科大版智能传感器课件3复习课程

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1、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,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。,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

2、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，ST3000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。,3.1 传感器的集成化和智能化,在初级形式的基础上增加了微处理器和硬件接口

3、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

4、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。,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：1.5mm2 4）电路结构（见下图）： a） ：5k； b) 、 构成同向放大器；,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,优点：

5、输入阻抗高，共模抑制比高。 放大倍数： ，改变 ，可以调整 。,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,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：0100kPa；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,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,到压力时，原来结构中的导带和价

6、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 ：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。,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,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。,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,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

7、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。（电路图参见教材P87） 的作用：进行零位温漂补偿；提高输入阻抗。,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,的作用：将差分输出转换为单端对地输出；通过

8、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,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,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

9、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：,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,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：,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,取： ，则： 。 上式可变换为： d）传感器灵敏度的调整：用程控电

10、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。,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,加工工艺：掩蔽腐蚀阳极键合微加工技术 尺寸：8.4mm6.2mm。 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

11、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,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,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

12、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317 ii) 注意桥路电源电压 对膜片温度分布的影响。 b）光激励,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,加上光激励信号，且光激励信号频率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 就可以测出值。（见P95页，图3-19） 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

13、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0.01FS。 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（surface acoustical wave） a）波的类型,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,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，：密度，：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

14、）声表面波的主要性质： i) SAW的反射及模式转换,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,压电晶体表面蒸上金属指条；表面 刻有沟槽均能引起波的反射。 ii) 波束的偏离与衍射效应 iii) 声表面波的衰减： 偏离与衍射；表面波与材料热声子相互 作用引起；材料表面粗糙在传播时不断向气 体中辐射声波（与气体性质、气压有关）。 c）声表面波叉指换能器 叉指周期：T2a2b,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,W换能器的孔径；ab，声波波长： ； ， 工作频率只受加工工艺限制。 若因外界因素的影响，引起v与的变化，则 产生变化。 ，：应变率； ，常数。 d）声表面波传感器 i) 声表面波振荡器

15、 R型（反射） DL型（延迟线型） ii) SAW力和加速度传感器 利用：应力作用，使基片的弹 性系数和密度发生变化，应力在SAW传 播方向上产生应变，使L和改变，SAW的传播速度和频率也相应地变化。 灵敏度： ，由于 ，,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,石英晶片地灵敏度：0.51.5kHz/N，压电陶瓷片：10kHz/N。 iii) SAW气体传感器 以延迟线振荡器为基础，气体地吸附作用转变为覆盖层密度的变化， SAW延迟线传播路径上的质量负载效应使SAW波速发生变化 ，进而引起频 偏。 e）构成,3.2 集成化智能传感器系统的初级形式,声表面波谐振器（SAWR）（由叉指换能器金属栅条式反射器构成） 放大器匹配网络（实际上就是移相网络电路） f）加工工艺：金属淀积工艺光刻技术 工作原理：基于压电材料的逆压电和正压电效应。在激励SAW叉指换 能器上加上适当频率的交变电信号后，压电基底内部会产生交变电场分 布，由于逆压电效应，激励叉指换能器的叉指电极间的材料将产生周期形 变，这种周期性的形变就产生沿叉指两侧表面传播出去的SAW，其频率等 于所施加电信号的频率。当这种SAW通过基底传播到接收叉指换能器时， 借助正压电效应，接受叉指换能器将输出交变的电信号。 起振后的振荡频率会随