《集成智能传感器的新进展.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成智能传感器的新进展.doc（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、集成智能传感器的新进展 李炳乾朱长纯刘君华(西安交通大学电信学院电子工程系,西安710049)摘要: 阐述了集成智能传感器的概念,对集成智能传感器理论和技术等方面的国际研究热点作了分析,介绍了几种具有代表性的智能传感器,并提出了我国应采取的对策。关键词:集成化;智能化;传感器集成智能传感器1的概念提出来仅仅十余年，但近年发展很快，国外刊物上关于新型集成智能传感器研制的报道很多，国内一些著名高校和研究所也在开展此类工作。集成智能传感器主要是指利用集成电路工艺和微机械技术将传感器敏感元件与功能强大的电子线路集成在同一芯片上(或二次集成在同一外壳内)，通常具有信号提取、信号处理、逻辑判断、双向通讯、
2、决策、量程切换、自检、自校准、自补偿、自诊断、计算等功能。和经典的传感器相比,集成智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。集成智能传感器的优点使它成为目前传感器研究的热点和传感器发展的主要方向,必将主宰下个世纪的传感器市场。1集成智能传感器的发展方向集成电路和微机械工艺促进了传感器技术的发展,改变了传感器作为单纯物理量转换的传统概念。目前,传感器的发展主要集中在集成化和智能化两个方面。传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列，主要有三个方面的含义：一是将多个功能完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上，用来测量被
3、测量的空间分布信息，例如压力传感器阵列或我们熟知的器件。二是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成，例如将不同气敏传感元集成在一起组成“电子鼻”，利用各种敏感元对不同气体的交叉敏感效应，采用神经网络模式识别等先进数据处理技术，可以对混合气体的各种组分同时监测，得到混合气体的组成信息，同时提高气敏传感器的测量精度；这层含义上的集成还有一种情况是将不同量程的传感元集成在一起，可以根据待测量的大小在各个传感元之间切换，在保证测量精度的同时，扩大传感器的测量范围。集成化的第三层含义是指对不同类型的传感器进行集成，例如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的传感器，能同时测到环境中的物
4、理特性或化学参量，用来对环境进行监测。集成电路和各种传感器的特征尺寸已达到亚微米和深亚微米量级,由于非电子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其体积、重量、价格等的减小。智能化是将传感器(或传感器阵列)与信号处理电路和控制电路集成在同一芯片上(或封装在同一管壳内)。系统能够通过电路进行信号提取和信号处理，根据具体情况自主地对整个传感器系统进行自检、自校准和自诊断，并能根据待测物理量的大小及变化情况自动选择量程和测量工作方式。和经典的传感器相比，集成智能传感器能够减小系统的体积、降低制造成本、提高测量精度、增强传感器功能，是目前国际上传感器研究的热点,也是未来传感器发展的主流。2 智能传感器的研究热
5、点2.1物理转化机理理论上讲,有很多种物理效应可以将待测物理量转换为电学量2。在智能传感器出现之前，为了数据读取的方便，人们选择物理转化机理时，被迫优先选择那些输入-输出传递函数为线性的转化机理，而舍弃掉其他传递函数为非线性，但具有长期稳定性、精确性等性质的转换机理或材料。由于智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递函数对传感器应用的制约，所以一些科研工作者正在对这些稳定性好、精确度高、灵敏度高的转换机理或材料重新进行研究。例如，谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点3，但以前频率信号检测需要较复杂的设备，限制了谐振
6、式传感器的应用和发展，现在利用同一硅片上集成的检测电路，可以迅速提取频率信号，使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域的一个研究热点。2.2 数据融合理论数据融合4是智能传感器理论的重要领域，也是各国研究的热点。数据融合通过分析各个传感器的信息，来获得更可靠、更有效、更完整的信息，并依据一定的原则进行判断，作出正确的结论。对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命，进而实现识别、判断和决策。多传感器系统的融合中心接受各传感器的输入信息,得到一个基于多传感器决策的联合概率密度函数,然后按一定的准则做出
7、最后决策。融合中心常用的融合方法有错误率最小化法、-法、自适应增强学习法、-r法、广义证据处理法等等。传感器数据融合是传感器技术、模式识别、人工智能、模糊理论、概率统计等交叉的新兴学科,目前还有许多问题没有解决，如最优的分布检测方法、数据融合的分布式处理结构、基于模糊理论的融合方法、神经网络应用于多传感器系统、多传感器信号之间的相互耦合、系统功能配置及冗余优化设计等,这些问题也是当今数据融合理论的研究热点。2.3 工艺兼容的传感器智能传感器是受集成电路工艺的启发而发展起来的，而且如何充分利用已经十分成熟的大规模集成电路技术，是智能传感器降低成本，达到批量生产的最可行、最有效的方法。但是传统的微
8、机械传感器制作工艺与工艺兼容性较差，使得传感器敏感单元与大规模集成电路进行单片集成有一定困难，限制了智能传感器体积缩小、成本降低和生产率提高。目前，在研究二次集成技术的同时，智能传感器在工艺上的研究热点集中在研制与工艺兼容的各种传感器结构及其制造工艺流程，这种思想在下面几个例子中得到充分反映。3 集成智能传感器系统举例等人5用磁控溅射方法将四种气敏材料(2(含1%),(含6%23),3和) 淀积在薄膜上组成气敏传感器阵列。利用这个阵列对不同材料的交叉灵敏度，结合组分分析和神经网络模式识别等先进的数据处理技术组成了电子鼻系统，经过10000次学习后，电子鼻对12种气体样品(3,(3)3,25和气
9、体浓度为0 1-100)的鉴别率高达100%，经过20000次学习的电子鼻,对六种气味(胡萝卜、大葱、女士香水()、男士香水()、25%酒精()、40%酒精(威士忌)鉴别率能达到93%。1996年6等人报道了一种微型血液流量传感器。传感器制作在晶片()上,尺寸为15,可以放置在直径2的导管内工作。制造传感器时,在标准的2工艺基础上,添加了两个制造步骤,传感器的制造过程与工艺完全兼容。在的单晶硅层上外延生长一层厚度为5的硅层,用等离子体刻蚀的方法,在外延硅层上刻蚀出5深的隔离槽,再在1025进行热氧化,使得隔离槽被二氧化硅充满,隔离槽具有热隔离作用,可以提高流量传感器的灵敏度和降低功耗,同时隔离
10、槽还充当了阱和阱间的电学隔离,能够避免阱和阱间渗漏电流产生。采用标准的工艺,在晶片上进行离子注入形成阱和阱,并进一步制作温敏二极管、输出放大电路、电压脉宽调制电路和时序控制电路,整个电路也由标准的工艺制成。1996年等人7报道了在西门子公司0 8生产线上,利用“纯粹”的工艺制成的集成加速度传感器，传感器测量最大值是50(重力加速度)，分辨率为0 .5。这里所谓“纯粹”工艺指的是在整个芯片制造过程中,采用的全部是0 8工艺中的膜层生长和腐蚀工艺，利用了标准工艺中多晶硅栅层(350)制作加速度传感元的质量块，利用场氧化层(600)作为质量块悬挂过程的牺牲层。集成在同一芯片上的专用集成电路包括数字部
11、分和模拟部分，数字部分是一个11520个晶体管组成的门海(-)，其中有效部分为76%。晶体管组成了四个数字模块：400信号发生器,25-开/关计数器,乘法器(由一个减法器和一个除法器构成),控制器(由78个逻辑门构成)。模拟部分主要有低频振荡器,恒流源等。整个传感器系统制造过程有15次光刻,使用了14块掩模板。与制造传感器电路部分相比,整个传感器系统的制造仅增加了一次光刻和其它很少的几个工艺步骤,添加的工艺步骤少于5%。图1混合智能传感器系统组成框图等在95上报道了一种采用二次集成技术制造的混合智能传感器系统8,图1是系统组成框图。这套智能传感器系统在同一个管壳内封装了微控制器、检测环境参数的
12、各种传感元、连接传感元和控制器的各种接口/读出电路、电源管理器、晶振、电池、无线发送器等电路及器件,具有数据处理功能,并且可以根据环境参数的变化情况,自主的开始测量或者改变测试频率,具有了智能化的特点。智能传感器系统的核心是公司的6811微控制器(),其中包含有内存、八位/、时序电路、串行通信电路。与前台传感器间内部数据传递通过内部总线进行。传感系统包括了温度传感器、压力传感器阵列、加速度传感器阵列、启动加速度计阵列、湿度传感器等多种传感器或传感器阵列。将传感器的测量数据转换为标准格式,并对数据进行储存,然后通过系统内的无线发送器或-232接口传送出去。传感器由6电池供电,功耗小于700,至少
13、能够连续工作180天。整个智能传感器微系统的体积仅仅为53,相当于一个火柴盒那么大。就目前的文献报导来看,公司等人报导的单片集成压力传感器9堪称单片集成智能传感器的典范。整个传感器系统制作在一个()晶片上,利用晶片10可将传感器的敏感元件放在二氧化硅介质的一边,集成电路放在其另一边,很完美地将敏感元件与集成电路部分隔开,同时也与恶劣环境隔开。另外,晶片中的2埋层可以作为微加工中的腐蚀终止层,简化微机械加工的工艺步骤。在一个晶片上集成了压阻式压力传感器,温度传感器,用于信号调整的模拟电路,电压、电流调制器,八位内核(6805),10位模数转换器(/),八位数模转换器(/),2字节,128字节,启
14、动系统()和用于数据通迅的外围电路接口,其输出特性可由的软件进行校准和补偿,在相当宽的范围内具有极好的精度。4对我国智能传感器发展的一点思考目前,集成电路技术发展非常迅速,我国因为资金和技术等方面的不足,同国外的差距很大.国外集成电路的主流工艺是0 35工艺,正在向0 18推进,而我国还是13的工艺线占主导地位,在未来的一、二十年内,我国很难在集成电路制造领域同国外一41第24卷2期半导体杂志1999年4月些大公司抗衡。集成智能传感器是较新的发展领域,具有广阔的市场。它利用的主要是集成电路工艺,但比集成电路的主流工艺要落后两到四代,如果我们国家能把智能传感器的研制和生产作为半导体工业的主要发展方向之一,就可能独辟蹊径,利用现有的工艺线和我国在劳动力和市场等方面的优势,在世界半导体工业领域争得一席之地,并为集成电路技术最终达到国际领先水平积累资金和技术。参考文献1刘君华主编.智能传感器系统.西安:西安电子科技大学出版社,19982.(),1996,56:11153.:,1985,18(2):1031134,.,1996,-32(2):5245305,.(),1996,35-36:338
