第3章不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹

1、第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 目目 錄錄 第1章 概 述 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 第第3 3章章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實現(xiàn)方法 第6章 通信功能與總線接口 第7章 智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用 第8章 智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第第3 3章章 不同集成度不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹智能傳感器系統(tǒng)介紹 要 點： u 集成智能傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點； u 初級形式：單片集成和混合集成； u 中級形

2、式：敏感單元信號調(diào)理電路微處理器系統(tǒng)； u 高級形式：敏感單元陣列化，信號處理軟件高級化。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3.1 傳感器的集成化和智能化 3.1.1 3.1.1 傳感器的集成化傳感器的集成化 1 1、 集成化的概念：集成化的概念： 它有兩方面的含義： 1）傳感器的陣列化，即將同一功能的單個傳感器按一維、二維甚至三 維的形式集成在同一芯片上。比較典型的例子是CCD。 2）傳感器的多功能化。將不同功能的傳感器集成在同一芯片上或幾個 芯片組合在一起或?qū)鞲衅鞯拿舾性?、信號處理電路甚至微處理器集?在一起。如厚膜電路，ST3000等。 2 2、 集成化的優(yōu)點集成化的優(yōu)點 提高

3、了傳感器的整體性能；降低了生產(chǎn)成本；可大規(guī)?；a(chǎn)；提高了 傳感器的可靠性：與傳統(tǒng)方式相比，主要是消除了中間環(huán)節(jié)一些不可靠因素 的影響； 多功能化、智能化：可實現(xiàn)多參數(shù)檢測；拓寬了使用范圍。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3.1.2 3.1.2 傳感器的智能化傳感器的智能化 集成化的智能傳感器主要由： 傳感器：分主傳感器和輔助傳感器 補償和校正電路：指溫度補償和非線性校正 調(diào)理電路：濾波、放大、量程變換 接口電路：輸入、輸出接口、信息接口等 微處理器。 按傳感器技術(shù)的發(fā)展層次分成三種形式： 1 1、 初級形式初級形式 敏感元件溫度補償及校正電路線性補償電路信號調(diào)理電路。與 傳統(tǒng)傳感器相

4、比，精度和性能得到了大大提高，比較典型的例子是： MOTOROLA公司的單片集成壓力傳感器MPX3100。 2 2、 中級形式中級形式 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 在初級形式的基礎(chǔ)上增加了微處理器和硬件接口電路，擴展功能有： 自診斷（指故障、超量程）、自校正（進一步消除測量誤差）、數(shù)據(jù)通 訊，這些功能主要以軟件的形式來實現(xiàn)，因此它的適應(yīng)性更強。 3 3、 高級形式高級形式 在中級形式的基礎(chǔ)上，硬件上傳感器多維化和陣列化，軟件上結(jié)合神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)（專家系統(tǒng)、遺傳算法等）和模糊控制理論甚 至還有預(yù)測控制理論等，使它具有人腦的基本功能：識別、記憶、學(xué)習(xí)、 思維。 由于我們國家

5、的大規(guī)模集成電路的工藝水平和半導(dǎo)體集成技術(shù)比較 低，近期內(nèi)難以實現(xiàn)單片集成化智能化傳感器（特別是中級形式），主要 是研究開發(fā)混合式集成傳感器。利用部分進口芯片、國產(chǎn)芯片和敏感元 件，利用現(xiàn)有條件實現(xiàn)傳感器智能化，或者在現(xiàn)有的傳感器外殼內(nèi)，裝上 專用集成電路芯片和單片微型計算機芯片（嵌入式系統(tǒng)）。這對于某些單 純靠硬件電路來實現(xiàn)的測量系統(tǒng)（如紅外測溫儀）還是很有實用價值的。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3.2 集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級形式 下面我們舉例介紹初級形式的結(jié)構(gòu)組成，了解與傳統(tǒng)傳感器相比，硬 件上它有哪些改進手段、方法和措施。 3.2.1 3.2.1 單片集成式單片集成式 1

6、、 具有CMOS放大器的單片集成壓阻式壓力傳感器 1）結(jié)構(gòu)：敏感元件CMOS信號調(diào)理電路 2）加工工藝： 只進行單面加工，與標準IC工藝完全兼容。 3）尺寸：1.5mm2 4）電路結(jié)構(gòu)（見下圖）： a） ：5k； b) 、 構(gòu)成同向放大器； 形成壓力腔 掩蔽腐蝕高溫鍵合技術(shù) 離子注入工藝 制作壓阻電橋 14 RR 1 A 2 A 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 優(yōu)點：輸入阻抗高，共模抑制比高。 放大倍數(shù)： ，改變 ，可以調(diào)整 。 56 1 W RR R A w RA 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 c）A3：基本差動輸入放大器，放大倍數(shù)： 當 ， 時， 。 d）總的差模放大倍數(shù)：

7、e）降低 有益于減少輸出溫度漂移，從而減小電路的輸出失調(diào) 電壓 。 2 2、 MOTOROLA MOTOROLA單片集成壓力傳感器單片集成壓力傳感器MPX3100MPX3100 量程：0100kPa；被測量：差壓、表壓、絕對壓力； 結(jié)構(gòu)：應(yīng)變儀溫度補償、校準和信號調(diào)理激光修正。 1）敏感元件結(jié)構(gòu)及原理 a）結(jié)構(gòu)為單個X型的壓敏電阻 b）工作原理：利用單片壓敏電阻產(chǎn)生隨壓力而變化的輸出電壓。受 8910 8107 RRR RRR A 87 RR 109 RR 9 8 R R A 569 8 (1) W RRR dRR AA A A 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第3章 不同集成度智能傳感

8、器系統(tǒng)介紹 到壓力時，原來結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶和價帶之間的禁帶寬度發(fā)生變化，使載流子 的數(shù)量和載流子的遷移發(fā)生變化。 壓阻效應(yīng)的另一種表達方式：電場分量 ，電流密度分量是 ， 應(yīng)力分量是 ：無應(yīng)力作用時的各向同性電阻率；1，2，3表示3個軸方向。 ：縱向壓阻系數(shù)； ：橫向壓阻系數(shù)； ：剪切壓阻系數(shù)。 對于P型硅， 具有最大值。 j E i i ij 1 111 1112223344212313 1()() E iii 2 2112212113344121323 1()() E iii 3 3113312112244131232 1()() E iii 11 12 44 44 第3章 不同集成度智能傳感

9、器系統(tǒng)介紹 若令： 、 0，則有： ， 為剪切應(yīng)力。 ， ， ， 電場 E1 引起該方向的電位分布發(fā)生變化。 c）加工工藝：掩蔽腐蝕陽極鍵合法離子 注入工藝激光微加工技術(shù)激光修正技術(shù)。 導(dǎo)電類型 壓阻系數(shù) PSiNSi 6.6-102.2 -1.153.4 133.1-13.6 1 i 3 i 1 2 4412 E i 12 11212 out VdEd kk 44 2 ki kdk 11 12 44 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 d）失調(diào)誤差由橫向電壓抽頭的對準度決定。 2）溫度補償 一般半導(dǎo)體器件的輸出參數(shù)均受溫度的影響，為消除影響需進行補償。 a）滿量程溫漂補償 X型壓力傳感器輸

10、出電壓幅度隨溫度升高而降低， -0.19/， 傳感器的輸出與激勵電壓成比例關(guān)系，采用前面介紹的拼湊補償法。在X型 傳感器的激勵電源上串入一具有負溫度系數(shù)的電阻 ；X型壓力傳感器本 身的電阻具有正溫度系數(shù)，也起到一定補償作用，補償精度可達到0.5。 b）零位溫漂補償 一般情況下，可通過光刻工藝使零位失調(diào)和溫漂做得很小，在要求較高 和寬溫度范圍內(nèi)工作，需進行補償。（電路圖參見下圖） 的作用：進行零位溫漂補償；提高輸入阻抗。 T S R 1 OA 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 MPX3100 內(nèi)部線路圖 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 的作用：將差分輸出轉(zhuǎn)換為單端對地輸出；通過阻抗轉(zhuǎn)換

11、提高 共模抑制比。 、 構(gòu)成同相串聯(lián)差動運算放大器，共模增益為零。 補償電阻 ，可采用小信號分析法求得： 3）信號調(diào)理和校準電路 ：精密電壓基準，校準整個系統(tǒng)的零位輸出電壓。 MPX3100的零位：0.5V；滿量程：2.5V。 、 提供電壓基準，保證零位輸出0.5V。 放大器： 、 用于保證系統(tǒng)滿量程輸出，校準：采用激光修 正電阻 的方法。 3 3、 帶帶C/UC/U轉(zhuǎn)換電路的硅電容式單片集成壓力傳感器轉(zhuǎn)換電路的硅電容式單片集成壓力傳感器 3 R 1 OA 2 OA 112 212 35 () VR R VRR RR 3 O 7 R 8 R 2 OA 4 OA G R 2 OA 第3章 不同集

12、成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 壓力敏感部分 的硅片面積為： 120mils120mils； 總的面積為： 145mils130mils 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 前面的介紹表明：硅電容式的性能指標高于擴散硅壓阻式，靈敏度 高1幾個數(shù)量級，功耗低2個數(shù)量級。 缺點：輸出的非線性。 組成：敏感單元（單島型彈性膜片）C/U轉(zhuǎn)換電路放大電路（信 號調(diào)理）帶隙電壓基準電路數(shù)字校正時鐘電路三階低通濾波器 1）信號調(diào)理電路 采用了差動結(jié)構(gòu)設(shè)計；信號傳感器電容： 、 ；參考傳感器電 容： 、 ；優(yōu)點：消除干擾信號的影響（溫度、雜散電容）。 a）根據(jù)下圖中提供的開關(guān)電容調(diào)理電路 我們可以將其中的前級放大部

13、分進 行簡化分析。 當開關(guān) 吸合： 1 S C 2 S C 1 R C 2 R C 2 S 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 傳感器的開關(guān)電容調(diào)理電路 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 當 ， 時， ， b）后一級放大電路，其工作原理與前一級類似，輸入信號部分為： 、 ；且 ， 。 輸出電壓： c）假設(shè) ， 均為平板電容，則： 12 1221 12 1 ()() RR SS CC bgbgbgbgMCC UUUUUU 12 SS CC 12 RR CC0 M U 1 12 1 1 2() R S C bgbgC UUU 1 U 12 () bgbg UU 333 CC 444 CC 3

14、 124 21 () C bgbgSC UUUUU 31 124 1 ()(21) R S C C bgbgSCC UUU 1 S C 1 R C 10 () S A SXX P C 10 R A RX C 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 取： ，則： 。 上式可變換為： d）傳感器靈敏度的調(diào)整：用程控電容陣列開關(guān)，選定不同的 比值。 2）帶隙電壓基準電路 a）從上面推導(dǎo)出的輸出表達式中，輸出信號電壓與基準電路提供的 電壓成正比，因此可通過調(diào)整帶隙電壓的溫度系數(shù)來補償靈敏度溫度系 數(shù)的影響，達到溫度補償和校正的目的。 b）提供高穩(wěn)定度的電壓值。 3）傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)：方形膜片（單島

15、型）上下兩片硼硅玻璃。 引線：由金屬化的玻璃表面引出。 1 1 1 2 R S C C 1 2 R S A A 3 1240 () 2 () CX P bgbgSCX UUUU 3 4 C C 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 加工工藝：掩蔽腐蝕陽極鍵合微加工技術(shù) 尺寸：8.4mm6.2mm。 關(guān)于帶隙基準電壓源：關(guān)于帶隙基準電壓源： 為滿足現(xiàn)代電子測量之需要而提出的。它是基于能帶間隙基準電壓源 的概念。所謂能帶間隙是指半導(dǎo)體材料在0K溫度下的帶隙電壓，其數(shù)值約 為1.205V，用 表示。 0g U 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 帶隙基準電壓源的基本原理是利用電阻壓降的正溫漂去補償

16、晶體管發(fā) 射結(jié)正向壓降的負溫漂，從而實現(xiàn)零溫漂。由于未采用工作在反向擊穿狀 態(tài)下的穩(wěn)壓管，因此噪聲極低?；鶞孰妷涸吹谋磉_式為： k：玻爾茲曼常數(shù)； q：電子電量； T：熱力學(xué)溫度。 2 32REFBEC UUI R 21 32 ln RR kT BERqR U 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 其電壓溫度系數(shù)： 式中， 2.1mv/,第二項為正數(shù)，只要選擇適當?shù)碾娮?比，使兩項之和等于零，即可實現(xiàn)零溫漂。條件為： 1.205v 是常溫 下 的值。這表明從理論上講，基準電壓與溫 度變化無關(guān)。實際上，由于受基極電流 等因素的影響， 只能接 近零溫漂。 21 32 ln REFBE dUdURR

17、 k TdTdTRqR q BE dU dT 21 32 0 ln RR kT BERqR U 0g U 0BE U 0 T BE U REF U B I 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 4 4、 具有頻率或數(shù)字輸出的單片集成傳感器具有頻率或數(shù)字輸出的單片集成傳感器 優(yōu)點：測量精度和分辨率高；抗干擾能力強；直接進行數(shù)字信號處 理（或簡單預(yù)處理）；提高了系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度；成本低。 結(jié)構(gòu)形式：硅微結(jié)構(gòu)諧振式、聲表面波（SAW）式、電子振蕩式、觸 發(fā)器式。 1）硅微結(jié)構(gòu)諧振式 特點:微型化、功耗低、響應(yīng)快、易集成。 激勵方式：熱激勵、光激勵、電磁激勵。 a）電阻熱激勵 主要是提供了一個熱

18、激勵源，該激勵以加熱電阻的形式實現(xiàn)。當 加熱電阻通以帶有直流分量的交變電壓時，會引起膜片的溫度應(yīng)力產(chǎn) 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 生交變，當其頻率 與膜片的自激頻率一致時，膜片將發(fā)生諧振。通 過 組成的電橋檢測到含 的輸出信號。該信號一方 面作為測量信號，另一方面可將它反饋到加熱電阻R上，構(gòu)成微結(jié)構(gòu)諧振 式傳感器的閉環(huán)自激系統(tǒng)。 當膜片受壓力作用時，膜片諧振子的諧振頻率將產(chǎn)生變化，壓力與 頻率之間有一定的對應(yīng)關(guān)系。 需要注意的問題： 、 的特性， 、 的特性要一致。 ii) 注意橋路電源電壓 對膜片溫度分布的影響。 b）光激勵 1 R 4 Rcos t 1324 1423 0()()

19、 R RR R RRRR UU 1 R 3 R 2 R 4 R 0 U 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 熱激勵硅膜片電阻分布 光激勵諧振式傳感器 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 加上光激勵信號，且光激勵信號頻率與懸臂梁的諧振頻率相等 時，懸臂梁會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，通過測量光纖對管中接收光纖的信號變化 就可以測出值。 c）電磁激勵 電磁激勵實際上由激勵線圈激勵硅梁拾振硅梁拾振線圈與 梁中電流方向相垂直的磁場組成，其中磁場由永久磁鐵提供。 當被測壓力作用時，膜片產(chǎn)生形變，中心處和邊緣處的應(yīng)力方向相 反，中心處受拉，邊緣處受壓。中心處硅諧振梁的頻率增加，邊緣處的 頻率則下降，最高精度可達0.

20、01FS。 用測量頻率差的方法檢測壓力，可以抑制環(huán)境溫度等外界因素造成 的誤差。 2）聲表面波（SAW）式（surface acoustical wave） a）波的類型 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 硅諧振式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)圖 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 縱波： ，質(zhì)點振動平行于傳播方向； 橫波： ，質(zhì)點振動垂直于傳播方向； E：彈性模量，：密度，：泊松比。 各向異性物質(zhì)中聲波的傳播： 固體有界時，由于邊界變化的限制，可出 現(xiàn)各種類型的聲表面波：瑞利波、電聲波、 樂甫波、廣義瑞利波、拉姆波等。 就波的傳播速度與頻率有無關(guān)系， 分為色散波和非色散波（瑞利波、電聲波）。 b）

21、聲表面波的主要性質(zhì)： i) SAW的反射及模式轉(zhuǎn)換 (1) (1)(1 2 ) E L V 1 2(1) E S V 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 壓電晶體表面蒸上金屬指條；表面 刻有溝槽均能引起波的反射。 ii) 波束的偏離與衍射效應(yīng) iii) 聲表面波的衰減： 偏離與衍射；表面波與材料熱聲子相互 作用引起；材料表面粗糙在傳播時不斷向氣 體中輻射聲波（與氣體性質(zhì)、氣壓有關(guān)）。 c）聲表面波叉指換能器 叉指周期：T2a2b 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 W換能器的孔徑；ab，聲波波長： ； ， 工作頻率只受加工工藝限制。 若因外界因素的影響，引起v與的變化，則 產(chǎn)生變化。 ，：

22、應(yīng)變率； ，常數(shù)。 d）聲表面波傳感器 i) 聲表面波振蕩器 R型（反射） DL型（延遲線型） ii) SAW力和加速度傳感器 利用：應(yīng)力作用，使基片的彈 性系數(shù)和密度發(fā)生變化，應(yīng)力在SAW傳 播方向上產(chǎn)生應(yīng)變，使L和改變，SAW的傳播速度和頻率也相應(yīng)地變化。 靈敏度： ，由于 ， 1k v f 1 04 v a f 0 f 0 (1)fkf f vL fvL f v fv L L 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 石英晶片地靈敏度：0.51.5kHz/N，壓電陶瓷片：10kHz/N。 iii) SAW氣體傳感器 以延遲線振蕩器為基礎(chǔ)，氣體地吸附作用轉(zhuǎn)變?yōu)楦采w層密度的變化， SAW延遲線傳

23、播路徑上的質(zhì)量負載效應(yīng)使SAW波速發(fā)生變化 ，進而引起頻 偏。 e）構(gòu)成 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 聲表面波諧振器（SAWR）（由叉指換能器金屬柵條式反射器構(gòu)成） 放大器匹配網(wǎng)絡(luò)（實際上就是移相網(wǎng)絡(luò)電路） f）加工工藝：金屬淀積工藝光刻技術(shù) 工作原理：基于壓電材料的逆壓電和正壓電效應(yīng)。在激勵SAW叉指換 能器上加上適當頻率的交變電信號后，壓電基底內(nèi)部會產(chǎn)生交變電場分 布，由于逆壓電效應(yīng)，激勵叉指換能器的叉指電極間的材料將產(chǎn)生周期形 變，這種周期性的形變就產(chǎn)生沿叉指兩側(cè)表面?zhèn)鞑コ鋈サ腟AW，其頻率等 于所施加電信號的頻率。當這種SAW通過基底傳播到接收叉指換能器時， 借助正壓電效應(yīng)，

24、接受叉指換能器將輸出交變的電信號。 起振后的振蕩頻率會隨著溫度、壓電基底材料的變形等因素影響而發(fā) 生變化。 反射柵條的作用：反射柵條主要是將SAW反射回來，加強振蕩效果， 這有點像激光器兩端反射膜的作用。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3）集成數(shù)字溫度傳感器 a）Maxim公司的產(chǎn)品 利用PN結(jié)的溫度特性，輸出形式：模擬輸出、邏輯輸出、數(shù)字輸出 ，數(shù)字輸出型一般帶有串行接口： 、 、 具體產(chǎn)品型號：MAX6575L/H、6576、6577 溫度范圍：-35125；封裝0S0723 例:單線接口數(shù)字溫度傳感器（見下圖） 2 I C/SPI QSPISMBUS 第3章 不同集成度智能傳感器

25、系統(tǒng)介紹 時間系數(shù)的選擇: ( ) 6575L6575H GND GND5160 GND20320 GND40480 80640 /s k 1 TS 0 TS DD V DD V DD V DD V 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 測試溫度與延遲時間的關(guān)系： T（） 273.15K 溫度傳感器保持低電平的時間為5T（s）。 b）DALLAS公司產(chǎn)品，DS1820 技術(shù)指標：-5575，精度：0.5 9位溫度讀數(shù)，其中一位符號位，A/D轉(zhuǎn)換時間200ms，用戶自定義 報警上下限。 64BitRom結(jié)構(gòu)： 8bitCRC48bit序列號 8bit工廠代碼（10H） () / ) Dx ts

26、s k 時間系數(shù)（ 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 測溫原理：內(nèi)部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器計數(shù)。在低溫時振 蕩器的脈沖可以通過門電路，而達到某一設(shè)置高溫值時，振蕩器的脈沖無 法通過門電路。計數(shù)器設(shè)置為55時的初值。 正常工作步驟： 1）系統(tǒng)通過反復(fù)操作，搜索DS1820序列號； 2）啟動所有在線DS1820作溫度A/D變換； 3）逐個讀出在線DS1820變換后的溫度數(shù)據(jù)。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3.2.2 3.2.2 初級形式的混合多片集成式初級形式的混合多片集成式 1 1、 具有溫度補償功能的壓阻全橋傳感器具有溫度補償功能的壓

27、阻全橋傳感器 我們首先給大家介紹一下半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器中六種產(chǎn)生溫漂的主要 原因。 i) 壓阻系數(shù)隨溫度變化對靈敏度溫度漂移系數(shù)的影響； ii）在腔體內(nèi)存在殘余氣體溫度變化，引起氣體體積的變化產(chǎn)生應(yīng) 力； iii）橋路電阻的不等性（各電阻阻值不同、兩支路電阻值不同），由 膜厚不均引起。 iv）橋臂電阻的漏電流橋臂電阻之間的絕緣度（表面電導(dǎo)、體電導(dǎo)）； v）在 或鈍化膜硅界面之間的熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng) 力； vi）裝配應(yīng)力的影響（選擇溫度系數(shù)相近的材料進行裝配并注意配合、 選擇好的粘合方式）。 2 SiOSi 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 a a）零位失調(diào)及零位溫度漂移的補償）零位失調(diào)

28、及零位溫度漂移的補償 i）四橋臂電阻值已知，可尋取串聯(lián)和并聯(lián)附加電阻的方式，保證輸出 電壓表達式中分子為零； ii）四橋臂電阻未知，零位失調(diào)電壓已知，根據(jù)失調(diào)電壓的正負，可在 確定的橋臂上也采取串并聯(lián)的方式。 采用串聯(lián)方式，串聯(lián)電阻： iii）零點溫度漂移的補償 主要是考慮橋臂電阻溫度系數(shù)不一致性，一般是采用串聯(lián)和并聯(lián)的方 式，該串、并聯(lián)電阻溫度系數(shù)近似為零。計算方法書中有詳細的介紹，這里 就不贅述了。 計算過程為：先根據(jù)已知的橋臂電阻的初始值和各自的溫度系數(shù)計算出 1324 1234 0()() R RR R RRRR UU 0 4 0 R SU RU 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹

29、零位失調(diào)補償方法 (a) 串聯(lián)法 (b) 并聯(lián)法 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 作業(yè)作業(yè)5 5 試就四橋臂電阻未知，零位失調(diào)電壓已知，根據(jù)失調(diào)電壓試就四橋臂電阻未知，零位失調(diào)電壓已知，根據(jù)失調(diào)電壓 的正負，在確定的橋臂上采取并聯(lián)方式，該并聯(lián)電阻如何計的正負，在確定的橋臂上采取并聯(lián)方式，該并聯(lián)電阻如何計 算？算？ 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 K值： 然后根據(jù)下面公式： , 求出 、 （ ）,將 串入 臂， 將 并入 臂。 iv) 半橋電路零點溫度漂移補償： 0, 并在 上； 1FS/, 0.5FS/ 3 1 10/ 4 1 10/ BG U Z T S T 第3章 不同集成度智

30、能傳感器系統(tǒng)介紹 雙橋補償電路 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 b) 零位溫漂補償電路 由 來實現(xiàn)， 并接在橋臂電阻上，該橋臂電阻隨溫度的變化率改 變量為： 在前面的講述中，我們曾就并接電阻后，橋臂電阻隨溫度的變化率與 橋臂電阻、并聯(lián)電阻之間關(guān)系式作過推導(dǎo)，可根據(jù)此式求出 的值。 c）靈敏度溫度補償電路 采用三級管并接旁路電阻的形式，具體補償參數(shù)的選擇可參照力學(xué) 量敏感器件及應(yīng)用書中有關(guān)內(nèi)容。 、 的選擇應(yīng)滿足： 在12v之間， 為橋路的等效輸入電阻： d）信號放大電路 P R P R 0 4 E U U P R A R B R 0 /() BCCAB R VRRR 1234 1234

31、()()RRRR RRRR 0 R 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 混合集成壓力傳感器電路圖 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 采用的是同相并聯(lián)差動運算放大電路， ：改善最終的輸出特性。 e）零位時漂調(diào)整電路 由 、 、 構(gòu)成。上述各補償電路在實際使用中需考慮一下幾點 因素： i) 相互之間的影響關(guān)系； ii）補償及調(diào)整的先后次序； iii）工作點的選擇； iv）增加適當?shù)目烧{(diào)整環(huán)節(jié)。 補償結(jié)果： 0.1FS/， 0.04FS/， 12v 。 2 2、 一種帶有信號調(diào)理電路的混合集成壓力傳感器一種帶有信號調(diào)理電路的混合集成壓力傳感器 構(gòu)成： 敏感元件放大器（同相串聯(lián)差動運算放大器）溫

32、度補償電路 在下圖中， 4 A 6 R 7 R Z T S T 0 U 5 R 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 壓力傳感器電路圖 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 1） 構(gòu)成壓阻全橋，通過控制制作工藝，使之盡量保證好的 使用性能； 2）放大電路采用了同相串聯(lián)差動運放，這樣可使之具有高的輸入阻 抗和低漂移信號輸出，亦即具有高的共模抑制比； 3）電源采用帶隙基準電壓源，使之具有低的溫度漂移； 4）靈敏度溫度補償采用上下對稱的晶體管旁路電阻形式，這樣在起 到補償作用的同時，保證電橋輸出的共模電壓在整個溫度范圍內(nèi)為一常 數(shù)，為什么？ 5）零位溫漂補償采用了可調(diào)的多個二極管組合的溫度傳感器；

33、6）零位輸出值通過 和 來進行調(diào)節(jié)； 7）該集成傳感器共有四塊IC芯片采用厚膜技術(shù)集成為一體。 1 R 4 R 17 R 3 A 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 作業(yè)作業(yè)6 6 給出前置放大器、自穩(wěn)零放大器、隔離放大器、儀表放給出前置放大器、自穩(wěn)零放大器、隔離放大器、儀表放 大器的基本結(jié)構(gòu)，說明其主要性能特點。大器的基本結(jié)構(gòu)，說明其主要性能特點。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3 3、 數(shù)字補償電容式壓力傳感器數(shù)字補償電容式壓力傳感器 1）構(gòu)成：傳感器芯片傳感電容參考電容CF轉(zhuǎn)換器，其中的 CF轉(zhuǎn)換器為電容控制的方波振蕩器。 數(shù)字電路部分主要是將頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。 2）工

34、作原理 在小量程范圍內(nèi)，電容極板間隙的變化量可以等效為： ：為與膜片尺寸有關(guān)的常量。前面的分析表明，相應(yīng)于電容C0，它的 輸出頻率為： , ：充放電電流， ：翻轉(zhuǎn)電 壓值。 無壓力作用與有壓力作用時的頻率差： ， d：極板初始間隙。這說明壓力差與頻率差之間的線性關(guān)系。 3）補償技術(shù) 指導(dǎo)思想：先在結(jié)構(gòu)上進行補償，然后通過后續(xù)電路進行補償。 WK P K 0 02 x h I C U F x Ih U 0 2 x h I K P C U d F 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 電容控制的方波振蕩器式壓力傳感器 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖及實物照片 第3章

35、不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 假設(shè)： 時， ， 在 溫度變化范圍內(nèi)：參考電容的電流溫度系數(shù)為 ， 的溫度系數(shù)為 ，傳感電容的電流溫度系數(shù)為 ， 的溫度系數(shù) 為 ，略去中間推導(dǎo)過程，則有： a）靈敏度溫度漂移的補償 通過調(diào)整 的 值，使： 。 b）零點溫漂的補償 通過調(diào)整 的 值，使： 。 c）實際上 ，因此仍存在零點輸出。 4）數(shù)字調(diào)整技術(shù) a）講述通過計數(shù)器進行差頻計數(shù)的方法：遞增計數(shù)（ ）與遞減 計數(shù)（ ） 0 I 0P 0 x CC 0 x QQ 1 2 (); h CU Q T 0 Q 0 Q x I 00 00 00 ()1() xx I Q K xIIQId FI QTTP 0 (

36、) x IQ x C g U 0 x II 0 C g U 0 x CC 0 C x C K 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 b）講述零點輸出數(shù)字補償?shù)姆椒ǎ侯A(yù)置初值。 c）量程調(diào)整的方法 改變計時電路的計數(shù)時間 5）傳感器的制作工藝 a）制作傳感器膜片和電容的下電極；用CMOS工藝制作相應(yīng)電路。 b）上下玻璃按要求進行加工，其中上層玻璃制作電容的上電極及引 線等。 c）硅片與上下玻璃之間的鍵合。 d）切成單個芯片。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 電容式壓力傳感器用于微麥克風(fēng)設(shè)計 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3.3 集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級形式 3.3.1 ST-30

37、003.3.1 ST-3000型智能變送器型智能變送器 PROM：可編程的只讀存貯器，E2PROM：電擦除可編程只讀存貯器；特 點：在計算機系統(tǒng)中進行在線修改，能在斷電情況下保持修改結(jié)果。 特點：可進行差壓、靜壓、溫度三種量的測量； 在初級的基礎(chǔ)上增加了微處理器、存儲器、I/O接口； 輸出信號：兩種，一種是420mA標準模擬信號，另一種為數(shù) 字信號。 性能：消除了交叉靈敏度的影響，使之具有高精度、高穩(wěn)定性； 操作和使用：有點類似可編程控制器 1 1、 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 1）結(jié)構(gòu)：傳感器芯片（電橋多路開關(guān)A/D）及信號調(diào)理電路 微處理器系統(tǒng)（ROMCPUD/A數(shù)字I/O） 第3章 不

38、同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 2）工作原理 主傳感器：P傳感器；輔助傳感器：P、T；根據(jù)P值可確定工作點； PROM存放：待測壓力特征數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度特征數(shù)據(jù)、靜壓特征數(shù)據(jù)。 特征數(shù)據(jù)在生產(chǎn)線上檢測校準時，由計算機采集預(yù)處理后送入PROM中。 2 2、 性能特點性能特點 1）寬量程化： 量程比：100：1（Max 400：1），一般傳感器：10：1 量程比是指最大量程與最小量程的比值。 2）高精度和穩(wěn)定性 模擬輸出： 0.075FS，數(shù)字輸出： 0.0625FS 作為對照：MOTOROLA公司的具有溫度補償、校正和信號調(diào)理電路 的全集成單片硅壓力傳感器MPX4100和MPX5100系列（在085范

39、 圍內(nèi)）只有15的總精度，典型值為 0.2FS（25）。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 3）雙向通信 由于它本身帶有微處理器系統(tǒng)，所以比較容易實現(xiàn)現(xiàn)場與遠程通信。 4）自診斷功能 主要是檢查系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)問題和及時糾正。 5）寬域溫度及靜壓補償 T：-40110；P：0210kgf/ =22Atm 3 3、 制作工藝流程制作工藝流程 1）芯片制備 2）芯片檢查 3）芯片背面工藝，制作傳感器 4）裝配測試 5）制作主要設(shè)備 在這里大家只需建立這樣一個概念：就是智能傳感器是如何制作出 2 cm 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 來的，有關(guān)加工的方法在第四章里作具體介紹。 4

40、4、 SFC SFC智能現(xiàn)場通訊器功能智能現(xiàn)場通訊器功能 1）組態(tài)：根據(jù)需要進行各種參數(shù)的預(yù)置（量程、輸出單位、輸出形 式） 2）診斷：前面已作過簡單介紹 3）校驗：校驗輸出或整定零點。實際上現(xiàn)在已可以做到自整定。 4）顯示：顯示有關(guān)信息，以便了解系統(tǒng)情況。 5）遠距離調(diào)節(jié)。 3.3.2 3.3.2 具有微處理器（具有微處理器（MCUMCU）的單片集成壓力傳感器）的單片集成壓力傳感器 這一部分的內(nèi)容與前面講的內(nèi)容大同小異，這里就不作介紹了，大家 可以自己看一看參考教材，有什么問題可以提出來探討。 下面給大家介紹國內(nèi)研制的一種混合式的智能紅外線測溫儀。 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 ST-3000ST-3000實物圖實物圖 通過通過PCPC機進行現(xiàn)場組態(tài)機進行現(xiàn)場組態(tài) 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 SFCSFC智能現(xiàn)場通訊器智能現(xiàn)場通訊器MCTMCT多協(xié)議通訊器多協(xié)議通訊器 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 SFCSFC通過變送器通過變送器 接線端子排、接線端子排、 現(xiàn)場接線盒、現(xiàn)場接線盒、 控制室儀表盤、控制室儀表盤、 與智能變送器與智能變送器 連接示意圖連接示意圖 現(xiàn)場接線盒 控制室 儀表盤 變送器接線端子排 SFCSFC與變送器信號線連接示意圖與變送器信號線連接示意圖 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 基于SMV3000