现代传感器技术-9-集成传感器和微传感器-2016

现代传感器技术—面向物联网应用第四篇发展中的传感器技术—集成传感器和微传感器9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化传感器集成化概述典型集成传感器9.2机械量微传感器微机械加工技术与机械量微传感器概述典型微机械压力传感器加速度微传感器微机械陀螺微型磁通门磁强计9.3热和红外辐射量微传感器声表面波温度传感器红外热敏微传感器基于MEMS技术的气体微传感器2020/2/2422020/2/2439集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.1传感器集成化概述1）集成化集成传感器：采用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的传感器。含义(1)将敏感元件与其转换或调理电路集成在同一芯片上；(2)将多个相同或不同的敏感元件集成在同一芯片上形成敏感元阵列。典型的集成化传感器功能框图9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.1传感器集成化概述2)主要实现途径(1)各种调节和补偿电路的集成；(2)信号放大和阻抗变换电路的集成；(3)信号数字化电路的集成；(4)多敏感元件或传感器的集成；(5)信号发送接收电路的集成。2020/2/2449集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.1传感器集成化概述3)集成化的特点与趋势特点：（a）体积小;（b）反应快;（c）抗干扰能力强;（d）功能强;（e）精度高;（f）性能稳定;（g）输出标准化信号或数字信号趋势：由于以半导体为基材的物性型传感器的制作工艺与集成电路工艺兼容，目前与电路集成的集成传感器以物性型的居多。利用MEMS技术制作微型敏感结构的结构型集成传感器已商用化，如集成加速度计、陀螺仪等，这已改变了集成传感器以物性型为主的局面。集成电路技术和MEMS技术的进一步发展，使电路与敏感元件的集成将越来越多，集成传感器的功能也将越来越强。9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2典型集成传感器1.集成压力传感器(1)带温度补偿的集成压力传感器2020/2/246带温度补偿电路的集成压力传感器电路原理图补偿原理：R5、R6和晶体管V构成温度补偿电路，用于供桥电源。当V的IB远小于IR5、IR6时，Uce＝Ube(R5+R6)/R6,UB=Uce−Ube(R5+R6)/R6温度升高使Ube下降，引起Uce降、UB升,补偿压阻灵敏度随温升而下降所致误差。优点：简单、体积小、成本低，而且补偿效果良好。9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2典型集成传感器1.集成压力传感器--(2)频率输出型集成压力传感器组成：力敏电阻电桥+电压/电流变换(V1~V6)+电压/频率工作原理：先将模拟信号变换成频率信号，再变换成数字信号。如图所示，电桥的输出电压经V1～V6变换成电流信号。V6的输出电流和电容决定了最后部分施密特触发器的转换频率，从而实现了将电压信号转换为频率信号。2020/2/247频率输出型的单块集成压力传感器电路原理图9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2典型集成传感器2.霍尔集成传感器概念:利用硅集成电路制造工艺，将敏感部分（霍尔元件）和信息处理部分集成在同一硅片上，从而达到微型化、高可靠、长寿命、小功耗、负载能力强等目的。组成：霍尔元件+差分放大+施密特触发器+输出分类:开关型和模拟型。2020/2/248开关型霍尔集成传感器电路原理图9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2典型集成传感器3.典型集成产品—SHT11/15温湿度传感器利用基于湿敏电容的相对湿度传感器和基于带隙电路的温度传感器进行监测。性能特点(a)低功耗:上电默认为休眠模式，电流仅0.31A（典型值）。工作完成后可自动返回休眠模式。(b)具有低电压检测功能:为保护芯片，电源电压低于2.45±0.1V时不工作。(c)互换性好，抗干扰能力强，基本不需外接元件；湿度传感器不受压力变化影响，高压下也可测湿度。(d)分辨率低，默认分别为14bit、12bit。降低分辨力可提高测量速率，减小功耗。2020/2/2499集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2典型集成传感器3.典型集成产品—SHT11/15温湿度传感器性能特点(e)内有加热器（在+5V下电源电流也增加8mA）可实现三种功能：①比较加热前、后测出的相对湿度值及温度值，确定传感器是否正常工作；②通过加热，避免潮湿环境下传感器凝露；③测露点时使用加热器。具体性能参数：测量范围0～100%RH，最高分辨力0.03%RH(12bit)或0.5%RH(8bit)，最高测量精度分别为±2%RH和±4%RH，响应时间4s，长期稳定性1%RH/年，测温范围是−40～+123.8℃，最高分辨力0.01℃(14bit)或0.04℃(12bit)，重复性误差+0.1℃，响应时间5～30s。2020/2/24109集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2典型集成传感器3.典型集成产品—SHT11/15温湿度传感器工作原理:先用两只传感器分别产生相对湿度和温度信号,经放大后分别送A/D转换器进行A/D转换、校准和纠错，最后通过两线串行接口将相对湿度和温度数据送至微机，由微机完成非线性补偿和温度补偿。2020/2/2411SHT11/15的引脚排列SHT11/15湿度/温度传感器内部电路框图9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2集成磁阻传感器1.AMR磁阻传感器各向异性磁阻（AMR）传感器是一种可敏感磁场范围的磁微传感器。其可敏感静磁场的强度及方向。在外磁场作用下，AMR薄膜的磁阻特性使电阻改变2%～3%。工作原理:无外界磁场时，坡莫合金的内部磁极化强度与电流方向平行(图中自左向右)。若外界磁场H与坡莫合金平面平行但垂直于电流方向，则坡莫合金内部磁极化强度方向将产生角度为α的旋转。因此，坡莫合金的电阻值将改变，即：R=R0+ΔR0cos2α其中，R0及ΔR0由合金材料的参数所确定。坡莫合金的磁阻效应9集成传感器和微传感器2020/2/2413AMR磁阻变化与角度之间的关系AMR元件的理发店招牌式偏置HMC1001单轴磁阻传感器的结构和等效电路示意图9.1传感器的集成化9.1.2集成磁阻传感器1.AMR磁阻传感器9集成传感器和微传感器2020/2/2414HMC1001传感器的简单应用举例该电路为接近传感器的检测电路，在距传感器5～10mm范围内放置磁铁时，点亮LED。9.1传感器的集成化9.1.2集成磁阻传感器1.AMR磁阻传感器优点:成本低、灵敏度高、体积小、噪声低，可靠性高、适应性强、容易安装。9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2集成磁阻传感器2.GMR磁阻传感器工作原理:基于巨磁阻效应。如图a，由一层非磁性导电材料分开的两层磁性材料组成“三明治”结构。图b在界面上的散射小，传导电子的平均自由行程长，电阻较小；图c在界面上的散射大，传导电子的平均自由行程短，电阻较大.薄膜的厚度在10nm以下。2020/2/2415多层薄膜的巨磁阻效应9集成传感器和微传感器9.1传感器的集成化9.1.2集成磁阻传感器2.GMR磁阻传感器应用:巨磁阻效应主要用来制作磁记录装置中的读/写头。这种微传感器可用于测量低强度的磁场。缺点:需要工作在偏置磁场环境中。2020/2/2416AMR、GMR和霍尔传感器的一般特性参数AMR传感器GMR传感器霍尔传感器测量范围/mT25260最大输出2%～5%4%～20%0.5V/T频率范围达50MHz达100MHz25kHz（典型值）1MHz（可实现值）温度系数较好良好由传感器类型决定最高使用温度/℃200200150成本中等偏高中等偏低低9集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.1微机械加工技术与机械量微传感器概述1)微机械与位传感器技术简介MEMS技术：可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，包括接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。它随半导体集成电路（IC）微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，具有小型化、集成化的特点。微机械加工技术是MEMS技术中的一项关键技术，它利用硅片的刻蚀速度各向异性和刻蚀速度与所含杂质有关的性质，以及光刻扩散等微电子技术，在硅片上形成穴、沟、锥形等各种形状，从而构成膜片、悬臂梁、质量块等弹性元件。将这些元件组合就可构成微机械系统。利用该技术，可将检测力、压力、加速度和浓度的传感器，全部制作在硅片上。2020/2/24179集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.1微机械加工技术与机械量微传感器概述1)微机械与微传感器技术简介微传感器（1）概念-采用MEMS技术制作的、芯片的特征尺寸为微米级的各类传感器的总称。（2）特点-（a）微型化和集成化（b）高精度和长寿命-（c）低成本和低功耗（d）快速响应9集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.1微机械加工技术与机械量微传感器概述2)微传感器分类2020/2/2419分类方式类别按敏感元件的转换原理物理微传感器、化学微传感器、生物微传感器等按被测量的性质体积分数微传感器、离子浓度微传感器、加速度微传感器、压力微传感器等按制备技术和使用材料薄膜微传感器、半导体微传感器、陶瓷微传感器等按应用领域汽车用微传感器、医用微传感器、航空航天用微传感器等按微传感器的组成方式阵列式微传感器、网络化微传感器等9集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.1微机械加工技术与机械量微传感器概述3．机械量微传感器在现有微传感器中，机械量微传感器占据了非常重要的地位，一方面是因为实际应用中需要检测的机械量非常多；另一方面是因为传统的机械量传感器尺寸普遍偏大，影响性能，不利于使用。而现在利用微机电加工技术能够制造出同为结构型，但尺寸小两三个数量级且性能更稳定、使用更方便的机械量微传感器。由于机械量微传感器的功耗和成本要远小于传统的机械量传感器，因此非常适合无线传感器网络和物联网中的应用。9集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.2典型微机械压力传感器1.电容式压力微传感器工作原理：压力测量通过检测膜变形所导致的压力敏感膜与固定基片上敏感电极之间的间隙变化实现。优点：功耗低、灵敏度高、温度特性好、漂移小。2020/2/2421电容式压力微传感器的常见结构9集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.2典型微机械压力传感器2.硅谐振式压力微传感器工作原理：利用压力变化来改变谐振器的谐振频率，通过测量频率变化来间接测量压力。其中谐振器−微谐振梁的激励大多采用热激励或静电激励方式。2020/2/2422硅谐振梁式压力微传感器的结构示意图如图，传感器振动的激励方式可采用静电激励或电热激励，拾振用压阻，以低应力厚氮化硅双端固支梁作为谐振器，通过检测梁的固有谐振频率，达到检测压力的目的。工艺结构：9集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.3加速度微传感器利用敏感质量块或振动块测加速度关于加速度微传感器的3点常识：①一般包括一个质量块、弹性环节及位移微传感器。②总体性能受弹性环节的机械性能(如线性、动态范围、对其他轴向加速度的敏感等)和位移传感器的灵敏度限制③其带宽越高，所需的位移检测分辨率越高。(a)压阻式加速度微传感器工作原理:利用质量块敏感加速度，将加速度转换为质量块的位移，并通过压阻来测量质量块的位移。2020/2/24239.2机械量微传感器9.2.3加速度微传感器-压阻式加速度微传感器优点:制造工序简单，结构简单，外形小巧，性能优越，检测电阻变化的电子线路也相对简单等。缺点:温度敏感，灵敏度较低等。9集成传感器和微传感器2020/2/2424一种具体的单悬臂梁压阻式加速度微传感器结构悬臂梁式压阻式加速度微传感器结构示意图9集成传感器和微传感器9.2机械量微传感器9.2.3加速度微传感器-电容式加速度微传感器工作原理：将质量块的运动转换为电极极板间电容的变化，通过电容值的测量来得