集成传感器(包括压敏、磁敏、温敏、光敏传感器)

一、PTAT核心电路

1、PTAT基本电路 基本原理：BG1、BG2结构和性能完全 相同，在电阻R1上得到的两晶体管 BG1、BG2的基极-发射极电压差为：
式中：Jc1和Jc2分别是BG1和BG2管的 集电极电流密度。

由上式可知，只要设法保持两管的集电极 电流密度之比不变，那么电阻R1上的电压 Vbe 将正比于热力学温度T。 设两管增益极高，因此基极电流可以忽略， 即集电极电流等于发射极电流，则： Vbe = R1Ic2 由此可知电流Ic2、Ic1 和R2 上的电压正比 于绝对温度。电路总电流(Ic1+Ic2)也正比 于绝对温度。这种电路称为 PTAT( Proportional To Absolute Temperature)核心电路。
1、硅敏感电容器结构
在基地材料（如玻璃）上镀制一层金属薄膜 （如Al膜），作为电容器的一个极板，另一个极 板处在硅片的薄膜上。硅薄膜是由腐蚀硅片的正 面和反面形成的厚约十几微米的膜。硅片边缘与 基底材料键合在一起。
2、硅敏感电容器原理
C
S
d

0 r S
d
U变化
C变化 d、S、 (r)变化 S ——两平行极板所覆盖的面积；
第五章 集成传感器
集成传感器将敏感元件、信号 调理电路（如放大器、滤波电路、 整形电路、运算电路）、补偿电路、 控制电路（如地址选择、移位寄存 电路）或电源（如稳压源、恒流源） 等制作在同一芯片上，使传感器具 有很高的性能。集成传感器具有抗 环境干扰和电源波动的能力强、体 积小、可靠性高、易于同外部电路 简单连接、无需外接变换电路的优 点。
敏感电容：Cx； 补偿电容：C0(温 度影响）
2、测量电路
电容变化→电信号
1）电容→电压:采用交流电源激励，并通过
整流电路来检出电容的变化，得到与电容有 关的电压信号，用电压信号反映出外部压力 的变化。
2）电容→频率:将压力敏感电容作为振荡电
路的电容元件，压敏电容的变化引起该电压 力敏感电容作为振荡路振荡频率的变化，这 样可以用频率信号的形式反映外部压力的变 化。
5.1
集成压敏传感器
集成压敏传感器依照敏感元件的不
同分为两类：
1）硅电容式集成压敏传感器：敏 感元件为电容式元件 2）扩散硅集成压敏传感器：敏感 元件为电阻式压敏元件
一、硅电容式集成传感器
构成：硅压力敏感电容器、转换 电路和辅助电路三部分构成。 首先由敏感电容器所传感的电容 量信号经转换电路转换成电压信号，再 由后继信号调理电路处理后输出。
集成温敏传感器将温敏晶体管及其外围 电路集成在同一芯片上，构成集测量、放大、 电源供电电路于一体的高性能测温传感器。 其典型的工作温度范围是（-50~+150） ℃， 具体数值因型号和封装形式不同而不同。 分类：电压输出型：直接输出电压，输出阻 抗低，易于同独处或控制电路借口。 电流输出型：输出阻抗极高，可以简 单的使用双股绞线传输数百米远。 频率输出型：除电流输出型相似有点 外，还便于与数字化器件如计算机相连接。
d ——两平行极板之间的距离； ——极板间介质的介 电常数；
0 ——真空介电常数（8.854×10-12 F•m-1） r ——介质相对真空的介电常数， r空气≈1，其它介质r
>1。
两种极板结构
圆形膜结构：将敏感电容和参 考电容分开，两个电容的硅膜 半径均为a，电容极板的半径 均为b。 环形膜结构：将两种电容器合 二为一，它在半径为a的硅膜 上镀制半径为b1的圆形电极 板，作为测量电容；在测量电 容极板的外围镀制内、外径分 别为b2和b3的同心圆环，作 为参考电容。
电桥的实际供电Biblioteka Baidu压VB为： 电桥输出电压为：
温度补偿： T↑→Vbe↓→Vce↓→VB↑，另一方 面，T↑→V0↓。 电桥输出电压的温度系数为：

可见，通过适当选取R5、R6的 比值,可以使输出电压的温度系 数为零，也就是说通过电路参 数的设定可以补偿电路的温度 误差。
5、2

集成温敏传感器

在集成电路中Cp数值较小而稳定，它 对U0的影响小而且稳定，即Cx可以做的较 小而仍能获得较大的信号和分辨率。此外通 过选择适当的C0使它与零压力时Cx值相等， 在初始状态的输出U0就等于零。 由于二极管的正向压降不仅对灵敏度由 影响，对激励信号的幅度也提出了叫较高的 要求。改进的方法是，把四个二极管换成为 四个MOS晶体管，适当控制四个晶体管的导 通和截止可以他们像二极管一样起到整流作 用。
二、扩散硅压敏传感器
特点：将补偿电路与硅压敏元件构成的
全桥电路集成在一起，集成之后的传感 器不仅体积小、成本低，更主要的是补 偿电路中起补偿作用的元件与磁敏元件 完全处于同一温度中，因此能够得到较 好的温度补偿效果。
敏感元件：压敏电阻R1~R4。 测量电路：压敏电阻R1~R4构成的电 桥。 设压敏电阻的灵敏度为K， 且R1 = R3 = R0 + KPR0、 R2 = R4 = R0 - KPR0，则：V0 = VBKP 辅助电路：温度补偿电路，由电阻R5、 R6和晶体管VT构成的温度补偿网络。 若VT的基极电流比电阻R5、R6的电 流小得多，晶体管的集电极-发射极 电压为：
交流信号激励
Up通过耦合电容Cc为电路供电（方波、正弦 波等） 正半周:电荷从B →VD2→ Cx充电； 从A →VD3 →C0充电; 负半周: 放电 Cx →VD1→A; C0→VD4→B
无外力作用，Cx=C0,电荷 转移量相等。 有外力作用， Cx﹥C0，从 B转移A的电荷大于从A转 移B的电荷,导致A电位高 于B电位，减少了从B转移 A的电荷，增加了从A转移 B的电荷，最终达到平衡。 用由Rf、Cf构成的低通滤波器滤 平衡后，A、B点电位差 去交流的激励的高频电压成分后， =Uo，Ua=0.5Uo;Ub=输出端就只留下一个直流信号U0 0.5Uo. △QBA=(Up-0.5U0Ua)Cx 设C,D点寄生电容Cp △QAB=(Up+0.5U02(Up-Ua)(Cx-C0) Uo=-------------------------Ua)C0 Cx+C0+2Cp

3、CP8型集成压敏传感器
振荡器：阻容式自激振荡器，由于VT1和VT2各自处于直流电压负反馈的工作 状态，由于C1和C2的耦合作用，电路产生自激振荡。 ◆压力敏感元件：包括低通滤波器。
放大器：差分放大器。对前面未能完全滤除的共模交流信号有进一步的抑制 作用。 输出缓冲电路：两级射极跟随器进行阻抗变换。