智能传感器系统 第3章 不同集成度智能传感器系统介绍

第3章不同集成度智能传感器系统介绍目录第1章概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础第3章不同集成度智能传感器系统介绍×第4章智能传感器的集成技术第5章智能传感器系统智能化功能的实现方法第6章通信功能与总线接口第7章智能技术在传感器系统中的应用第8章智能传感器系统的设计与应用×第9章无线传感器网络技术概述第3章不同集成度智能传感器系统介绍第3章不同集成度智能传感器系统介绍要点：集成智能传感器的工作原理和结构特点；初级形式：单片集成和混合集成；中级形式：敏感单元＋信号调理电路＋微处理器系统；高级形式：敏感单元阵列化，信号处理软件高级化。第3章不同集成度智能传感器系统介绍§3.1传感器的集成化和智能化§3.1.1传感器的集成化1、集成化的概念：它有两方面的含义：1）传感器的阵列化，即将同一功能的单个传感器按一维、二维甚至三维的形式集成在同一芯片上。比较典型的例子是CCD。2）传感器的多功能化。将不同功能的传感器集成在同一芯片上或几个芯片组合在一起或将传感器的敏感元件、信号处理电路甚至微处理器集成在一起。如厚膜电路，ST－3000等。2、集成化的优点提高了传感器的整体性能；降低了生产成本；可大规模化生产；提高了传感器的可靠性：与传统方式相比，主要是消除了中间环节一些不可靠因素的影响；多功能化、智能化：可实现多参数检测；拓宽了使用范围。第3章不同集成度智能传感器系统介绍§3.1.2传感器的智能化集成化的智能传感器主要由：＊传感器：分主传感器和辅助传感器＊补偿和校正电路：指温度补偿和非线性校正＊调理电路：滤波、放大、量程变换＊接口电路：输入、输出接口、信息接口等＊微处理器。按传感器技术的发展层次分成三种形式：1、初级形式敏感元件＋温度补偿及校正电路＋线性补偿电路＋信号调理电路。与传统传感器相比，精度和性能得到了大大提高，比较典型的例子是：MOTOROLA公司的单片集成压力传感器MPX3100。2、中级形式第3章不同集成度智能传感器系统介绍在初级形式的基础上增加了微处理器和硬件接口电路，扩展功能有：自诊断（指故障、超量程）、自校正（进一步消除测量误差）、数据通讯，这些功能主要以软件的形式来实现，因此它的适应性更强。3、高级形式在中级形式的基础上，硬件上传感器多维化和阵列化，软件上结合神经网络技术、人工智能技术（专家系统、遗传算法等）和模糊控制理论甚至还有预测控制理论等，使它具有人脑的基本功能：识别、记忆、学习、思维。由于我们国家的大规模集成电路的工艺水平和半导体集成技术比较低，近期内难以实现单片集成化智能化传感器（特别是中级形式），主要是研究开发混合式集成传感器。利用部分进口芯片、国产芯片和敏感元件，利用现有条件实现传感器智能化，或者在现有的传感器外壳内，装上专用集成电路芯片和单片微型计算机芯片（嵌入式系统）。这对于某些单纯靠硬件电路来实现的测量系统（如红外测温仪）还是很有实用价值的。第3章不同集成度智能传感器系统介绍§3.2集成化智能传感器系统的初级形式下面我们举例介绍初级形式的结构组成，了解与传统传感器相比，硬件上它有哪些改进手段、方法和措施。§3.2.1单片集成式1、具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器1）结构：敏感元件＋CMOS信号调理电路2）加工工艺：＋只进行单面加工，与标准IC工艺完全兼容。3）尺寸：1.5mm24）电路结构（见下图）：a）：～5kΩ；b)、构成同向放大器；形成压力腔掩蔽腐蚀＋高温键合技术离子注入工艺制作压阻电桥14~RR1A2A第3章不同集成度智能传感器系统介绍优点：输入阻抗高，共模抑制比高。放大倍数：，改变，可以调整。＋＋－＋＋－＋＋－U0A1A2A3＋5V－5VR1R2R3R4R5R6R7R8R9R10RW不加该级，可使共模抑制比更高，但输出有共模信号同相并联差动运算放大器56'1WRRRAwR'A第3章不同集成度智能传感器系统介绍c）A3：基本差动输入放大器，放大倍数：当，时，。d）总的差模放大倍数：e）降低有益于减少输出温度漂移，从而减小电路的输出失调电压。2、MOTOROLA单片集成压力传感器MPX3100量程：0～100kPa；被测量：差压、表压、绝对压力；结构：应变仪＋温度补偿、校准和信号调理＋激光修正。1）敏感元件结构及原理a）结构为单个X型的压敏电阻b）工作原理：利用单片压敏电阻产生随压力而变化的输出电压。受89108107''RRRRRRA87RR109RR98''RRA5698'''(1)WRRRdRRAAA''A第3章不同集成度智能传感器系统介绍第3章不同集成度智能传感器系统介绍到压力时，原来结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生变化，使载流子的数量和载流子的迁移发生变化。压阻效应的另一种表达方式：电场分量，电流密度分量是，应力分量是ρ：无应力作用时的各向同性电阻率；1，2，3表示3个轴方向。：纵向压阻系数；：横向压阻系数；：剪切压阻系数。对于P型硅，具有最大值。jEiiij11111112223344212313[1()]()Eiii22112212113344121323[1()]()Eiii33113312112244131232[1()]()Eiii11124444第3章不同集成度智能传感器系统介绍若令：、＝0，则有：，为剪切应力。，，，电场E1引起该方向的电位分布发生变化。c）加工工艺：掩蔽腐蚀＋阳极键合法＋离子注入工艺＋激光微加工技术＋激光修正技术。导电类型压阻系数P－SiN－Si6.6-102.2-1.153.4133.1-13.6VoutiUs+-1i3i124412Ei1211212'outVdEdkk442ki'kdk111244第3章不同集成度智能传感器系统介绍d）失调误差由横向电压抽头的对准度决定。2）温度补偿一般半导体器件的输出参数均受温度的影响，为消除影响需进行补偿。a）满量程温漂补偿X型压力传感器输出电压幅度随温度升高而降低，＝-0.19％/℃，传感器的输出与激励电压成比例关系，采用前面介绍的拼凑补偿法。在X型传感器的激励电源上串入一具有负温度系数的电阻；X型压力传感器本身的电阻具有正温度系数，也起到一定补偿作用，补偿精度可达到0.5％。b）零位温漂补偿一般情况下，可通过光刻工艺使零位失调和温漂做得很小，在要求较高和宽温度范围内工作，需进行补偿。的作用：进行零位温漂补偿；提高输入阻抗。TSR1OA第3章不同集成度智能传感器系统介绍MPX3100内部线路图第3章不同集成度智能传感器系统介绍的作用：将差分输出转换为单端对地输出；通过阻抗转换提高共模抑制比。、构成同相串联差动运算放大器，共模增益为零。补偿电阻，可采用小信号分析法求得：3）信号调理和校准电路：精密电压基准，校准整个系统的零位输出电压。MPX3100的零位：0.5V；满量程：2.5V。、提供电压基准，保证零位输出0.5V。放大器：、用于保证系统满量程输出，校准：采用激光修正电阻的方法。3、带C/U转换电路的硅电容式单片集成压力传感器3R1OA2OA11221235()VRRVRRRR3O7R8R2OA4OAGR2OA第3章不同集成度智能传感器系统介绍压力敏感部分的硅片面积为：120mils×120mils；总的面积为：145mils×130mils第3章不同集成度智能传感器系统介绍传感器的开关-电容调理电路第3章不同集成度智能传感器系统介绍前面的介绍表明：硅电容式的性能指标高于扩散硅压阻式，灵敏度高1～几个数量级，功耗低2个数量级。缺点：输出的非线性。组成：敏感单元（单岛型弹性膜片）＋C/U转换电路＋放大电路（信号调理）＋带隙电压基准电路＋数字校正＋时钟电路＋三阶低通滤波器1）信号调理电路采用了差动结构设计；信号传感器电容：、；参考传感器电容：、；优点：消除干扰信号的影响（温度、杂散电容）。a）根据书中提供的开关－电容调理电路我们可以将其中的前级放大部分进行简化分析。当开关吸合：1SC2SC1RC2RC＋＋－U1Ubg1Ubg2CR1CR2CS2CS12S第3章不同集成度智能传感器系统介绍当，时，，b）后一级放大电路，其工作原理与前一级类似，输入信号部分为：、；且，。输出电压：c）假设，均为平板电容，则：121221121()()RRSSCCbgbgbgbgMCCUUUUUU12SSCC12RRCC0MU112112()RSCbgbgCUUU1U12()bgbgUU333CC444CC312421[()]CbgbgSCUUUUU311241()(21)RSCCbgbgSCCUUU1SC1RC10()SASXXPC10RARXC第3章不同集成度智能传感器系统介绍取：，则：。上式可变换为：d）传感器灵敏度的调整：用程控电容阵列开关，选定不同的比值。2）带隙电压基准电路a）从上面推导出的输出表达式中，输出信号电压与基准电路提供的电压成正比，因此可通过调整带隙电压的温度系数来补偿灵敏度温度系数的影响，达到温度补偿和校正的目的。b）提供高稳定度的电压值。3）传感器的结构设计结构：方形膜片（单岛型）＋上下两片硼硅玻璃。引线：由金属化的玻璃表面引出。1112RSCC12RSAA31240()2()CXPbgbgSCXUUUU34CC第3章不同集成度智能传感器系统介绍加工工艺：掩蔽腐蚀＋阳极键合＋微加工技术尺寸：8.4mm×6.2mm。4、具有频率或数字输出的单片集成传感器优点：测量精度和分辨率高；抗干扰能力强；直接进行数字信号处理（或简单预处理）；提高了系统的可靠性和响应速度；成本低。结构形式：硅微结构谐振式、声表面波（SAW）式、电子振荡式、触发器式。1）硅微结构谐振式特点:微型化、功耗低、响应快、易集成。激励方式：热激励、光激励、电磁激励。a）电阻热激励主要是提供了一个热激励源，该激励以加热电阻的形式实现。当加热电阻通以带有直流分量的交变电压时，会引起膜片的温度应力产第3章不同集成度智能传感器系统介绍生交变，当其频率与膜片的自激频率一致时，膜片将发生谐振。通过～组成的电桥检测到含的输出信号。该信号一方面作为测量信号，另一方面可将它反馈到加热电阻R上，构成微结构谐振式传感器的闭环自激系统。当膜片受压力作用时，膜片谐振子的谐振频率将产生变化，压力与频率之间有一定的对应关系。需要注意的问题：、的特性，、的特性要一致。书中有错误，页，图3－17ii)注意桥路电源电压对膜片温度分布的影响。b）光激励1R4Rcost132414230()()RRRRRRRRUU1R3R2R4R94P0U第3章不同集成度智能传感器系统介绍第3章不同集成度智能传感器系统介绍加上光激励信号，且光激励信号频率ω与悬臂梁的谐振频率相等时，悬臂梁会出现谐振现象，通过测量光纤对管中接收光纤的信号变化就可以测出ω值，见下图。c）电磁激励电磁激励实际上由激励线圈＋激励硅梁＋拾振硅梁＋拾振线圈＋与梁中电流方向相垂直的磁场组成，其中磁场由永久磁铁提供。当被测压力作用时，膜片产生形变，中心处和边缘处的应力方向相反，中心处受拉，边缘处受压。中心处硅谐振梁的频率增加，边缘处的频率则下降，最高精度可达0.01％FS。用测量频率差的方法检测压力，可以抑制环境温度等外界因素造成的误差。2）声表面波（SAW）式（surfaceacousticalwave）a）波的类型第3章不同集成度智能传感器系统介绍第3章不同集成度智能传感器系统介绍纵波：，质点振动平行于传播方向；横波：，质点振动垂直于传播方向；E：弹性模量，ρ：密度，γ：泊松比。各向异性物质中声波的传播：固体有界时，由于边界变化的限制，可出现各种类型的声表面波：瑞利波、电声波、乐甫波、广义瑞利波、拉姆波等。就波的传播速度与频率有无关系，分为色散波和非色散波（瑞利波、电声波）。b）声表面波的主要性质：i)SAW的