智能传感器系统-刘君华第3章

第3章不同集成度智能传感器系统举例第3章不同集成度智能传感器系统举例3.1传感器的集成化与智能化的概述3.2集成化智能传感器系统的初级3.3集成化智能传感器系统的中级3.4集成化智能传感器系统的高级第3章不同集成度智能传感器系统举例3.1传感器的集成化与智能化的概述3.1.1传感器的集成化一、传感器的集成化包含两方面的含义：一方面是指把许多同样的单个传感器按一定规律进行阵列集成，比如将单个传感器进行列集成，形成一维传感器，如图3-1(b)所示；将单个传感器集成为矩阵形式，形成二维传感器，如图3-1(c)所示。将传感器进行阵列集成的目的，是为了对空间参数进行测量，例如CCD图像传感器即为此类集成传感器，CD)和面阵CCD(SCCD)之分。第3章不同集成度智能传感器系统举例如图3-2所示为一面阵CCD，它由许多单个光传感器(像素)组成，由于单个像素很小，一般约为10μm左右，所以可获得清晰的图像。集成化的另一方面含义是指传感器的功能集成化。比如将传感器与其后的各种信号调理电路进行集成，可以把它们集成在同一芯片上，形成单片集成传感器，也可以将它们分别集成在几块芯片上，然后再将这几块芯片组装在一起，形成混合集成传感器。如图3-3所示即为一混合集成压力传感器。图中的温度传感器并不是为了测量温度，而是为了补偿压力传感器灵敏度随环境温度所产生的变化。第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-1传感器的集成化第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-２面阵CCD传感器简图第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-3混合式集成压力传感器第3章不同集成度智能传感器系统举例二、1.提高了传感器性能2.降低了传感器的生产成本3.提高了传感器的可靠性4.促使传感器多功能化、智能化第3章不同集成度智能传感器系统举例3.1.2不同集成度智能传感器概述图3-4集成智能传感器的基本框图第3章不同集成度智能传感器系统举例一、此类传感器形式比较简单，其特征是在传感器内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电路和信号调理电路，使传感器具有相应的能力，提高了经典传感器的精度和性能。但该形式传感器尚属智能的初级形式，智能含量少，不具备更高级的智能，缺少智能传感器系统的关键部件——微处理器，从而影响了其性能的进一步完善，故此形式的智能传感器尚为初级形式。第3章不同集成度智能传感器系统举例二、智能传感器系统的中级形式(自立形式)除具有初级智能传感器的功能外，此形式传感器系统还具有自诊断、自校正、数据通讯接口等功能。结构上通常带有微处理器。传感器与微处理器的集成形式可以为单片式或混合式。借助微处理器，该形式传感器系统功能大大增加，性能进一步提高，自适应性加强，事实上它本身已是一个基本完善的传感器系统，故称之为智能传感器系统的中级形式或自立形式。第3章不同集成度智能传感器系统举例三、此形式传感器除具有初级形式和中级形式的所有功能外，还具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至思维能力等。它所涉及的理论领域将包括：神经网络，人工智能及模糊理论等等。该传感器系统可具备人类“五官”的能力，从复杂的背景信息中提取有用信息，进行智能化处理，从而成为真正意义上的智能传感器。以上对智能传感器系统各形式之间的划分并无严格的标准，但从传感器技术发展的观点看，以上三种形式的划分，是符合发展趋势的。第3章不同集成度智能传感器系统举例3.2集成化智能传感器系统的初级形式举例3.2.1单片集成式一、具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器图3-5硅盒结构集成压力传感器剖面第3章不同集成度智能传感器系统举例如图3-5为硅盒式集成压力传感器芯片剖面图，该结构采用了硅盒结构，将压敏单元与CMOS信号调理电路集成在同一硅芯片上，其加工过程是先在下层硅片表面通过掩蔽腐蚀的方法形成深10μm,长宽各60μm的凹坑,将上层硅片与下层硅片在1150℃高温中键合形成硅盒结构，从而在两层硅片之间生成一个参照压力空腔。然后将上层硅片减薄至30μm，再将其表面抛光，通过光刻对中的方法，在参照压力空腔上方的硅膜上用离子注入工艺形成压敏电桥。用标准的CMOS工艺在空腔外围的上层硅片上制作了CMOS信号放大电路，从而形成单片集成的结构。第3章不同集成度智能传感器系统举例这种硅盒结构的最大特点是，只需在硅芯片单面进行加工，其工艺与标准IC工艺完全兼容，从而克服了传统硅杯型压力传感器在制作工艺上与IC工艺不兼容的缺点，使压敏元件与信号调整电路的单片集成成为现实。整个集成压力传感器芯片面积为1.5mm2，其电路如图3-6所示。R1～R4组成的压阻全桥构成了力敏传感单元，每臂电阻阻值约为5kΩ，信号放大电路由三个CMOS运算放大器及电阻网络组成，其中每个CMOS运放的电路如图3-7所示。图3-6中A1,A2构成同相输入放大器，输入电阻很高，共模抑制比也很高。A3接成基本差动输入放大器形式，整个放大电路的差模放大倍数为第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-6带CMOS放大器的集成压力传感器第3章不同集成度智能传感器系统举例整个放大电路的差模放大倍数为89651RRRRRAWd改变RW可以调整差模放大倍数Ad。该电路要求A3的外接电阻严格匹配，即R10=R9,R7=R8。因为A3放大的是A1,A2输出之差，电路的失调电压主要由是A3引起的，故降低A3的增益有益于减小输出温度漂移。对封装后的整个传感器进行了实际测试，结果表明该传感器具有较高的灵敏度与精度，并且具有良好的线性。(3-1)第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-7片内CMOS运算放大器电路第3章不同集成度智能传感器系统举例二、摩托罗拉单片集成压力传感器MPX3100MPX3100是摩托罗拉公司X型压力传感器，其量程为0～100kPa。按被测量可分为差压、表压和绝对压力三种形式，它集应变仪、温度补偿、标准和信号调理于同一芯片上，且经过计算机控制的激光修正技术，因而具有精度高、补偿效果好、性能可靠、使用比较方便等特点。第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-8MPX3100内部线路图第3章不同集成度智能传感器系统举例1.敏感元件结构及原理MXP3100的敏感元件为单个X型的压敏电阻，共有四个引出头，即：电源、地、正输出及负输出，其符号如图3-9所示。它的工作原理是利用单片硅压敏电阻产生随压力而变化的输出电压，该压敏电阻是用离子注入工艺制作在硅膜上的，电阻器本身即为敏感元件。施加在硅膜上的压力使压敏电阻的阻值发生变化，从而使输出电压随所加压力产生成正比的变化。第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-9X型敏感元件符号第3章不同集成度智能传感器系统举例X型压力传感器芯片的俯视图和剖面图如图3-10和图3-11所示。由图3-10可见，一只X型压敏电阻器被置于硅膜边缘，其中1脚接地，3脚加电源电压+VS,激励电流流过3脚和1脚。加在硅膜上的压力与电流方向相垂直，该压力在压敏电阻上建立了一个横向电场，该电场穿过电阻器中点，所产生的电压差由2脚和4脚引出。第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-10X型压力传感器芯片俯视图第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-11X型压力传感器的剖面图第3章不同集成度智能传感器系统举例由图3-11剖面图可以看出，实际上，该压阻硅压力传感器是用两个硅晶片构成的，顶层的硅晶片被腐蚀成所要求的很薄、很平坦的硅薄片，该薄片厚约0.001英寸1英寸=2.54cm。一个矩形的空间被强行复制出来，构成一个腐蚀腔，其腔壁成57.4°角，被腐蚀的顶层硅晶片粘贴在底层硅晶片上，其间形成的腔体便构成了一个封闭的真空腔，该真空腔的真空区就是绝对压力传感器测量时的基准真空，即零压力参考点。将顶层硅晶片粘贴在底层硅晶片上的方法有几种，如阳极键合法、玻璃密封法或硅—硅键合法。用激光微加工方法在底层晶片上钻一个小孔，作为压力到达空腔的通道，则构成差压或表压传感器；如不在底层晶片上钻孔，腔内封闭的为基准真空，则构成绝对压力传感器。第3章不同集成度智能传感器系统举例这种X型压敏电阻结构的压力传感器与通常的惠斯登电桥结构压力传感器不同，它避免了惠斯登电桥的四只电阻不匹配而产生的误差，且简化了进行校准和温度补偿所需要的硬件线路。这是因为X型压敏元件失调误差仅仅由横向电压抽头(2,4脚)的对准度决定，这很容易在一次光刻工序中得到控制。第3章不同集成度智能传感器系统举例2.温度补偿1)X型压力传感器输出电压幅度随温度升高而降低，其典型的温度系数为-0.19%/℃。另一方面，在固定压力下，由于传感器的输出电压与所加的激励电压成比例，故最常用的满量程温漂补偿方法就是，随温度升高而增大激励电压，用这种方法恰好能补偿因温度升高而导致输出电压的降低。对满量程温漂补偿，激励电压随温度升高而增大的方法有多种，MPX3100中采用的是与X型传感器串联一个电阻RS，使用+5V恒压源供电，RS与X型传感器构成了分压网络，RS应具有负温度系数，温度升高则RS减小。这样，随温度升高加在X型传感器上的激励电压会升高，从而可补偿满量程的温漂。另一方面X型压力传感器本身的电阻具有正温度系数(TCR)，其阻值随温度升高而增加，对满量程温漂也有一定自补偿作用。第3章不同集成度智能传感器系统举例实际应用中，有一种简单情况，即在室温下，RS可采用零温度系数的电阻，RS取X型传感器电阻的3～4倍，一般按下式进行计算:577.3XSRR式中：RS——RX——25℃时X型传感器的电阻。假设25℃时X型传感器电阻为494Ω,则理想的满量程补偿电阻为494×3.577≈1767Ω。实践表明，这种方法可得到0.5%的补偿精度。(3-2)第3章不同集成度智能传感器系统举例2)X型压力传感器的零位失调和温漂在制造过程中受到光刻工艺的控制，通过光刻工艺的控制，可使零位失调和漂移做得很小，通常在3V的激励电压下，典型的零位失调电压为0～20mV，温度漂移为±15μV/℃。但在宽温度范围、精度要求较高的情况下，必须考虑对零位失调温漂的补偿。第3章不同集成度智能传感器系统举例图3-8的电路中，用OA1通过周围电阻网络可实现传感器的零位温漂补偿，OA1的加入也提高了输入阻抗。下面对零位温漂补偿作进一步分析。由于传感器的电阻具有正温度系数，因此图中U3点电压将随温度上升而增加，U1点电压也随之增大。由于传感器的零位温漂典型值为±15μV/℃，则需要计算选择R3的阻值。只要R3选择合适，通过OA1和OA2，U1点随温度的漂移可在U2端抵消零位漂移，具体的R3取值可由下式计算：21215213RRRRRUUR式中：ΔU1=最高温度下的U1-室温下的U1ΔU2=最高温度下的U2-室温下的U2(3-3)第3章不同集成度智能传感器系统举例如果R1=8kΩ,R2=1kΩ,R5=10kΩ,ΔU1/ΔU2=0.5,则由上式得：R3=4112Ω(取4.2kΩ电阻)。这样如果知道ΔU1/ΔU2,可很快计算出应选择的R3阻值。第3章不同集成度智能传感器系统举例3.信号调理和校准电路MPX3100的零位输出典型值为0.5V,满量程输出电压典型值为2.5V,故应将其零位失调电压定在0.5V，为此加入精密电压基准OA3。OA3的电压基准由R7和R8的分压来决定，此电压基准加至OA4的信号输入端，用于校准整个系统的零位失调电压至0.5V。信号的放大由OA2和OA4完成。OA2将差分输入转换为单端对地输出，并提高共模抑制比，也起阻抗转换作用，信号的放大主要由OA4完成。调整经激光修正的电阻RG，可将满量程输出校准到2.5V。第3章不同集成度智能传感器系统举例三、带C/U转换电路的硅电容式单片集成压力传感器硅集成压力传感器目前主要有两种形式：扩散硅压阻式和硅电容式。这两种形式的传感机理不同，相比之下，硅电容式的许多性能指标优于扩散硅压阻式。计算和实验表明，在敏感膜片尺寸和测量范围类同的条件下，硅电容式灵敏度高过压阻式10倍以上，而功耗却低两个数量级。因为扩散硅压阻式的压阻系数随温度变化明显，而硅电容式的传感机理则避开了压阻