现代传感技术与系统

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1、3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用3.4.2 触觉传感的特点及相关研究触觉传感的特点及相关研究3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像3.4.5 有源传感有源传感3.4.6 触触觉觉传传感感的的功功能能延延伸伸-集集成成化化磁磁传传感感技技术术第三章(4)1现代传感技术与系统3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统l触触觉觉: :接接触触、滑滑动动、压压觉觉等等机机械械刺刺激激的的总总称称, ,与与皮皮肤肤

2、功功能能相相类类似似的智能机制。的智能机制。l人人依依靠靠表表皮皮的的游游离离神神经经末末梢梢能能感感受受温温度度、痛痛觉觉、触触觉觉等等多多种种感感觉觉 ，除视觉以外，触觉接受外界的信息量最多。，除视觉以外，触觉接受外界的信息量最多。l人人类类触触觉觉的的产产生生: :皮皮肤肤内内的的触触觉觉细细胞胞，感感知知: :触触觉觉、压压感感、痛痛觉觉、温度等。温度等。l功能延伸实现：温度传感器、压力传感器、磁传感器功能延伸实现：温度传感器、压力传感器、磁传感器l触触觉觉、压压感感的的外外部部激激励励来来自自皮皮肤肤的的力力学学性性变变形形，与与空空间间压压力力梯梯度、变形大小、速度及激励面积有关。

3、度、变形大小、速度及激励面积有关。第三章(4)2现代传感技术与系统3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统灵敏的灵敏的生物触觉：生物触觉：l超超过过身身体体长长度度2.52.53 3倍倍的的蟋蟋蟀蟀与与虾虾的的触触须须，确确认认远远处处物体所在的位置，判别其大小。物体所在的位置，判别其大小。l眼眼镜镜蛇蛇对对温温度度可可达达0.0010.001的的分分辨辨力力：高高灵灵敏敏度度并并不不能能保证判断的准确性。保证判断的准确性。l给给人人的的启启示示：不不仅仅要要注注重重信信息息的的获获取取，而而且且要要注注重重信信息获取后的分析、处理。息获取后的分析、处理。第三章

4、(4)3现代传感技术与系统3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统 今今天天的的多多功功能能集集成成化化传传感感器器和和智智能能化化传传感感器器：兼兼顾顾了了信信息息获获取取与与处处理理两两种功能。种功能。l多多功功能能传传感感器器依依靠靠敏敏感感材材料料的的多多种种功功能能，依依靠靠器器件件内内部部构构造造或或外外部部信信号号处处理理系统，同时检测多种参量。系统，同时检测多种参量。l智智能能化化传传感感器器具具有有对对环环境境的的自自适适应应能能力力（即即具具有有学学习习、识识别别、判判断断和和逻逻辑辑处处理功能）。理功能）。l实实例例：医医学学上上利利用用红

5、红外外温温度度传传感感器器和和光光学学系系统统组组合合在在一一起起的的红红外外摄摄像像机机，可可以根据体温分布、根据身体体温下降的部分，准确地发现乳腺癌。以根据体温分布、根据身体体温下降的部分，准确地发现乳腺癌。l对磁场的感受，某些候鸟以此实现牵徙定位。工程霍尔元件的利用对磁场的感受，某些候鸟以此实现牵徙定位。工程霍尔元件的利用第三章(4)4现代传感技术与系统3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用机器人技术对触觉传感的需求：机器人技术对触觉传感的需求：l目目的的：检检测测机机器器人人的的某某些些部部位位（如如手手或或足足）与与外外界界物物体体是是否否接接触触，识识别别

6、物物体体的的形形状状和和在在空空间间的的位位置置，保保证证机机器器人人的的手手能能牢牢固固地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。l与与应应用用视视觉觉传传感感器器的的比比较较，系系统统造造价价更更低低，控控制制更更简简单单，尤尤适适用用与与暗暗处处或或障障碍碍物物存存在在于于视视觉觉传传感感器器和和对对象象物物之之间间无无法法获获得得视视觉信息的地方。觉信息的地方。第三章(4)5现代传感技术与系统3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用机机器器人人主主要要用用手手指指来来接接触触物物体体。故故要要求求在在手手指指表表面面大大

7、范范围围地地分分布布相相同同的的触触觉觉传传感感器器；用用类类似似人人的的皮皮肤肤那那样样柔柔软软而而富富有有弹弹性性的的材材料料制制作作机机器器人人的的手手，藉藉以以增增大大与与物物体体的的接接触触面面，牢牢固固地地握握住住物物体体。此此外外，还还希希望望触触觉觉传传感感器器形形体体小小、重重量量轻轻、灵灵敏敏度度高高、集集成成度度高高、可可靠性高。靠性高。第三章(4)6现代传感技术与系统3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用当今压力、温度两种传感器在工程界的广泛应用：当今压力、温度两种传感器在工程界的广泛应用：l约约占占整整个个传传感感器器市市场场的的5060，近

8、近年年来来朝朝集集成成化化、小小型型化化、实实现现特特殊殊检检测测等方面的发展趋势：等方面的发展趋势：l可达可达8000温度上限、用于核聚变研究的激光温度传感器；温度上限、用于核聚变研究的激光温度传感器；l80年年代代已已推推出出的的ST3000系系列列传传感感器器：在在同同一一敏敏感感芯芯片片上上具具有有压压力力、差差压压、温温度三个量检测功能的集成传感器；度三个量检测功能的集成传感器；l美美国国库库利利特特（kulite）公公司司生生产产的的CQ030微微型型压压力力传传感感器器：小小到到0.76毫毫米米、可可穿穿过过普普通通缝缝衣衣针针的的针针眼眼，测测量量范范围围为为100500PSi

9、，本本征征频频率率为为1500KHz，适用于风洞测量；适用于风洞测量；l前前苏苏联联研研制制的的高高可可靠靠性性热热电电阻阻：连连续续工工作作率率在在2000小小时时内内不不小小于于99，使使用用期长至期长至10年。年。第三章(4)7现代传感技术与系统3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用磁敏传感器的广阔应用市场：磁敏传感器的广阔应用市场：l国内每年用于数控车床的高精度磁敏开关，需要国内每年用于数控车床的高精度磁敏开关，需要10万支以上；万支以上；l用用于于汽汽车车点点火火系系统统，每每年年40万万套套以以上上。（在在低低转转速速时时也也能能稳稳定定点火的霍尔元件）点

10、火的霍尔元件）存在问题：存在问题：l元件国产化程度太低造成整支传感器的成本过高。元件国产化程度太低造成整支传感器的成本过高。l发发展展还还相相对对较较慢慢，人人们们迫迫切切希希望望与与其其相相关关的的装装置置和和处处理理技技术术都都能够获得尽快的发展以满足日益增长的需求。能够获得尽快的发展以满足日益增长的需求。第三章(4)8现代传感技术与系统3.4.2 触觉传感的特点及相关研究触觉传感的特点及相关研究l触觉传感的特点触觉传感的特点：大敏感区域，柔性传感材料和高密度的检测。：大敏感区域，柔性传感材料和高密度的检测。l当务之急：研制新型传感材料和新型结构。当务之急：研制新型传感材料和新型结构。l有

11、有源源激激励励传传感感技技术术：（触触觉觉传传感感器器不不可可能能与与机机器器人人执执行行器器的的运运动动分分开开考考虑虑）机机器器人人的的运运动动要要通通过过触触觉觉传传感感器器探探测测信信息息，而而感感官官反反馈馈技技术术则则用于控制。用于控制。l触觉传感与视觉传感信息的合成：确保实现准确测量的一个重要途径。触觉传感与视觉传感信息的合成：确保实现准确测量的一个重要途径。 总总起起来来说说，与与触触觉觉传传感感相相关关的的研研究究方方向向包包括括：有有源源感感知知、传传感感器器融融合合、智智能能传传感感器器、触触觉觉图图像像，接接触触感感的的柔柔韧韧性性、分分辨辨率率和和大大面面积积触感等方

12、面。触感等方面。 第三章(4)9现代传感技术与系统3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器1 1、 触觉传感器的中心点探测触觉传感器的中心点探测 压压力力感感应应橡橡胶胶实实现现的的触触压压分分布布区区中中心心位位置置的的测测定定：如如图图3.4.13.4.1所示，所示， r rp p：S S层电阻，反映分布压力层电阻，反映分布压力p p在单位面积上沿厚度方向的变化。在单位面积上沿厚度方向的变化。 在在A A层层和和B B层层上上，由由表表面面电电阻阻r r分分别别产产生生分分布布电电压压v vA A（x x，y y）和和v vB B（x x，y y）。）。 由由于于随随压压力力而而变变的的电

13、电阻阻r rp p的的存存在在，从从A A层层到到B B层层产产生生了了分分布布电电流流i i（x x，y y）。）。 根据该传感器的基本原理，可以用泊松方程来描述分布电流：根据该传感器的基本原理，可以用泊松方程来描述分布电流：第三章(4)10现代传感技术与系统第三章(4)11现代传感技术与系统3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 （3 36666） 在在传传感感区区域域D D建建立立起起直直角角坐坐标标（u u，v v），四四条条边边分分别别为为S S1 1，S S2 2，S S3 3和和S S4 4，边边长长为为2 2a a，原原点点位位于于中中心心。以以坐坐标标u u表表征征的的从从

14、A A层到层到B B的一阶瞬时电流密度的一阶瞬时电流密度i i（x x，y y）为：为： （3 36767） 用方程（用方程（3 36767）减方程（）减方程（3 36666），根据格林定理有：），根据格林定理有： （3 36868） 其中其中n n为边界的法线方向，为边界的法线方向，m m为切线方向。为切线方向。第三章(4)12现代传感技术与系统3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 因因为为方方程程（3 36767）右右端端是是沿沿边边界界的的线线积积分分，经经边边界界条条件件的替换，该方程可以仅用电极电压的替换，该方程可以仅用电极电压 和和 表述：表述： （3 36969） 这这里里k

15、 k是是常常数数。 从从A A层层流流到到B B的的总总电电流流i i可可通通过过流流经经电电阻阻R R计计算算出出来来，再再把把这这一一数数据据与与方方程程（3 36969）结结合合起起来来，就就可可以以获获得得以以坐坐标标u u描描述述的的电电流流密密度度的的中中心心位位置置。利利用用一一个个简简单单电电路路，可可从从电电极极电电压压 和和 推推导导出出这这个个值值。应应用用同同样样的的处处理理方方式式于于B B层层，电电流流密密度度i i可可以以由由压压感感橡橡胶胶的的特特征征函函数数f f（p p）表表述述，从从而而检测到中点以及检测到中点以及f f（p p）的总和。的总和。第三章(4

16、)13现代传感技术与系统3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器2 2、第、第n n个瞬时的检测个瞬时的检测l采采用用蝶蝶式式快快速速富富里里叶叶变变换换电电路路实实现现富富里里叶叶变变换换的的特特征征提提取取, ,这这是是一种多层并行处理系统。一种多层并行处理系统。l将将先先前前由由部部分分微微分分方方程程描描述述的的分分布布系系统统转转换换为为由由差差分分方方程程描描述述的离散系统，利用多层并行处理电路检测模型瞬时特性。的离散系统，利用多层并行处理电路检测模型瞬时特性。第三章(4)14现代传感技术与系统3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器第三章(4)15现代传感技术与系统3.4.3 智

17、能触觉传感器智能触觉传感器3 3、VLSIVLSI并行处理触觉传感器并行处理触觉传感器l示例：图示例：图3.4.33.4.3。 整个处理过程采用局部模式的并行处理整个处理过程采用局部模式的并行处理 来来自自传传感感器器的的信信息息直直接接输输入入到到每每个个处处理理元元，仅仅有有四四个个相相邻邻的的处处理理元元相相互互连连接接（受受集集成成度度限限制制），各各种种处处理理可可通通过过ALUALU实实现现，包包括括三三个个八八位位寄寄存存器器和和一一个个四四位位乘乘法法器器。通通过过为为数数不不多多的的门门电电路路（每个处理元（每个处理元337337个门）使用位串行操作实现所需功能。个门）使用位

18、串行操作实现所需功能。第三章(4)16现代传感技术与系统第三章(4)17现代传感技术与系统3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 指指令令由由固固定定程程序序存存储储器器或或者者上上位位计计算算机机的的I/OI/O口口提提供供。传传感感器器由由8 8乘乘8 8矩矩阵阵形形式式的的测测压压点点设设置置于于两两层层基基片片下下面面的的基基座座上上。通通过过在在行行方方向向的的检检测测点点扫扫描描，来来自自行行的的信信号号被被单单一一处处理理元元处处理理。当当边边缘缘信信息息通通过过来来自自1 1位位模模式式的的逻逻辑辑操操作作被被提提取取出出来来，检检测测、处处理理和和输输出出就就在在8.38.

19、3微微秒秒内全部完成。内全部完成。 第三章(4)18现代传感技术与系统3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像l例例1 1：利用图像处理系统作为模式处理系统。：利用图像处理系统作为模式处理系统。 来来自自传传感感器器的的输输出出转转换换处处理理为为视视觉觉信信号号作作为为传传感感处处理理机机制制的的一一部部分分，感感应应信信息息是是压压力力分分布布信信息息。因因为为这这些些传传感感器器基基本本上上可可通通过过TVTV监监视视器器观观察察压压力力信信息，所以有时也称为触觉图像。如图息，所以有时也称为触觉图像。如图3.4.43.4.4所示。所示。 系系统统中中压压力力感感应应橡橡胶

20、胶作作为为压压力力敏敏感感材材料料，电电阻阻的的变变化化被被扫扫描描并并且且由由电电极极测定。测定。 关关键键问问题题：探探测测电电阻阻和和电电容容变变化化的的高高可可靠靠性性扫扫描描电电路路，在在防防止止通通过过其其它它测试点的信号通道产生串线干扰的同时，及时处理高速视觉信号。测试点的信号通道产生串线干扰的同时，及时处理高速视觉信号。第三章(4)19现代传感技术与系统3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像第三章(4)20现代传感技术与系统3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像例例2 2：应用基于：应用基于FFTFFT开关设计的完全无关性电路。开关设计的完全

21、无关性电路。 从从原原理理上上说说，这这种种方方法法可可实实现现高高速速扫扫描描而而不不产产生生串串线线干干扰扰，但但因因为为包包括括了了大大量量接接触触点点，因因此此要要求求较较高高的的集集成成化化。这这是是一一种种真真值值表表配配置置型型的的传传感感器器，以以6464乘乘6464矩矩阵阵检检测测压压力力分分布布，输输出出通通过过图图像像处处理理器器进进行行处处理理，这这样样压压力力分分布布的的边边缘缘和和轮轮廓廓信信息息可可以以提取出来并进行显示。提取出来并进行显示。第三章(4)21现代传感技术与系统3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像l例例3 3：一种测量身体压力的触

22、觉图像传感器。：一种测量身体压力的触觉图像传感器。 每每一一探探测测点点都都使使用用了了一一支支二二极极管管以以防防止止串串线线干干扰扰，扫扫描描电电路路能能在在很很大大的的触触觉觉图图像像范范围围内内以以较较高高精精度度与与之之配配合合。如如果果作作为为一一种种用用于于实实际际视视觉觉系系统统的的输输入入装装置置，这类传感器也是非常有用的。这类传感器也是非常有用的。 第三章(4)22现代传感技术与系统3.4.5 有源传感有源传感1 1、有源传感的基本结构、有源传感的基本结构 传感感信信息息的的处理理方方案案并并不不严格格地地局局限限于于传入入形形式式，有有时也也利利用用传感感器器的的运运动动

23、处处理理作作为为感感知知系系统统的的一一部部分分。这这种种方方法法叫叫做做有源传感器并用来处理传感器的定位问题或不定性问题。有源传感器并用来处理传感器的定位问题或不定性问题。 如如果果把把传传感感仅仅仅仅看看作作一一简简单单的的检检测测装装置置，那那么么要要实实现现所所有有期期望望的的传传感感功功能能是是很很困困难难的的，特特别别是是对对于于安安装装了了执执行行器器的的触触觉觉传传感感器器来来说说更更是是如如此此。所所以以有有必必要要把把传传感感问问题题看看作作包包括括了了执执行行器系统在内的有源处理过程。器系统在内的有源处理过程。第三章(4)23现代传感技术与系统3.4.5 有源传感有源传感

24、 对有源传感来说，主要有三种传感构造。对有源传感来说，主要有三种传感构造。 第第一一种种结结构构是是产产生生运运动动测测量量，传传感感器器在在测测量量范范围围内内捕捕捉捉目目标标。如如果经常性处理的是单一传感信息，这种操作功能的实现是困难的。果经常性处理的是单一传感信息，这种操作功能的实现是困难的。 第第二二种种结结构构是是防防止止传传感感信信息息的的局局域域性性，观观察察可可及及目目标标的的整整个个图图像像范范围围。当当测测量量目目标标大大于于传传感感器器的的测测量量范范围围时时，要要么么传传感感器器、要要么么目目标标必须实施运动观察以保证对整个目标的全方位监测。必须实施运动观察以保证对整个

25、目标的全方位监测。 第第三三种种结构构是是提提取取目目标的的微微观结构构，特特别是是比比传感感器器分分辨辨率率更更细的的结构构。在在这种种情情况况下下，空空间模模式式经过传感感器器的的移移动被被转换为时空空模模式，从而使空式，从而使空间分辨率得到了改分辨率得到了改进。 第三章(4)24现代传感技术与系统3.4.5 有源传感有源传感2 2、边缘寻踪系统、边缘寻踪系统l有源传感第二种结构的一个例子：有源传感第二种结构的一个例子： 利利用用局局部部传传感感器器辨辨识识静静止止物物体体轮轮廓廓线线的的传传感感系系统统。图图3.4.53.4.5是这种系统的结构。是这种系统的结构。 系系统统模模拟拟这这样

26、样一一种种运运动动：先先前前通通过过指指尖尖移移动动实实现现对对目目标标轮轮廓廓的的识识别别，称称为为触触觉觉运运动动。以以此此实实现现未未知知目目标标的的有源操作和整个目标图像的自动识别。有源操作和整个目标图像的自动识别。第三章(4)25现代传感技术与系统3.4.5 有源传感有源传感 系系统统使使用用了了X-YX-Y记记录录仪仪作作为为执执行行器器，两两维维目目标标的的边边缘缘被被局局部部传传感感器器搜搜索索和和寻寻踪踪。测测量量操操作作完完全全自自动动进进行行。图图中中折折线线表表示示的的未未来来的的轨轨迹迹（即即测测量量目目标标）完完全全是是未未知知的的，传传出出的的信信息息被被输输入入

27、到到内内部部模模型型，然然后后使使用用过过去去的的数数据据，通通过过内内部部模模型型作作出出预预测测，根根据据预预测测结结果果激激发发有有源源运运动动，传传感感信信息息也也被被校校正正。在在传传感感信信息息的的处处理理过过程程中中，前前面面讨讨论论过过的的并并行行处处理理方方式式被被用用来来从从目目标标提取局域边缘。提取局域边缘。第三章(4)26现代传感技术与系统3.4.5 有源传感有源传感第三章(4)27现代传感技术与系统3.4.5 有源传感有源传感 有有两两种种方方式式实实现现二二维维边边缘缘探探测测并并通通过过模模型型激激励励实实现寻踪。现寻踪。 第第一一种种方方式式是是从从“边边缘缘检

28、检测测”到到“边边缘缘位位置置控控制制与切线方向预测与切线方向预测”，再到，再到“传感器运动传感器运动”； 第第二二种种方方式式是是“边边缘缘位位置置控控制制”和和“持持续续运运动动”一一并并实实现现。在在这这种种情情况况下下，对对应应于于前前者者的的垂垂直直分分解解和和对应于后者的水平分解是完全等效的。对应于后者的水平分解是完全等效的。 第三章(4)28现代传感技术与系统3.4.5 有源传感有源传感3 3、空间滤波器的使用、空间滤波器的使用 有有源源传传感感第第三三种种结结构构的的一一个个例例子子：使使用用空空间间滤滤波波器器辨别目标表面的触觉组织。辨别目标表面的触觉组织。 在在这这种种传传

29、感感器器中中，来来自自呈呈阵阵列列设设置置的的触触觉觉传传感感器器组组的的输输出出被被输输入入到到空空间间滤滤波波器器中中，其其响响应应可可进进行行电电气气调调整整。通通过过激激发发传传感感器器的的运运动动和和调调节节滤滤波波器器响响应应，目目标标表表面面的的粗粗糙糙程程度度被被识识别别出出来来，这这样样就就通通过过空空间间滤滤波波器实现了一个并行处理过程。器实现了一个并行处理过程。 第三章(4)29现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术 集集成成磁磁传传感感器器即即一一个个或或更更多多磁磁性性传传感感器器与与外外围围电电路路在在一

30、一硅硅片片中中有有效效地地结结合合，由由于于传传感感器器和和电电路路的的处处理理兼兼容容性性, 这这些些传传感感器器能能很很容容易易地地与与放放大大器器、开开关关电电路路和和运运算算电电路路等等外外围围电电路路集集成成。一一些些集集成成传传感感器器, 例例如如包包括括霍霍尔尔单单元元和和放放大大器器在在一一块块芯芯片片上上的的霍霍尔尔IC , 亦亦早早已投入商业应用。已投入商业应用。 第三章(4)30现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术1 1、差动放大磁传感器、差动放大磁传感器 图图3.4.63.4.6所所示示，从从左左到到右右依

31、依次次为为DAMSDAMS的的结结构构、等等效效电电路路和和磁磁特特性性。DAMSDAMS芯芯片片里里有有一一块块带带有有差差动动放放大大器器的的霍霍尔尔单单元元。霍霍尔尔单单元元形形成成在在差差动动晶晶体体管管对对的的基基底底区区域域中中，与与晶晶体体管管不不可可分分离离。在在这这个个传传感感器器中中，集集电电极极C1C1和和C2C2间间的的电电流流差差值值是是霍霍尔尔电电压压的的放放大大信信号号，经经外外部部电电阻阻R RL L转转换换为为电电压压信信号号。因因而而绝绝对对敏敏感感性性可可能能很很大大，在在100100K K负负载载电电阻阻下下，可可达达120120V/TV/T。由由于于电

32、电源源电电压压的的限限制制，图图中中可可观观察察到到输输出出饱饱和和特特性性，减减小小负负荷荷电电阻阻能能避避免免这这种种饱饱和和，当当然然， 这这也也同同时时导导致致绝绝对对敏敏感感性性的的降降低低。该该传传感感器器的的弱弱点点是是与与标准标准ICIC过程的不兼容性。过程的不兼容性。 第三章(4)31现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术第三章(4)32现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术2 2、具有具有双沟道的互补型、具有具有双沟道的互补型MOSMOS磁晶体管磁晶体

33、管 具有晶体管结构的磁传感器叫做磁晶体管。例如，具有两个沟道的具有晶体管结构的磁传感器叫做磁晶体管。例如，具有两个沟道的MOSMOS磁性晶体管，随着磁场的引入，其中两个沟道电流产生不同变化。使用这样磁性晶体管，随着磁场的引入，其中两个沟道电流产生不同变化。使用这样的磁晶体管，能实现一个复合传感器。图的磁晶体管，能实现一个复合传感器。图3.4.73.4.7展示了使用展示了使用n n型和型和p p型型MOSMOS磁晶磁晶体管的互补体管的互补MOSMOS配置的结构、等效电路和磁特性。配置的结构、等效电路和磁特性。n n型型MOSMOS磁晶体管作为磁晶体管作为p p型型MOSMOS磁晶体管的有源负载。

34、由于这种配置，当施加磁场于两个磁晶体管时磁晶体管的有源负载。由于这种配置，当施加磁场于两个磁晶体管时, , p p型磁晶体管的一个沟道电流型磁晶体管的一个沟道电流 I ID1D1增加，增加，n n型磁晶体管的型磁晶体管的I ID2D2 减少。同时，相反减少。同时，相反的情形也出现在的情形也出现在I ID2D2和和I ID1D1 中。因而，当两个晶体管运行在饱和情况下，沟道中。因而，当两个晶体管运行在饱和情况下，沟道中电流的微弱变化会导致大的电压变化，可获得与偏置电流无关的中电流的微弱变化会导致大的电压变化，可获得与偏置电流无关的1.21.2V /T V /T 的绝对敏感性。的绝对敏感性。 第三

35、章(4)33现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术第三章(4)34现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术3 3、多维磁传感器、多维磁传感器 垂垂直直霍霍尔尔单单元元( (VHC)VHC)可可以以检检测测平平行行于于芯芯片片表表面面的的磁磁场场，而而使使用用两两个个相相互互垂垂直直的的VHCVHC则则可可以以实实现现二二维维磁磁性性测测量量。此此外外，当当探探测测垂垂直直于于芯芯片片表表面面磁磁场场的的侧侧向向霍霍尔尔单单元元LHCLHC引引入入两两维维磁磁场场传传感感器器

36、后后，即即可可形形成成三三维维磁磁传传感感。因因为为VHC VHC 和和LHCLHC均均使使用用标标准准双双极极ICIC过过程程制制造造，所所以以实实现现包包括括双双极极信信号号处处理理电电路路在在内内的的三三维维集集成成磁磁传传感感会会很很容容易易。这这类类多多维维磁磁传传感感器器有有相相当当大大的的空空间间分分辨辨率率( (可可达达100100m) m) 和和极极好好的的轴轴向向测测量量独独立立性性。由由于于VHCVHC和和LHCLHC结结构构的的不不同同造造成成它它们们不不同同的的敏敏感感性性 ( (VHCVHC大大约约5050V/ATV/AT，LHCLHC大大约约300300V/AT)

37、, V/AT), 所所以以在在实实际际的的三三维维应应用用中中必必须须对对其其进进行调整。行调整。 三维磁传感器包括交叉偶合的双三维磁传感器包括交叉偶合的双LHC对和两片对和两片VHC以产生偏置电压和驱以产生偏置电压和驱动电流。通过调节单个霍尔单元的供应电流，可获得相同的轴向敏感性。动电流。通过调节单个霍尔单元的供应电流，可获得相同的轴向敏感性。 第三章(4)35现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术4 4、霍尔单元与放大器或开关电路的集成、霍尔单元与放大器或开关电路的集成 几几乎乎市市场场上上所所有有霍霍尔尔IC 都都能能归归入入

38、这这个个类类别别。因因为为双双极极技技术术适适合合设设计计如如放放大大器器和和开开关关电电路路一一类类的的外外围围电电路路，所所以以具具有有标标准准双双极极结结构构的的霍霍尔尔单单元元，特特别别是是LHC，常常用用来来作作为为探探测测器器。然然而而，磁磁阻阻元元件件和和MOS霍霍尔尔单单元元也也适适合合几几种种霍霍尔尔IC。集集成成有有霍霍尔尔单单元元的的电电路路是是一一个个带带阻阻抗抗转转换换并并且且/或或者者是是一一个个有有滞滞后后特特征征开开关关电电路路的的差差动动放放大大器器。在在某某些些情情况况下下，霍霍尔尔单单元元与与具具有有温温度度补补偿偿的的恒恒流流驱驱动动类类电电路路结结合合

39、在在一一起起。图图3.4.8是是这这类类电电路路的的两两个个例例子子，上上图图是是带带有有控控制制电电极极的的开开关关霍霍尔尔IC。控控制制电电极极起起正正反反馈馈作作用用，实实现现滞滞后后作作用用以以及及应应用用磁磁场场的的开开关关特特性性。下下图图是是另另一一种种类类型型的的开开关关霍霍尔尔IC。为为适适应应键键盘盘的的关关键键矩矩阵阵网网络络，这这种种霍霍尔尔IC 具具有有射射极极跟跟随随器器的的两两个个输输出出电电极极。连连接接到到霍霍尔尔单单元元的的两两个个二二极极管管用用于于保证温度补偿的敏感性。保证温度补偿的敏感性。 第三章(4)36现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延

40、伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术第三章(4)37现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术5 5、霍尔单元与外部驱动电路的集成、霍尔单元与外部驱动电路的集成 对一个无刷电机的控制来说对一个无刷电机的控制来说, 磁传感器可用作电机转动的磁传感器可用作电机转动的检测。如图检测。如图3.4.8所示的简单霍尔单元或霍尔所示的简单霍尔单元或霍尔IC即为这样的应用。即为这样的应用。同时，用作电机实际控制和驱动的还有包括运算放大器和功放同时，用作电机实际控制和驱动的还有包括运算放大器和功放晶体管外部电路在内的霍尔晶体管外部电路在

41、内的霍尔IC。即另一种集成功率霍尔即另一种集成功率霍尔IC，它它包含了霍尔单元、各种电机控制电路和双极功率晶体管。因为包含了霍尔单元、各种电机控制电路和双极功率晶体管。因为在霍尔在霍尔IC中耗能很大，所以我们必须仔细设计补偿电路用于高中耗能很大，所以我们必须仔细设计补偿电路用于高温造成的敏感度变化和零点漂移。温造成的敏感度变化和零点漂移。 第三章(4)38现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术6 6、CDMCDM与温度补偿电路的集成与温度补偿电路的集成 一一些些磁磁传传感感器器, 如如载载域域磁磁力力仪仪CDM和和侧侧壁壁注注入入抑

42、抑制制式式磁磁性性晶晶体体管管SSIMT，就就其其敏敏感感性性等等指指标标而而言言，有有相相对对大大的的温温度度依依赖赖性性。所所以以这这类类传传感感器器经经常常结结合合温温度度补补偿偿电电路路作作为为集集成成磁磁传传感感器器的的一一部部分分。因因为为温温度度补补偿偿元元与与温温度度感感应应元元会会紧紧密密地地设设置置在在同同一一芯芯片片上上，它它们们能能够够精精确确地地匹匹配配并并实实现现快快速速准准确确的的温温度度补补偿偿。这这是是集集成传感器的主要优点之一。成传感器的主要优点之一。 第三章(4)39现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁

43、传感技术术7 7、两维霍尔单元与运算电路的集成、两维霍尔单元与运算电路的集成 前前面面提提及及的的两两维维磁磁传传感感器器与与运运算算电电路路的的结结合合能能在在x-yx-y芯芯片片平平面面用用于于确确定定所所施施加加磁磁场场的的方方向向。施施加加磁磁场场的的方方向向通通过过正正切切方方程程=arctan(By/Bx)=arctan(By/Bx)计计算算，这这里里BxBx和和ByBy分分别别是是磁磁场场在在x x和和y y方方向向的的分分量量。相相关关电电路路的的设设计计则则基基于于线线性性转转换换电电路路技技术术。它它有有许许多多优优点点，譬譬如如以以电电流流为为输输出出/ /输输入入、具具

44、有有更更高高精精度度、更更宽宽的的动动态态范范围围和和对对温温度度变变化化的的不不敏敏感感性性等等等等。在在相相关关实实验验装装置置中中，系系统统分分为为两两片片ICIC芯芯片片，一一片片包包括括两两维维磁磁性性传传感感器器和和放放大大器器，另另一一片片包包括括运运算算电电路路。它它们们被被固固定定在在玻玻璃璃环环氧氧树树脂脂材材料料的的印印刷刷电电路路板板上上，以以外外加加磁磁场场方方向向（角角度度）和和毫毫伏伏电电压压表表征征的的输输入入输输出出特特性性呈呈现现出出良良好好的的线线性性度度。在在外外加加磁磁力力线线密密度度为为0.10.1T T 的的条条件下，最大误差为件下，最大误差为2%

45、 / 2% / FSFS。 这这种种类类型型的的集集成成磁磁传传感感器器可可用用作作磁磁性性指指南南针针、磁磁带带驱驱动动的的张张力力臂臂控控制制器器、高精度电机控制高精度电机控制 等等。此外，还能扩展到使用三维磁传感器实现的三维测量。等等。此外，还能扩展到使用三维磁传感器实现的三维测量。第三章(4)40现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术8 8、三维霍尔单元与运算电路的集成、三维霍尔单元与运算电路的集成 运运用用霍霍尔尔单单元元的的常常规规测测量量是是一一种种单单向向性性测测量量，要要检检测测到到未未知知方方向向和和方方向向随随

46、时时间间变变化化的的磁磁场场是是很很困困难难的的。然然而而，通通过过三三维维磁磁传传感感器器和和运运算算电电路路的的集集成成能能够够实实现现全全方方位位的的测测量量。在在这这种种集集成成传传感感器器中中，三三维维传传感感提提供供了了磁磁场场的的三三个个分分量量Bx, Bx, ByBy和和BzBz，而而运运算算电电路路实现以下运算操作：实现以下运算操作：第三章(4)41现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术8 8、三维霍尔单元与运算电路的集成、三维霍尔单元与运算电路的集成 全全方方位位测测量量集集成成磁磁传传感感器器以以三三维维磁磁传

47、传感感器器为为探探测测器器, 采采用用双双极极型型模模拟拟电电路路进进行行运运算算。整整个个电电路路由由差差动动放放大大器器、由由乘乘法法器器实实现现的的平平方方电电路路和和基基于于线线性性电电路路变变换换技技术术的的开开方方电电路路组组成成。芯芯片片规规格格约约为为4.8毫毫米米见见方方。在在100mT磁磁强强下下，在在不不同同的的角角度度可可获获得得不不同同的的输输出出电电压压，其其中中以以传传感感器器的的倾倾斜斜角角参参量量作作为为磁磁场场角角度度，在在34dB动态范围内，误差不超过动态范围内，误差不超过4%。 第三章(4)42现代传感技术与系统3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功

48、能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术9 9、霍尔单元、霍尔单元/ /磁晶体管与调制式运算放大器的集成磁晶体管与调制式运算放大器的集成 以以磁磁运运算算放放大大器器MOPMOP（Magneto Magneto Operational Operational amplifieramplifier）命命名名的的通通用用型型磁磁传传感感器器是是另另一一种种应应用用十十分分广广泛泛的的磁磁传传感感器器。由由两两组组差差动动输输入入放放大大单单元元构构成成了了调调制制式式运运算算放放大大电电路路。一一组组单单元元与与正正常常用用于于电电信信号号的的运运算算放放大大器器相相似似，另另一一组组则则用用于于

49、磁磁信信号号。磁磁信信号号施施加加于于电电信信号号中中并并采采用用高高增增益益放放大大器器进进行行放放大大，电电输输入入用用于于负负反反馈馈或或正正反反馈馈，各各种种磁磁运运算算功功能能可可通通过过改改变变反反馈馈特特性性达达到到。与与正正常常运运算算放放大大器器相相似似，可可根根据据使使用用的的反反馈馈元元件件实实现现许许多多有有关关的的磁磁操操作作( (如如简简单单的的磁磁放放大大、带带有有滞滞后后作作用用的的磁磁开开关关、磁磁性性合合成成与与区区分分、磁磁控控振振荡荡器器、对对数数和和反反对对数数变变换换、电电流流输输出出等等等等) )。第三章(4)43现代传感技术与系统3.4.6 触觉

50、传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技集成化磁传感技术术 图图3.4.93.4.9是是使使用用MOPMOP构构成成的的磁磁控控振振荡荡器器电电路路及及输输出出特特性性示示意意。其其振振荡荡频频率率由由施施加加的的磁磁场场强强度度控控制制，其其灵灵敏敏度度大大约约为为10 10 kHz/T kHz/T 或或250%/250%/T T。 总总起起来来说说，截截止止目目前前关关于于集集成成磁磁传传感感器器，人人们们围围绕绕着着放放大大开开关关、功功率率放放大大、温温度度补补偿偿、计计算算、多多维维测测量量和和通通用用化化实实现现诸诸方方面面都都做做了了不不少少研研究究和和尝尝试试，然然而而，除除了了霍霍尔尔IC已已投投入入商商业业应应用用之之外外，实实现现其其他他各各种种功功能能的的集集成成磁磁传传感感器器大大多多仍仍处处于于研研究究之之中而不具有商业价值。未来还有大量工作期待人们去完成。中而不具有商业价值。未来还有大量工作期待人们去完成。第三章(4)44现代传感技术与系统第三章(4)45现代传感技术与系统