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MEMS:物联网核心技术所在(下)

木马童年 2019-7-2 17:45 13 0

  MEMS:传感器的微雕技艺 中国论文网 https://www.xzbu.com/8/view-8650815.htm   人通过感觉器官来感知自然界的多姿与多彩。而人的感觉器官常常被等同于五官。人的感觉器官主要是眼、耳、鼻、舌、皮肤等5种,但 ...

  MEMS:传感器的微雕技艺 中国论文网 https://www.xzbu.com/8/view-8650815.htm  

人通过感觉器官来感知自然界的多姿与多彩。而人的感觉器官常常被等同于五官。人的感觉器官主要是眼、耳、鼻、舌、皮肤等5种,但与人们常说的眼、耳、鼻、口、舌这五官还是有区别的。这五种感知器官主要感知的是光、机械、热等物理量,当然鼻和舌兼具感知化学量(如酸等)的功能。

自然界中绝大多数物理量和化学量的变化都是连续的,因而被称之为模拟量。而当今的计算机(有别于模拟计算机)能够识别、处理、存储的却是离散量,或者说数字量,而且在计算机的信息处理的大部分过程中,信息都是以电为载体的。因此,就需要传感器来进行转化。

通俗地说,传感器就是将非电量的模拟量转化成模拟的电信号。而这些转换后的模拟电信号通常十分微弱,因此需要通过放大器放大后,再经模/数转化器转换成数字信号,从而被计算机所识别和处理。

传感器对于物联网之所以重要,是因为传感器在信息空间与自然界之间搭建了一个沟通的桥梁。既然人对自然界的日常感受大都以物体的物理属性为主,那么,在庞大的传感器家族中,物理量传感器的种类和数量要远远超过化学量、生物量等非物理量传感器。

传感器有多种分类,如按被测量(位移)、被测参数(加速度传感器)传感材料(半导体传感器)、敏感机理(电容传感器),甚至按应用类型(汽车传感器)来分类。

半导体传感器因能探测多种物理量且制造容易,而得到了较为广泛的应用,但它也仅能覆盖传感器家族的一部分,而且,在有些物理量的测量精度上也不能达到最佳效果,比如说,在温度测量方面,精度要远远落后于热电耦。

正是因为很多传感器的敏感材料难以用硅来替代,而传感器又都面临着小型化乃至微型化方面的强劲需求,所以MEMS有了大显身手的机会。

iPhone 4再掀陀螺仪热

陀螺仪因为能够探测方位、水平、位置、速度和加速度等的变化,因而广泛应用于航空、航天、航海、兵器(如导弹的惯性制导)等军事领域。陀螺仪也历经了从三轴高速旋转的机电式陀螺仪到激光、光纤等固态陀螺仪的发展,直到MEMS陀螺仪的兴起,陀螺仪才放下了高贵的身段,从高端的军事应用走入大众化的消费电子产品市场。

陀螺仪的道理并不新鲜,它与三四十年前最流行的玩具之一――陀螺一样,旋转越快越稳定。但它却足够神奇。十年前,赛格威(Segway)电动车问世时,人们对于站在两轮同轴的电动自行车上的骑行者高超的平衡技巧惊叹不已,而真正的幕后功臣则是陀螺仪。

之后,陀螺仪又出现在孩子们的玩具中,2006年11月,任天堂推出了Wii游戏机,给人带来较为真实的乒乓球等运动游戏。尽管Wii在性能上远远比不上索尼和微软的游戏机,但因为嵌入的MEMS陀螺仪为Wii带来了全新的游戏感受,因而在销量上接近微软和索尼游戏机销量的总和,让被索尼和微软挤压多年的游戏界老前辈任天堂得以出口恶气。由于Wii可以通过互联网来进行比赛,因而称之为物联网设备也不算牵强。

从技术上说,应该是MEMS成就了任天堂。如果没有应用MEMS技术制造的陀螺仪,那么,手持式游戏控制器的狭小空间是难以容纳陀螺仪的。退一步说,即便是陀螺仪能够放进去,原来的乒乓球游戏也就变成了健身游戏,因为陀螺仪的重量足以让游戏控制器变成哑铃。

在历经了首款iPhone问世时的惊艳,以及后续升级换代的改善后,审美疲劳应该是乔布斯面临的最大挑战。于是乎,苹果在刚刚发布的iPhone 4中依葫芦画瓢,把MEMS陀螺仪嵌到手机中。但是与任天堂Wii的控制器与显示器相互独立不同,iPhone 4集控制器与显示器于一身,在玩运动游戏时,手眼很难兼顾,除非iPhone 4利用无线去连接外部显示器。有报道说,由于GPS进入隧道后会因为电磁波被屏蔽而失去作用,这时iPhone中的陀螺仪就能大显身手了。

当然,这个卖点的充要条件必须是,隧道中遍布岔路口。否则,一旦进入隧道,不管你愿意不愿意,有没有GPS或者iPhone, 都得硬着头皮走到底。

最近,iFixit网站在暴力拆解iPhone4时发现,iPhone 4使用的是意法半导体公司生产的MEMS陀螺仪芯片――AGD1 2022 FP6AQ。但在意法半导体网站查不到这款芯片,最终在iFixit为该芯片做了一个全身X射线透视后,“潜伏”很深的3轴MEMS陀螺仪终于暴露。

皮星:太空中的无线传感网

重量,长久以来被视为是卫星同时也是运载火箭的重要指标之一。从苏、美、法、日、中、英等国第一颗人造地球卫星重量为数千克到上百千克,到2002年欧洲航天局发射的重达8000千克的环境监测卫星 “恩威萨特”号,与重量逐步增加的是卫星性能的持续增强。

但是近些年来在卫星高(性能)、大(体积)、全(功能)的发展主流之外,卫星的超微化引起了人们的重视。微小卫星大致上是以重量分类的:纳星的重量在10千克~1千克之间,皮星的重量在1千克~100克之间,低于100克的被称之为飞星。

“麻雀虽小,五脏俱全”。卫星所具有的电池、轨道控制和定位系统、无线电通信系统等自身控制功能,超微型卫星一应俱全,如果没有MEMS技术,这是难以实现的。

超微卫星因为重量轻,发射费用较之常规卫星呈数量级下降,卫星的制造成本也显著下降,以至于一些高校也有财力来制造卫星。在我国,哈工大和清华大学发射过纳星,浙江大学则发射过一颗皮星。

而超微卫星最大的好处是可以像分布式计算机系统那样,将多颗卫星作分布式布局。这样不但可以提高可靠性,当数量足够多时,性能还可以超过单颗常规卫星,而且,可以通过适时发射搭载新的应用的超微卫星来升级超微卫星网络,而常规卫星发射后,很难增加新的应用。超微卫星还有一个优势是:一旦失效,在重返大气层时就会完全烧毁,而前文中提到的重达8000千克的“恩威萨特”号到了2013年将会失效,现在人们已经开始担心这个庞然大物坠毁时的安全问题。

星云状分布的超微卫星网络与无线传感器网络相差无几,区别在于,一个天上一个地下,一个较贵一个较便宜罢了。

HI-MEMS:一半是昆虫一半是机器

2010年1月美国加州大学伯克利分校的研究人员做了一个演示。他们将6个神经电极刺入犀牛甲虫的蛹中,当犀牛甲虫成熟后,它们就能接收电信号。实验人员通过无线电可以遥控犀牛甲虫进行起飞、着陆,向前向后飞行,向左向右转弯。鉴于微型控制板和电池的总重量为1.3克,而犀牛甲虫能够携带大约3克的物体飞行,因此,犀牛甲虫还有很大的余力来携带微型的传感器、摄像头或者麦克风等装置。

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