智能集成传感器系统的研究进展

文章编号:100423365(2003)0520428204

智能集成传感器系统的研究进展

周再发,秦　明,张中平,黄庆安

(东南大学　M E M S教育部重点实验室,江苏　南京　210096)

摘　要:　介绍了具有高级智能,即含有微控制器,的集成传感器系统的基本结构,其硬件、软件实现方式,以及这种高智能集成传感器系统的发展给传感器系统设计带来的影响。讨论了根据不同需要,采用适当的通信方式,以扩大高智能集成传感器系统的应用范围。给出了典型的例子,介绍了国外智能集成传感器系统研究的最新进展。

关键词:　M E M S;传感器系统;集成传感器;智能传感器系统

中图分类号:　TN492文献标识码:　A

La test D evelop m en t of the S mart I n tegra ted Sen sor Syste m

ZHOU Zai2fa,Q I N M ing,ZHAN G Zhong2p ing,HUAN G Q ing2an (K ey L aboratory of M EM S of the M inistry of E d ucation,S outheast U niversity,N anj ing,J iang su210096,P1R1Ch ina)　

Abstract:　T he integrated sens or syste m(ISS)w ith h igh intelligence is dealt w ith in the paper,w ith regard to its basic structure,hardw are and s oftw are i m p le m entati ons1A ls o,ne w ideas to design sens or syste m s resulting from the devel opm ent of ISS are introduced1In additi on,extended app licati ons of ISS w ith h igh intelligence by using p roper m eans of comm unicati on depending on different require m ents is discussed1T yp ical examp les are p resented to illustrate the latest devel opm ent of the ISS1

Key words:　M E M S;Sens or syste m;Integrated sens or;Intelligent sens or syste m

EEACC:　2575

1　引　言

简单的集成传感器系统是将敏感单元与简单的信号调理电路集成在一块芯片上。目前,这种集成传感器系统已实现了商品化,很多著名厂家都推出了成熟的产品。但从功能上讲,它只是采用智能调理电路实现比较简单的自动调零、非线性校正、温度补偿等功能。高智能集成传感器系统[1],是利用超大规模集成电路工艺技术及微机械加工技术,将传感器敏感单元和微控制器等集成在同一块芯片上,或封装在同一管壳内,组成的传感器系统。一方面,随着超大规模集成电路技术及微机械加工技术的发展,实现具有自诊断、自校准、信号处理、通讯等功能的高智能集成传感器系统已成为可能[223];另一方面,随着自动化时代的到来,控制系统需要采集、处理的原始数据迅速增加,使用的传感器越来越多,简单的集成传感器系统已不能满足自动化技术发展的要求。高智能的集成传感器系统以其精度高、体积小、信号处理能力强等优点,能很好地满足并进一步促进自动化技术的发展。目前,世界各国都在积极研制与开发各种高智能集成传感器系统。本文介绍了这方面的研究进展。

2　系统构成[4]

高智能集成传感器系统与简单的集成传感器系统相比,两者最基本的差别在于前者内部包含了微控制器单元,可以利用软件实现强大的智能化功能。一般来说,高智能集成传感器系统包含四个主要功能块:1)外围功能块,提供附属的定时及一些外围电路功能,如提供参考电流、参考电压、电源以及与

第33卷第5期2003年10月

微电子学

M icroelectronics

V ol133,№5

O ct12003

收稿日期:2002209223;　定稿日期:2002211214

温度无关的传感器偏置网络等;2)信号调理功能块,包含传感器结果输出电路,并具有非线性补偿、独立的校正、测试、监测等功能;3)信号处理功能块,具有滤波、信号分析、线性化、数据融合、数据压缩功能;

4)输出接口功能块,具有数据显示、传输、存储功能。其中,信号调理、信号处理及输出接口功能块通常需要微控制器执行相应的程序来配合实现其功能。

由于硅材料既具有优良的电性能,又有极好的机械性能,目前,智能集成传感器系统主要是基于硅材料制作的。基于硅材料的传感器会表现出诸如漂移、非线性、噪音等非理想特性。此外,传感器最基本的特性(如灵敏度)会受制作时的容差、材料特性和环境的影响。为了对诸如温度等随时间变化的因素的影响进行补偿,必须连续监控温度变化,作出实时的判断,才能采取有效的补偿措施。校正时,不变因素的影响只需采用一次校正的方法。不论补偿还是校正,都很可能需要额外的硬件或软件,甚至同时需要额外的硬件和软件。集成传感器设计方法强调传感器的集成,而较少考虑有关传感器系统实现方面的问题。与之不同,在设计高智能集成传感器系统的时候,为了减少多余的劳动,提高系统的性价比,必须在系统设计之前充分考虑如何应用硬件和软件实现系统功能,优化系统的结构。随着微控制器信号处理能力的增强,越来越多的硬件功能通过软件实现,将使系统的硬件结构进一步简化。

3　硬件实现方法

实现高智能集成传感器系统有两条途径:混合实现和单片集成化实现。

311　混合实现

混合实现是指根据需要与可能,将系统各个集成化环节,如敏感单元、信号调理电路、微控制器单元、数字总线接口,以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上,并封装在一个外壳里。这种实现方法既能根据需要灵活地采用集成方案,降低集成实现的难度,又能灵活地利用信息融合等信号处理技术,确保系统具有极优越的性能。与非集成化传感器系统或简单的集成传感器系统相比,系统功耗较低、体积较小、重量较低、可靠性更高、速度更快。采用表面安装技术(S M T)进行二次封装,系统的某些模块失效后,可以将其替换,从而大大提高系统的性价比。

混合实现高智能集成传感器系统,是各国科技界研究的热门课题之一。日本、美国等国家已开发出在一块硅片上集成同时测量两个、三个甚至四个参量的多功能传感器,如测量温度和压力,测量湿度、温度和亮度,测量温度、湿度和风速。用这种多功能传感器组成的高智能集成传感器系统,既降低了系统中传感器的重量,又可方便地采用信息融合技术,并且把更多的处理电路与传感器集成在一起,进一步简化了系统组成,改善了系统性能。

这里介绍美国密歇根大学K1D1W ise等人采用混合实现方法集成的一个用于监测环境参数变化

的高智能集成传感器系统[5,6]。图1是其系统框图。

图1　采用混合实现的总线管理高智能集成传感器系统

该智能传感器系统可用于检测气压、温度、湿度、以及振动等参量。系统的核心是摩托罗拉68HC11微控制器(M CU),其中包含ROM、RAM、8位A D转换器、时序电路、串行通信电路等,通过M CU进行漂移、非线性和温度补偿。与采用传统的激光微调技术相比,系统的分辨率和灵敏度有一个数量级的提高。

312　单片集成化实现

单片集成化实现是指采用微机械加工技术和超大规模集成电路工艺技术,利用硅作为基本材料,制作敏感元件、信号调理电路、微控制器单元,并将它们集成在同一块芯片上,构成高智能集成传感器系统。这种单片集成的高智能集成传感器系统具有体积小、重量轻、速度快、信号噪声低、不受周围环境的影响等优点;同时,系统的智能化程度高,功耗小,使用方便。

M o toro la公司已实现了单片集成压力传感器系统[7],图2为其电路结构框图。这种传感器系统基于双层多晶硅、单层金属C M O S工艺,在一块SO I衬底上集成了压阻式压力传感器、温度传感器、电流、