多種標(biāo)準(zhǔn)基壓力、加速計等無線傳感器集成電路。該公司充分利用其MEMS基傳感器和先進(jìn)的IEEE802.15.4RF技術(shù)的優(yōu)勢，創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)實用的終端產(chǎn)品。產(chǎn)品使用標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，可選用的OEM和嵌入式處理器。RF收發(fā)器工作在全球性2.4GHz頻帶，通信傳輸使用128位AES（先進(jìn)密鑰標(biāo)準(zhǔn)）算法的對稱鍵碼，增強了通信的保密性。

Ember的EM2420無線解決方案是理想的通信產(chǎn)品。它工作在2.4GHz全球性ISM頻帶，16個信道，信道間隔0.5MHz。250Kbps QQOSK DSSS完全符合IEEE802.15.4規(guī)范，0dBm輸出功率，工作距離75m；另備+10 dBm輸出放大，作更長距離傳輸。它安全性好，有硬件基CRC和AES-128密鑰。該器件有集成化的CMOS收發(fā)器和片上TX/RX開關(guān)，芯片封裝在7mm×7mm、48QLP中，僅需少量外部元件。EM2420備有多種高速同步串行硬件接口與主處理器通信。為方便用戶開發(fā)，Ember Net API軟件庫為Ember Net 協(xié)議棧中的路由、發(fā)現(xiàn)和管理功能提供簡單的始終如一的界面。

Millennial Net是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，它為OEM和系統(tǒng)集成商提供綜合的平臺，來部署高效、可縮放、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它備有多種小尺寸模塊，可方便地嵌入、整合在用戶的設(shè)備中。IB-5324是IEEE802.15.4兼容的，使用2.4GHz DSSS 的無線方案，抗RF干擾，提供數(shù)據(jù)保密。其中IB-5324 Endpoint 精簡功能部件是帶數(shù)字和模塊接口和無線通信鏈接的小型微計算機。它采用雙MCU設(shè)計，以方便用戶應(yīng)用程序的開發(fā)。一個應(yīng)用MCU對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并和預(yù)處理。此外，系統(tǒng)還提供路由器、USB路由器和網(wǎng)關(guān)，完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和主機的地線鏈接。Millennial Net的Windows XP或2000基網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，作為一個圖形用戶界面來控制和監(jiān)視無線網(wǎng)絡(luò)，完整的API軟件庫讓用戶使用Microsoft Visual C/C++來開發(fā)各種應(yīng)和程序。

結(jié)語

綜上所述，傳感器技術(shù)應(yīng)用廣泛，與眾多學(xué)科領(lǐng)域密切相關(guān)。傳感器技術(shù)是一門綜合的高新技術(shù)，它集光、機、電、生物醫(yī)學(xué)于一身，可以毫不夸張地說，傳感器技術(shù)的水平從一個側(cè)面反映了微電子技術(shù)、MEMS、納米技術(shù)、光電子技術(shù)，生物技術(shù)等高新技術(shù)的水平。因此，要想進(jìn)一步推動傳感器技術(shù)的發(fā)展，綜合人才的培養(yǎng)、各學(xué)科間的統(tǒng)力協(xié)作，建立新型實驗基地和生產(chǎn)基地是至關(guān)重要的。