第3章 不同集成度智能传感器系统举例

3.1.1 传感器的集成化
二、集成化的优点
①提高了传感器性能；
②降低了成本； ③提高了可靠性； ④促使传感器多功能化，智能化。
3.1.2
不同集成度智能传感器概述
集成传感器的基本框图如图所示。
被 测 信 号
传感器
调理 电路
输入 接口
微处 理器
信 息 接 口
总 线
3.1.2
不同集成度智能传感器概述
+ ∞ U2 OA2 + R8 R6
+ ∞ OA3 + -
RG
R10 R9 R11
-OA + 4 +
R13
Uo
3.2.1
单片集成式
VCC R7
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 0.5 V。
+ ∞ U2 OA2 + -
3.2.1
单片集成式
二、摩托罗拉单片集成压力传感器MPX3100
MPX3100是摩托罗拉公司X型压力传感器，其量 程为0～100 kPa。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，且利用了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。
+ ∞ OA3 + -
R12
RG
R10 R9 R8 R11
-OA + 4 +
R13
Uo
R6
3.2.1
单片集成式
VCC R7
R12
信号放大由 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2.5 V。
3.2.1
R1 RS U4 R3
单片集成式
OA1及其周围电路如图所 示。由于传感器的电阻具有 正温度系数，因此图中 U3 将 随温度上升而增加， U1 也随 之增大。由于传感器的零位 温漂典型值为±15 mV/℃ ， 则需要计算选择 R3 的阻值。 只要R3选择合适，通过OA1和 OA2 ， U1 随 温 度 的 漂 移 可 在 OA2输出端被抵消。
3.2.1
4、电路图
单片集成式
整个集成压力传感器芯片面积为1.5 mm2。其电路 如下图所示。 图中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 5 kW ，信号放大电路由三 个CMOS运算放大器及电 阻网络组成。
3.2.1
单片集成式
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
RS
3
4
3.2.1
VCC
单片集成式
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，一般 按下式计算
RS RX 3.577
4
RS
3
式中，RS——需要串联的电阻； RX——25 ℃时X型传感器的电阻。
2
1
设25 ℃时X型传感器电阻为494 W，则 理想的满量程补偿电阻为1 767 W。实践证 明，这种方法可得到0.5 %补偿精度。
3.2.1
单片集成式
3.2.2 初级形式的混合多片集成式
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
1、结构 硅盒式集成压力传感器剖面图如图所示。
3.2.1
单片集成式
2、硅盒结构加工过程 3、硅盒结构的特点 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。
现代传感器技术
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
传感器集成化与智能化的概述
3.2
3.3
集成化智能传感器系统的初级形式举例
集成化智能传感器系统的中级形式举例
3.4
集成化智能传感器系统的高级形式举例
3.1
传感器集成化与智能化的概述
3.1.1 传感器的集成化
R5 R6 R9 Ad 1 R R W 8
3.2.1
单片集成式
R5 R6 R9 Ad 1 R R W 8
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R9＝R10、R7＝R8。因为A3放 大的是 A1、 A2输出之差，电路的失调电压主要是由 A3 引起的，故降低A3的增益有益于减小输出温度漂移。
3.2.1
单片集成式
1、摩托罗拉硅压力传感器的特点 ①摩托罗拉的专利技术是采用单个 X型压敏电阻元 件，而不是电桥结构。 ②该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜上， 并采用计算机控制的激光修正技术和温度补偿技术，使 得在非常宽的温度范围内压力传感器的精度都很高。 ③其模拟输出电压正比于输入压力值和电源偏臵电 压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。
3.1.2 不同集成度智能传感器概述
3.1.1 传感器的集成化
一、集成化的含义
(1)把许多同样的单个传感器按一定规律阵列集 成化 , 目的是为了对空间参数进行测量，如左图所 示。例子：面阵CCD传感器，如右图所示。
3.1.1 传感器的集成化
(2)传感器功能的集成化。 混合式集成压力传感如图所示。
MPX3100内部线路图如下图所示。
3.2.1
R1 RS U3 Vs+ VsU4 U1
单片集成式
R4 R7 VCC ∞ R12
R3
- ∞ OA1 + +
R5
OA3 +
+ -
RG
R10
+
R2
OA2 +
∞ U2 R8
R9
R11
-
- ∞ OA4 + +
R13 2
1
Uo
R6
3.2.1
VCC
单片集成式
4、温度补偿 1)满量程温漂补偿 X型压力传感器输出电压随温度升高而 降低，典型的温度系数为－0.19 %/℃。由 2 于固定压力下传感器的输出与所加的电压 成正比，所以补偿的方法是随温度升高而 加大激励电压，如串联具有负温度系数的 1 电阻 RS 。另一方面，传感器本身的电阻具 有正温度系数，也有一定的补偿作用。
3.2.1
单片集成式
在数学上，压阻效应可以用一组电场分量Ei和电流 密度分量ii及应力分量 σij的关系式来描述。在晶轴坐标 系下，这种关系式具有简单的式，即
3.2.1
单片集成式
E1 {i1[1 11 11 12 ( 22 33 )] 44 (i2 12 i3 13 )} E2 {i2 [1 11 22 12 ( 11 33 )] 44 (i1 12 i3 23 )} E3 {i3 [1 11 33 12 ( 22 11 )] 44 (i1 13 i2 23 )}
3.2.1
单片集成式
2、敏感元件结构
X型压力传感器芯片俯视图如图所示。
3.2.1
单片集成式
3 ＋Vs 2 ＋Uo 4 1 －Uo
3、X型敏感元件工作原理
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， 其符号如图所示。
3.2.1
单片集成式
它的工作原理是，当受到压力时原子结构中的导 带和价带之间的禁带宽度发生变化，使载流子的数量 和载流子的迁移率发生变化，从而使电阻率发生变化， 这就是半导体材料的压阻效应。单片硅压敏电阻产生 随压力而变化的输出电压，从而使输出电压产生与所 加压力成正比的变化。
3.2.1
单片集成式
对于P型硅，剪切压阻系数44具有最大值。当i1＝ i3＝0时，由
E1 {i1[1 11 11 12 ( 22 33 )] 44 (i2 12 i3 13 )}
得
E1 44i2 12
3.2.1
单片集成式
E1 44i2 12
3.2.1
单片集成式
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。
R4
U3
U1
- + OA1 +
R5
R2
+ OA2+ R6
U2
3.2.1
R1 RS U4 R3
单片集成式
R3的取值可按下式计算
U1 R1 R2 R3 U R5 R R 2 1 2
R4
U3
U1
- + OA1 +
R5
R2
+ OA2+ R6
U2
式中，U1＝开关断开时最高温 度下的U1－室温下的U1； U2＝开关断开时最高温 度下的U2－室温下的U2。
3.2.1
2)零位温漂补偿
单片集成式
在制造过程中，通过光刻工艺的控制，可使 X 型 压力传感器的零位典型的零位失调电压为0～20 mV，温度漂 移为±15 mV/ ℃。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。前面电路 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。
一、智能传感器的初级形式
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，提高了经典传感器的精度和性 能。缺少智能传感器的关键部件——微处理器，影 响了其性能的进一步改善。
3.1.2
不同集成度智能传感器概述
二、智能传感器系统的中级形式(自立形式)
除了具有初级智能传感器的功能外，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。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。
当有剪切应力作用时，将会产生一个垂直于电源电流 i2之方向的电场变化，于是将产生输出电压。
3.2.1
单片集成式
X型压力传感器的剖面图如图所示。
3.2.1
单片集成式
若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。
④硅电容式的缺点之一是输出特性的非线性。
3.2.1
单片集成式
单片集成的CMOS电容压力传感器电路框图 如图所示。
＋ C/U转换 －
信号调理
带隙电 压基准
3.2.1
单片集成式
1、信号调理电路
传感器的开关—电容调理电路如图所示。
3.2.1
推导得
单片集成式
C R1 C3 US U2 (U bg1 U bg 2 ) 2 1 C C4 S1
3.1.2
不同集成度智能传感器概述
三、智能传感器的高级形式
除了具有中级智能传感器的功能外，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。该传感器系统可具备人类“五官”的能 力，能够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。
3.2
集成化智能传感器系统的初级形式举例
①在敏感膜片尺寸和测量范围类同的条件下，硅电 容式灵敏度高过扩散硅压阻式10倍以上，而功耗却要低 两个数量级。
3.2.1
单片集成式
②因扩散硅压阻式的压阻系数随温度变化，而硅 电容式的传感机理则避开了压阻温度效应，故硅电容 式压力传感器随温度的变化要小得多。
③硅电容式传感器输出的重复性和长期稳定性也 明显优于扩散硅压阻式传感器。
3.2.1
单片集成式
如果R1＝8 kW，R2＝1 kW，R5＝10 kW，U1/U2＝ 0.5，则由上式得 R3＝4 112 W(取4.2 kW电阻)。这样，如 果知道了U1/U2，可很快计算出应选择的R3阻值。
3.2.1
单片集成式
VCC R7
R12
3)信号调理和校准电路 MPX3100的零位输出典型 值为0.5 V，满量程输出电压典 型值为2.5 V，故应将其零位失 调电压定在0.5 V，为此加入精 密电压基准OA3。
- ∞ U2 OA2 + +
R6
- ∞ OA3 +
+
RG
R10 R9 R8 R11
-OA + 4 +
R13
Uo
3.2.1
单片集成式
三、带C/U转换电路的硅电容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。