信息时代的传感器技术

现实世界的信息是通过传感器获得的，与人们的生活息息相关。传感器已大举进入工业自动化、汽车工业、航天、生物、医学应用领域，且在无线通信、消费品领域亦有广泛的发展空间。传感器种类繁多，涉及物理、化学、电子、机械、生物、医学等学科。在众多传感器技术中，微系统技术起着关键的作用，利用这一技术已研制了各种类型、性能可靠的传感器。此外，传感器无线网络化也是当前一个热门话题，为传感器应用另辟一条蹊径。本文将详细介绍这方面的发展情况。

微系统技术

MST（微系统技术）泛指系统内使用有源和无源两种微结构组件的一门技术。MST隐含MEMS（微机电系统），两个术语常常是通用的。微结构或微组件表示长度单元为微米级，最小达100nm的工艺与技术，该技术的崛起又出现了NEMW（纳米机电系统），它可以看作是MEMS的延伸。MNT（微与纳米技术）则是两者的融合，是一门兼有两种工艺和技术特点的更高级的技术。

传感器微型化的优点是不言而喻的。由于它采用与半导器件相同的材料和工艺加工的，因此可制作嵌入式传感器、阵列型传感器、多功能传感器以及智能传感器。由于传感器体积小、功耗低，便于进行分布式测量，更进一步可实现无线传感器网络。

汽车行业是MEMS传感器的一个大市场，除目前的温度、压力、安全气囊加速计和轮速传感器外，还会在轮胎压力监控、车辆动态控制和陀螺仪/速度传感、制动压力传感、引擎射出压力传感和燃料气化压力传感诸多方面大量应用。加速计是比较有代表性的一款产品。

早期MEMS采用多芯片方案，传感元件（MEMS结构）在一个芯片上，而信号调理电路在另一个芯片上。从工艺加工观点，这一方法是比较简单的，但存在很多缺点：

* 增加了硅片总面积。
* 多芯片模块需要附加的组装步骤。
* 要求传感器输出信号较大，以克服芯片至芯片互连形成的杂散电容以及较大传感器结构固有的杂散场效应。
* 成品率低

最新一代加速计传感器都是单芯片的，如AD公司的ADXL 202E集成EMES加速计，它是目前已批量生产的小型、廉价、低重力集成化双轴加速计。图1是ADXL202E机械结构的示意图。MEMS结构用多晶硅弹簧悬挂在衬底上，传感器本体可沿X轴和Y轴移动。四方形传感器本体四周设有32组径向指状横杆。这些指状横杆处于固定在衬底上的两条平板之间。每条指状横杆一对固定板组成一个差动电容。传感器本体相对子中心位置的任何偏离通过差动电容的测量来确定。这种传感器既能测量动态加速度（如冲击或震动），也能测量静态加速度（如倾角或重力）。

图1 ADXL202E机械结构示意图

图2是ADXL202E的总体方框图。差动电容是采用同步调制/解调技术测量的。放大后的X轴和Y轴加速度信号分别通过32KΩ电阻加至CX和CY输出引脚以及PWM调制器。在CX和CY引脚处增加电容能限制带宽，从而降低噪声电平。PWM与加速度成正比，其输出可直接送至微处理器的数字输入端，用计数器解调PWM信号。

图2 ADXL202E方框图

MEMS设计存在诸多挑战。首先是机械方面问题，即便是最简单的系统，也要弄清各个元件的机械性质。多数MEMS系统用多晶硅来构建微机械结构，然而它的机械性能并不是十分理想的。此外，在微观世界中，材料的机械性能又会发生什么变化呢？其次是传感器的电气测量。传感器利用差动电容来实现测量，然后，将信号放大、线性化、在某些场合还要进行温度补偿。差动电容输出的信号是十分微小的，已达到测量的极限。对集成化一体器件，在加工过程中还存在机械性能和电气性能互相影响的问题，改进机械结构却影响电气性能，反之亦然，例如退火可以增加机械强度，但使BiMOS器件性能恶化，因此要完善兼顾机械加工和电气性能的工艺技术。目前，器件的设计都不是手工完成的，广泛使用CAD工具和模拟软件，但在MEMS领域还没有标准的设计软件，要进一步加强MEMS CAD工具和模拟软件、诊断软件的开发。

生物医学传感器是一个非常活跃的研究领域。MST应用于生物医学诊断的优点在于测量系统的微型化，从而可大大减少样品和反应物。MST生物传感器由两部分构成；微结构元件产生因物理或生物性能改变引起的可测量输出；生物部分通常是酶、抗体、核酸、微组织或细胞，利用抗体—抗源的选择性，提供针对特定物质的传感响应。IVD（临床诊断）和生物芯片是主要MST产品。IVD典型产品是测量血糖的可熔解血液测试条。生物芯片则指DNA芯片，蛋白质芯片、基因芯片、微阵列等。DNA和蛋白质微阵列免疫分析法用硅或玻璃加工出微阵列结构，利用萤光标记进行检测。蛋白质或DNA层的厚度为10nm左右，用印刷法或溅射工艺淀积在微阵列上。

微型谱仪用于便携式谱仪基应用。LIGA是采用深X光光刻和电镀技术来制作金属微铸模，然后现利用这个微铸模来浇铸塑料光栅。LIGA可对多种材料进行加工，具有结构小（微米级）、长宽比大（高达100）和表面光洁度好（小于50nm）的优点。MSC质谱仪亦有MST版本，主要涉及磁体部分、WEIN过滤器、行波管等。MS体积减少意味着可减少离子平均自由路程，即可在较高的压力（10-2mbar）下工作。小体积与高压相结合为省略体积大且价格高的真空泵系统创造了条件。研究课题包括硅基热灯丝源MSTQMS（四极质谱仪）、新型微加工电子谱仪和离子俘获MS。

LOC（芯片级实验室）整合了多种化学处理和分析技术，用硅、玻璃、多晶硅材料加工制作，由于玻璃的性能比较稳定，一般倾向于使用玻璃衬底，要解决的技术是廉价光源、检测阵列和集成电子电路。微流体技术则指控制芯片上液体的技术ū谩⒎А⒒旌掀鳌⒎从κ业取?

无线传感器技术

用无线替代有线是电子技术的总趋势，传感技术也不例外。在大多数新的工业系统中，无线链接确实要比布线经济得多，方便得多。早期的产品就是实现点对点的链接，如无线称重装置，它的一端是电子称，另一端是标准数字读出器或显示器。Motorola将无线传感器与通信技术相结合，开发了无线家居监测和控制系统，内设无线温度传感器、无线漏水传感器、无线门/窗传感器和无线摄像机等。这类传感器可预设上、下限，一旦测量出现异常情况，就会通过电话或发电子邮件告警，及时通知用户发出故障，排除故障。

RFID（射频识别）传感器标签是一种很有特色的技术。RFID标签是一块集成电路，芯片含有产品的ID数据，读出器可远距离读取芯片存储的数据。RFID原本用于物流跟踪和监管系统。倘若RFID与传感技术相结合，制作成传感器标签，那么它不仅含有货物的电子条形码信息，也携带有温度、压力、位置等实时信息。MicroStrail Inc的Embed sense 无线传感器就是这类产品。它备有传感器和数据采集功能，可嵌入在产品中，创建智能材料，智能结构和智能机器。该产品使用电感从外部线圈获得能量，外部磁场整流后提供3V、200μA的功率，读出器则取得数字应力、温度和ID信息。

Crossbow是一家能提供大规模商用智能微粒无线传感器的公司。硬件平台由通常称为MOTES的处理器/无线电板（MPR）组成。无线网络处理器结点可以和RFID读出器部件整合在一起，构成廉价、移动式、网络化RFID标签读出器。这个以电池供电的设备运用Tiny OS操作系统，支持双路无线网络。传感器和数据采集卡（MTS和MDA）可内置传感器，也可外接传感器，该卡完全与处理器和无线电板相匹配。网关和接口产品（MIB）允许研发人员将MOTES接口至PC、PDA和其它现有的网络和协议。Tiny OS操作系统是源开放的，可扩充的和可缩放的。

低速应用无线网络当首推ZigBee。ZigBee的 IEEE标准名称为802.15.4。802.15.4标准定义了PHY层和MAC层，而ZigBee联盟设定了网络、安全以及应用层的标准。ZigBee有三个版本。868MHz欧洲版本的数据速率为20kb/s；10信道的915MHz版本的数据率为40 kb/s；真正的速度至尊是2.4GHz版本,16个信道,数据速率为250 kb/s 。这三种版本都采用DSSS（直接序列扩频）技术。ZigBee还是一种PAN（个人局域网）技术，可配置为星形、树形、网络型拓扑形式，效果十分理想。其最重要优点是超低功耗和简单易行，在某些场合下，低功率可使电池工作数年之久。

Motorola公司宣称已研了多种标准基压力、加速计等无线传感器集成电路。该公司充分利用其MEMS基传感器和先进的IEEE802.15.4RF技术的优势，创建经济实用的终端产品。产品使用标准硬件接口，可选用的OEM和嵌入式处理器。RF收发器工作在全球性2.4GHz频带，通信传输使用128位AES（先进密钥标准）算法的对称键码，增强了通信的保密性。

Ember的EM2420无线解决方案是理想的通信产品。它工作在2.4GHz全球性ISM频带，16个信道，信道间隔0.5MHz。250Kbps QQOSK DSSS完全符合IEEE802.15.4规范，0dBm输出功率，工作距离75m；另备+10 dBm输出放大，作更长距离传输。它安全性好，有硬件基CRC和AES-128密钥。该器件有集成化的CMOS收发器和片上TX/RX开关，芯片封装在7mm×7mm、48QLP中，仅需少量外部元件。EM2420备有多种高速同步串行硬件接口与主处理器通信。为方便用户开发，Ember Net API软件库为Ember Net 协议栈中的路由、发现和管理功能提供简单的始终如一的界面。

Millennial Net是一种无线传感器网络产品，它为OEM和系统集成商提供综合的平台，来部署高效、可缩放、自组织的无线传感器网络系统。它备有多种小尺寸模块，可方便地嵌入、整合在用户的设备中。IB-5324是IEEE802.15.4兼容的，使用2.4GHz DSSS 的无线方案，抗RF干扰，提供数据保密。其中IB-5324 Endpoint 精简功能部件是带数字和模块接口和无线通信链接的小型微计算机。它采用双MCU设计，以方便用户应用程序的开发。一个应用MCU对传感器数据进行归并和预处理。此外，系统还提供路由器、USB路由器和网关，完成网络内部和主机的地线链接。Millennial Net的Windows XP或2000基网络监控软件，作为一个图形用户界面来控制和监视无线网络，完整的API软件库让用户使用Microsoft Visual C/C++来开发各种应和程序。

结语

综上所述，传感器技术应用广泛，与众多学科领域密切相关。传感器技术是一门综合的高新技术，它集光、机、电、生物医学于一身，可以毫不夸张地说，传感器技术的水平从一个侧面反映了微电子技术、MEMS、纳米技术、光电子技术，生物技术等高新技术的水平。因此，要想进一步推动传感器技术的发展，综合人才的培养、各学科间的统力协作，建立新型实验基地和生产基地是至关重要的。