Аналогия между процессами получения, обработки и преобразования сигналов в биологических и технических система

Функция	Биологическая система	Техническая система
	Чувства	Датчики
Получение сигнала	Обоняние	Газоанализатор
	Вкус	pH-метр
	Слух	Микрофон
	Осязание	Датчики температуры, перемещения, усилия, потока и т. д.
	Зрение	Телекамера, датчики положения, излучения и т.д.
Обработка сигнала	Мозг	ЭВМ
Преобразование сигнала	Органы	Исполнительные устройства
	Движения	Двигатель
	Речь	Динамик
	Жестикуляция	Индикация
	Письмо	Принтер

1. Физические эффекты как основа построения сенсоров

Практическая реализация робота связана с открытием (или отысканием) такого физического эффекта, конструктивного решения и технологии, при котором обеспечиваются требования по точности, надежности и стоимости. «Узким» местом было и в определённом смысле остается первое звено в цепи преобразований – это датчик.

Датчиком называют обычно дешевый, но надежный приёмник и преобразователь измеряемой величины, обладающий достаточной точностью и пригодный для серийного изготовления.

Техника конструирования и применения датчиков, или, как её можно кратко назвать сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники (ощутимо это стало проявляться примерно с 1970 года). С ростом автоматизации, к датчикам физических величин стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям: миниатюрность (возможность встраивания); дешевизна (серийное производство); механическая прочность.

В последнее время распространились такие понятия, как "эффекты твердого тела", "твердотельные датчики", "микромеханика", "интегральные датчики", "полупроводниковые датчики" и т.д. – всё это результат бурного прогресса в создании сенсоров на базе технологии производства электронных микросхем. Это технологическое направление в зарубежной технике получило название iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System). Такое устройство может состоять из механических микроструктур, микродатчиков, микроактюаторов и микроэлектроники, объединяемых на одном кремниевом чипе. Ассортимент видов преобразований энергии (следовательно, и видов преобразователей) оказывается достаточно широким (табл. 2)

Т а б л и ц а 2

Преобразователи различных видов энергии

Вид входной энергии	Микроэлектронные преобразователи
Механическая	Тензорезисторы, тензодиоды, тензотранзисторы, диоды Ганна, микроэлектронные параметрические преобразователи (R, L, C, резонансные, струнные, ПАВ)
Акустическая	Пьезо-, тензо-, ПАВ-преобразователи
Электрическая	Микроэлектроды, ионочувствительные датчики
Магнитная	Датчики Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы, магнитотиристоры
Тепловая	Терморезисторы, диоды, транзисторы, тиристоры, термоэлементы и термопары
Световая	Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители, диоды Шоттки, ПЗС
Химическая	Микроэлектроды, химотронные приборы, ионочувствительные приборы, биосенсоры
Ядерная	Полупроводниковые детекторы излучения, pin-фотодиоды, ПЗС-камеры для рентгеновского излучения

Интегральные преобразователи позволяют осуществить и обратное преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Например, светодиоды и полупроводниковые лазеры; интегральные балочные и струнные приборы.

Преимущества микромеханических датчиков по сравнению с датчиками, изготавливаемыми по традиционной технологии механообработки, таких как резка, шлифование, сверление:

1. Размер чувствительных и упругих элементов датчиков находится в интервале от долей до нескольких миллиметров, что почти на два порядка меньше традиционных (габариты, материалопотребление, точность, надежность, стоимость).

2. Возможность применения групповой технологии изготовления, подобно электронным микросхемам, изготавливаемым сотнями и тысячами на одной пластине (малый разброс параметров в партии, производительность, надежность, стоимость).

3. Высокая стабильность параметров в связи с использованием кристаллических структур вместо поликристаллических, а также в связи с отсутствием прослоек в упругом элементе (большие пределы прочности и пластичности, отсутствие ползучести, гистерезиса – всё это приводит к повышению точности измерений).

4. Возможность интеграции чувствительного элемента датчика (или датчиков) с электронными схемами.

5. Возможность интеграции ряда одинаковых или различных чувствительных элементов датчиков на одной пластине. Использование системы датчиков для перекрытия всего диапазона в случае, когда его невозможно перекрыть одним ЧЭ.

Таким образом, использование новой технологии приводит к повышению

– точности измерения, чувствительности и к расширению частотного диапазона, снижению нелинейности и расширению амплитудного диапазона измерения, а также к повышению прочности датчика. Происходит повышение стабильности параметров датчика, снижение эффекта усреднения внешнего воздействия и эффекта искажения измеряемой величины за счёт воздействия на объект массы датчика;

– повышение надёжности измерений;

– уменьшение материалопотребления;

– увеличение производительности и снижение стоимости.

Микромеханические приборы обладают большой коммерческой привлекательностью.

Развитие MEMS-производства связано с быстропрогрессирующими областями их использования – это мобильные роботы гражданского и военного назначения.

Авиационная промышленность, где требования к датчикам и контрольно-измерительным и управляющим устройствам особенно высоки, потребляет большое количество одноимённых датчиков. Например, в зависимости от типоразмеров самолётов общее число только датчиков давления на одном самолёте составляет 50-90 штук. В Европе за 1998-2008 гг. должно было быть произведено 8000 гражданских самолётов, т. е. одних лишь датчиков давления необходимо более 500 тыс. шт.

Так как у MEMS - компонентов в направлении миниатюризации в обозримом будущем не будет конкурентов, а их точность и эксплуатационные характеристики имеют устойчивую тенденция к улучшению показателей, можно ожидать прогрессирующего внедрения микромеханических приборов в изделия гражданского и военного назначения.