e第五章-集成傳感器課件

本課件配套教材新型傳感器原理及應用ISBN7-111-09929-X

作者:王元慶 出版者:機械工業(yè)出版社 南京大學電子科學與工程系集成傳感器第五章集成傳感器第一節(jié)集成壓敏傳感器1、硅電容式集成傳感器2、擴散硅壓敏傳感器第二節(jié)集成溫敏傳感器1、PTAT核心電路2、電流輸出型集成溫敏傳感器3、集成溫控開關第三節(jié)集成磁敏傳感器1、開關型集成磁敏傳感器2、開關型集成磁敏傳感器特性第四節(jié)集成傳感器應用實例1、液晶顯示與背光照明2、背光模塊的溫度控制3、CCFL的亮度控制yqwang@rinciplesandApplicationsofNovelSensors第一節(jié)集成壓敏傳感器DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors硅電容式集成傳感器擴散硅壓敏傳感器PrinciplesandApplicationsofNovelSensors1、硅敏感電容器一、硅電容式集成傳感器硅電容式集成傳感器大體上由硅壓力敏感電容器、轉換電路和輔助電路三部分構成。玻璃金屬鋁膜金屬鋁膜十幾微米SiDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors定性分析DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors相對壓力的測量DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors絕對壓力的測量DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsW0HL圓形膜——電容結構C0CxabC0CxDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsL——鋁電極板間的極距；H——硅膜厚度；P——外部壓力；

——硅膜材料的泊松系數(shù)

E——彈性模量。W0HLabC0Cxb/a=gDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors圓形膜——電容值計算設圓形硅膜壓敏電容

L=20m，H=2m，b=350m，a=500m，

E=130×103MPa，=0.18，P=100kPa。計算得：C0=1.7pF，Cx

=1.285C0，C=0.415pF。擴散硅電容器的電容值很小，受壓產(chǎn)生的電容值變化(0.1～10pF)也很小，這就要求測量電路必須具有相當高的靈敏度和很低的零點漂移。必須采用集成電路。舉例W0HLabC0CxDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsg1=b1/a；g2=b2/a；g3=b3/aab3b2b1環(huán)形膜——結構C0CxDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsg1=b1/a；g2=b2/a；g3=b3/aDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsg1=b1/a；g2=b2/a；g3=b3/a環(huán)形膜——電容值計算ab3b2b1C0CxDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors溫度補償——圓形膜abC0CxDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors溫度補償——環(huán)形膜(cTx-cT0)與(gn2,gn4,gn6

)有關的項，通過適當?shù)剡x取gn(n=1,2,3)使(cTx-cT0)為最小值，以便最大限度消除溫度的影響。2、測量電路轉換電路有兩類：電容→電壓：采用交流電源激勵，通過整流電路來檢出電容的變化，得到與電容有關的電壓信號。對轉換電路的基本要求：減少雜散電容或寄生電容對力敏電容的干攏：把壓敏電容與傳輸線有效隔離開來，提高測量精度。解決辦法：把力敏電容和轉換電路集成在一起電容→頻率：敏感電容作為振蕩電路的電容元件，電路振蕩頻率隨電容而變化，得到與外部壓力有關的頻率信號。在集成電路中，壓敏電容器是電路的內部元件，它與任何輸入或輸出引線之間都是隔離的。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors工作原理分析：電路結構RfRfCfCfCcCcCxC0D1D2D3D4ABVpDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors(上半周)RfRfCfCfCcCxC0D1D2D3D4ABVpCctttVpQAQBDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors(下半周)CctttVpQAQBRfRfCfCfCcCxC0D1D2D3D4ABVpDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsRfRfCfCfCcCxC0D1D2D3D4ABVpCctttVpQAQBDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsRfRfCfCfCcCxC0D1D2D3D4ABVpVV0tttVpQAQBDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors為克服二極管的正向壓降對靈敏度的影響，可以將四個二極管換成MOS晶體管RfRfCfCfCcCxC0D1D2D3D4ABVpDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsCP8型集成壓敏傳感器振蕩器：BG1、BG2處于直流電壓負反饋狀態(tài)，C1、C2耦合。輸出緩沖電路：兩級射極跟隨器進行阻抗變換。整形電路：BG4、BG5構成斯密特觸發(fā)器，增大波形幅度、改善邊沿特性。D7～D10鉗位，防止BG4、BG5飽和而影響電路響應速度。壓力敏感元件：包括低通濾波器。放大器：進一步濾除共模交流信號中的噪聲DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors二、擴散硅壓敏傳感器電阻應變片F(xiàn)FDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsFF（——泊松系數(shù)）DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors1、對于金屬材料2、對于半導體材料例如：康銅，C1、0.3，應變系數(shù)Km2.0例如：p型硅，應變系數(shù)Ks175.0——壓阻系數(shù)，E——彈性模量DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors敏感柵金屬箔（鉑）厚度0.008~0.015mm電阻值100金屬絲（鉑）直徑0.015~0.05mm電阻值100DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors基底：紙質或膠質，0.02~0.04mm粘結劑：萬能膠、501、502、914、509等保護層：紙質或膠質敏感柵常見的合金材料：康銅、鎳鉻合金、鉑、鉑鎢、鉑銥常見的半導體材料：p型硅、n型硅、p型鍺、n型鍺常用的敏感材料DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors長江三橋一個鋼梁14mm/°C應變片的應用DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors應變片的蠕變和零漂原因FF時間應變片輸出零點漂移蠕變DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors基于應變片的力傳感器懸梁式應變片F(xiàn)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors基于應變片的力傳感器懸梁式應變片F(xiàn)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors應變片F(xiàn)基于應變片的力傳感器懸梁式DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsE——彈性模量DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors應變片F(xiàn)lbh基于應變片的力傳感器柱（筒）式90°應變片DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors柱（筒）式FFDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors柱（筒）式FFDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors應變片的測量電路——電橋電橋輸出電壓：——條件：負載電阻RLRL負載電流IL0ILER1R4R3R2UoDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors設：四個橋臂應變片分別變化

R1、

R2、

R3、

R4則：電橋輸出變化

UoDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors令橋臂比：n=R2/R1線性部分非線性部分DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors線性部分取n=1n=R2/R1ER1R4R3R2UoDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsΔU’非線性部分（非線性誤差）取n=1DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsEUoR1R4R3R2思考題圖示應變片測量橋路，初始條件下R1=R2=R3=R4=R0，四個應變片具有相同的應變系數(shù)K，它們所承受的應變大小相等，應變方向為R1與R3同向，R2與R4所同向，R1與R2反向。1）試證明電橋輸出電壓Uo的非線性誤差為零。2）計算電橋輸出電壓Uo相對于應變的靈敏度。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsER1R4R3R2Uo所承受的應變大小相等，應變方向為R1與R3同向，R2與R4所同向，R1與R2反向。輸出電壓線性項：Uoeφ輸出電壓非線性項：

1）試證明電橋輸出電壓Uo的非線性誤差為零2）計算電橋輸出電壓Uo相對于應變的靈敏度DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors二、擴散硅壓敏傳感器結構梁膜結構DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors平膜結構島膜結構結構DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors測量電路：壓敏電阻R1~R4構成的電橋敏感元件：壓敏電阻R1~R4設壓敏電阻的靈敏度為K，且: R1=R3=(1+KP)R0R2=R4=(1-KP)R0則： V0=VBKP

測量電橋VBVoR1R3R2R4DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors電源電路電阻R5、R6和晶體管BG構成溫度補償網(wǎng)絡IbI5I6Vbe若Ib比I5、I6小得多，則Vce電橋的實際供電電壓VB電橋輸出電壓VBR5R6VCBGDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsT↑→Vbe↓→Vce↓→VB↑→V0↑T↑→V0↓溫度補償VBVoR1R3R2R4VBR5R6VCBGDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsBecausetheaircraftisaerodynamicallyunstablewithcomputercontrolledairframesurfaces,the

MicromachinedSiliconSensors

playanextremelydynamicandflightcriticalrolemonitoringthevarioushydraulicpressuresandcommunicatingdirectwiththeaircraftcomputerbyusingacompatibledigitalinterfaced,developedspecificallyfortheTyphoon.EurofighterTyphoonTheaircraftECS(EnvironmentalControlSystem)provideareliablehighperformancesolutionforcriticalmeasurementapplicationsinsevereaerospaceenvironments.Forexample,theaircraftisaerodynamicallyunstablewithcomputercontrolledairframesurfaces,APPLICATIONSTORYTheF-35JointStrikeFighterDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsMSSprovesitsabilitytodeliverasubstantiallybetterperformanceforaerospacepressuremeasurementthanothertraditionaltechnologiesavailableatthattime.Duetoitsinherentoperatingcharacteristicsandsolidstateconstruction,itofferedhighaccuracy,responseandoverloadcapabilitycoupledwithavirtualinsensitivitytosevereenvironmental

effectssuchasvibration,shockandacceleration.Also,bytheuseoflowthermalcoefficientmaterialssuchasaglassmount,togetherwithfullyencapsulatedpassivelyoractivelytemperaturecompensatedelectronics,itsperformancecouldbemaintainedevenacrosswideextremesoftemperature.ArrangedinaWheatstonebridgeconfiguration,acontinuous,highmillivoltageoutputcouldbeachievedproportionaltoappliedpressuresrangingfromtensofmillibarsupwards.

Theymeetthedemandsofaerospaceprimefactorssuchasperformance,reliability,efficiencyandsafety.

MicromachinedSiliconSensorFeatureDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors這種由4微米長500納米寬的硅芯片所構成的可振動懸臂(cantilever)，當小粒子吸附在芯片上將改變此懸臂的振動頻率，研究人員測量從芯片上反射的雷射光可以捕捉到振動頻率的微小改變，并進而計算出粒子的質量。研究人員預測他們所制作的懸臂其靈敏度可小至0.39微微微克，目前他們正致力于縮小組件的尺寸以提升靈敏度，他們希望能發(fā)展出靈敏度達10-21千克的組件以測量病毒的質量。美國康乃爾大學研究的可測量微微微克(attogram,即10-18千克)物體質量的納米電子機械組件(nanoelectromechanicaldevice)

第二節(jié)集成溫敏傳感器PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsPrinciplesandApplicationsofNovelSensors

PTAT核心電路電流輸出型集成溫敏傳感器集成溫控開關——AD22105一、PTAT核心電路溫敏二極管DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors若正向電壓UF

大于幾個kT/q，則：推導可得：1、PTAT基本電路若BG1、BG2結構和性能完全相同R1R2BG1Ic1Ic2Vbe1Vbe2Vbe=Vbe2-Vbe1Jc1——BG1的集電極電流密度Jc2——BG2的集電極電流密度DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors若BG1、BG2結構不相同，可以表示成：Ic2、Ic1和R2上的電壓正比于絕對溫度。電路總電流(Ic1+Ic2)也正比于絕對溫度。這種電路稱為PTAT核心電路。若(Jc1/Jc2)恒定，Vbe正比于絕對溫度T設基極電流可以忽略，則：Vbe=R1Ic2R1R2BG1Ic1Ic2DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsProportionalToAbsoluteTemperature2、溫度測量電路R1BG1BG2BG3BG4VccIoBG3、BG4結構、特性和發(fā)射結偏壓完全相同，組成電流源。輸出阻抗和電流增益均為無窮大BG1、BG2的發(fā)射極面積比為n，(Jc1/Jc2)=1/n電流輸出型DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors2、溫度測量電路R2R1BG1BG2BG3BG4BG4VccVo電壓輸出型BG3、BG4的輸出阻抗和電流增益均為無窮大流過BG1和BG2的集電極電流在任何溫度下始終相等若Vcc>2Vbe，R1上將得到兩管的基極-發(fā)射極電壓差：DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsVbe

的溫度系數(shù)僅取決于n，而n與溫度無關。把BG2的發(fā)射極設計成條形兩管的面積比為條數(shù)比。BG1的發(fā)射極則為若干同樣的條形電極的并聯(lián)。電路輸出端的總電流I0為：n的控制DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors二、電流輸出型集成溫敏傳感器AD590傳感器為電流輸出型集成溫敏傳感器。在25℃(298.20K)時輸出電流：298.20A供電電壓：+4~30V測量范圍：-55～+150℃靈敏度：1A/℃封裝形式：TO-52、片狀

TO-52：三端封裝，ф6.84mm、高3.81mm（不含引線），適合對流體“點”溫度測量。

片狀封裝：厚1.27mm、寬2.36mm、長6.35mm（不含引線），適合表面溫度測量。1、AD590一般介紹DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors2、AD590電路結構分析BG1、BG2為溫敏晶體管，n為8:1BG3-BG4、BG5-BG6構成恒流源，為BG1、BG2提供恒定電流，Ic1=Ic2DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsBG9、BG10充當(BG3-BG4)、(BG5-BG6)的負反饋器件，消除制造工藝的不足造成BG1、BG2不對稱而對Vbe的影響電阻R1、R2采用接近零溫度系數(shù)的薄膜電阻，通過激光修正DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsBG8在外加電源反極性接入時起到對電路的保護作用BG11與BG2并聯(lián)，同時與襯底相連接，使得包含在電路輸出總電流中的偏置電流以及襯底的漏電流也變成BG2的發(fā)射極電流而同樣具有隨溫度變化而變化的特性DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors理想的溫度靈敏度為1A/℃。2、AD590特性誤差有兩種：斜率誤差和平移誤差。為了提高測溫準確度，需要進行校正。298.15Io/uAT/K298.15——靈敏度DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors外加電源大于3V以上后，傳感器的溫度靈敏度將不再隨外加電源電壓的變化而變化對于利用干電池供電的便攜式儀器，必須注意供電電源的下降對測量的影響。Io/uAV/V1234567+150°C+25°C-55°C——供電電源DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors對于階躍溫度輸入，器件的輸出響應為一階系統(tǒng)，時間常數(shù)隨熱交換條件而異。在熱交換條件好的情況下一般約2～3s就可達到穩(wěn)定。TTmaxt15——階躍響應DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors3、誤差補償僅對某一溫度點（通常選在0℃或25℃）進行校正。一點校正法如果AD590在校正點（如25℃）時輸出電流并非298.2A，那么，調節(jié)Rw使電路輸出電壓值VT為298.2mV即可。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsRRw100Ω950ΩIAD590VUT基準電壓+15V35.7k97.6k2k2kRw1Rw227k-5~15VUT-+兩點校正法DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsI1VF=0ItAD590處在0℃，調節(jié)Rw1，使Ut

=0V；AD590置于100℃，調節(jié)Rw2，使Ut

=10.00V。例如：測量攝氏溫度，Ut為的溫度靈敏度為l00mV/℃。AD58110V三、集成溫控開關——AD22105可在-40℃到+150℃的工作溫度范圍內設置溫度控制點，在環(huán)境溫度超過所設置的溫度點時，電路通過一個集電極開路輸出端（2腳）輸出開關控制信號。溫度控制點設置的外接設置電阻接于6腳與接地引腳（3腳）之間，設置電阻Rset由以下公式?jīng)Q定：外形1.75mm×5mm×6.2mm(包括引腳)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors溫度傳感器設置施密特觸發(fā)器有大約4℃的遲滯。200k上拉電阻，最大負載10mA，可直接驅動一個低功耗LED指示燈。通過1、2腳的接線加以選擇是否使用上拉電阻。溫控點電阻精度和熱漂移的影響綜合考慮后，電阻值為：RMAX=RNOM×(1+ε)×(1+Kt×(TSET

－25℃)) RMAX——在TSET下溫控點電阻實際的值

RNOM——最接近理論RSET的標稱值

ε——25℃時的電阻精度（通常1%，5%或10%）

Kt——電阻的溫度系數(shù)。集成溫度傳感器還有：數(shù)字的方式輸出：DS1620、DS1621和DS1624

內置AD：Max1098/1099、Max1298/1299，以串行方式輸出。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors第三節(jié)集成磁敏傳感器DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors

開關型集成磁敏傳感器非晶態(tài)合金磁敏原理

開關型集成磁敏傳感器特性一、開關型集成磁敏傳感器1、基本構成霍爾元件：開路時約20mV/0.1T，負載時約10mV/0.1T?；魻栐罘址糯笃髡坞娐份敵鲭娐冯娫措娐冯娫措娐罚汉€(wěn)壓和恒流，改善溫度性能，提高工作電源電壓的適用范圍。差分放大器整形電路輸出管：集電極開路輸出，提高負載能力。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsTl、T2導通，2、工作原理——初始狀態(tài)(B=0，設UH=UH1-UH2=0)形成如下正反饋：

Ic3

Vb4Ic4Ve3Vb3Ib3 ___________________________|T3飽和導通、T4截止制造工藝使Ic2＞Ic1Vc4ET5截止T6、T7、T8截止VOH=E(“H”)T3優(yōu)先導通Vb3＞Vb4，DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors（Vb1

、Vb2

）（Vc1、Vc2）。Vb3＝Ve3+0.6V時，T3處于放大狀態(tài)，并且：Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3

____________________|第一次翻轉(B≠0，設UH=UH1-UH2＞0)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors最終，導致BG4飽和導通而BG3截止，BG4的集電極處于低電位，即：

Vc4=Ve4+Vces4

式中：Vces4為BG4的飽和壓降。Ve4=Ices4Re，Ices4

即BG4飽和電流，Re即BG3、BG4共用射極電阻。第一次翻轉(B≠0，設UH=UH1-UH2＞0)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors電路輸出狀態(tài)由高電平向低電平翻轉所需要的正向磁感應強度B稱為導通磁感應強度。記為B(HL)，相應的Vb3值記為Vb3(HL)。 第一次翻轉(B≠0，設UH=UH1-UH2＞0)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors電路輸出狀態(tài)由高電平向低電平翻轉所需要的正向磁感應強度B稱為導通磁感應強度。記為B(HL)，相應的Vb3值記為Vb3(HL)。 第一次翻轉(B≠0，設UH=UH1-UH2＞0)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsBVHVc1（Vb3）/Vc2（Vb4）Vb3＝Ve4+0.6V時BG3由截止進入放大狀態(tài)。且：Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3

____________________|第二次翻轉：DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors結果，導致BG3飽和導通、而BG4截止。BG4集電極恢復初始狀態(tài)（高電位），BG7和BG8截止，輸出管翻轉到高電平VOH。輸出管輸出電平由低電平翻轉到高電平所需要的磁感應強度B稱為截止磁感應強度，記為B(LH)，相應的Vb3值記為Vb3(LH)。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors施密特觸發(fā)器存在滯后效應，因此，Vb3(HL)Vb3(LH)，其滯環(huán)寬度Vb3為：

Vb3=Vb3(LH)-Vb3(HL)=(Ve4+0.6V)-(Ve3+0.6V)=Ve4-Ve3=(Ices4-Ices3)Re導通磁感應強度和截止磁感應強度之間也存在滯后效應，其滯環(huán)寬度B為：

B=B(HL)-B(LH) DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors二、開關型集成磁敏傳感器特性1、磁特性導通磁感應強度導通磁感應強度B(HL)是指開關型集成磁敏傳感器輸出狀態(tài)由高電平向低電平翻轉，實現(xiàn)由“關“態(tài)到“開“態(tài)動作所必須的作用于霍爾元件的磁感應強度。一般B(HL)值為0.035T～0.075T。截止磁感應強度截止磁感應強度B(LH)是指開關型集成磁敏傳感器輸出狀態(tài)由低電平向高電平翻轉，實現(xiàn)由“開“態(tài)到“關“態(tài)動作所必須的作用于霍爾元件的磁感應強度。在參數(shù)表給出的B(LH)值一般指它的最小值。磁感應強度滯環(huán)寬度磁感應強度滯環(huán)寬度B有時也稱為磁滯滯環(huán)或滯后寬度。這個參數(shù)指的是導通磁感應強度與截止磁感應強度的差值，即B=B(HL)-B(LH)。滯環(huán)寬度對于消除磁噪聲或磁鋼振動，避免電路輸出的反復開啟和關閉，防止形成類似于自激振蕩現(xiàn)象十分必要。我國CS型開關型集成磁敏傳感器的滯環(huán)寬度典型值為6×10-3T。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors2、電特性輸出高電平VOH

輸出端開路時的電平就是電源電壓E，輸出端接負載電阻RL時，才有輸出信號。當輸出管截止時，通過負載電阻RL的只是它的漏電流IOH，輸出端高電平VOH為：

VOH=E-IOHRL≈E輸出低電平VOL

在B=7.5×10-2T、負載電流IO＝12mA條件下測試；主要決定于輸出管的飽和壓降，其規(guī)范值為VOLmax＝0.4V。負載電流IOL

在滿足輸出低電平VOL＜0.4V的條件下，輸出管的集電極電流，其規(guī)范值為IOL=12mA。CS型開關型集成磁敏傳感器的最大負載電流為20mA。3、溫度特性導通磁感應強度B(HL)、截止磁感應強度B(LH)和滯環(huán)寬度B隨溫度而變化的特性。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors第四節(jié)集成傳感器應用實例1992年開始，我國先后引進了一百多架蘇-27型戰(zhàn)斗機。這些戰(zhàn)斗機已成為中國空軍的主力機種。1997年俄羅斯與中國簽訂協(xié)議，中國獲得自行生產(chǎn)蘇-27型戰(zhàn)機的權利。我國自己生產(chǎn)的這種戰(zhàn)斗機被命名為殲-11。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors“鷹”100的前后座艙“鷹獅”綜合頭盔顯示器(IHMD)中國戰(zhàn)機座艙FC-1超七戰(zhàn)斗機座艙戰(zhàn)斗機座艙與顯示器DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors

艦載顯示器綜合艦長駕駛系統(tǒng)DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors一、液晶顯示與背光照明1、液晶顯示器DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors2、背光照明溫度溫度IIVstartV亮度DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors二、背光模塊的溫度控制1、設計思路對CCFL的輔助溫度控制包括預熱與冷卻兩個方面，假設CCFL的最佳工作溫度點為Topt（假設為40℃），那么，可將燈管壁溫度分成如下幾段分別處理：加熱：燈管壁起始溫度小于37℃，加熱并將燈管壁溫度控制在38~42℃；加熱器、風扇可在不同的時間段獨立工作。風冷+冷卻:燈管壁起始溫度大于50℃，利用半導體致冷器件強制冷卻。風冷：燈管壁起始溫度大于45℃，燈管的自身溫升可能大于50℃時；半導體致冷器件必須與風扇同時工作。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsCS837監(jiān)測電扇工作狀態(tài)，若電扇運行不正常，需要將半導體致冷器件關閉，以免造成器件的可能的損壞。AD590與AD22105同時檢測管壁溫度，根據(jù)溫度的不同，做出不同的反應：溫度小于37℃：AD22105控制管壁溫度在38~42℃。溫度大于45℃：AD22105輸出低電平，AD590啟動電扇工作，對燈管施行風冷。溫度大于50℃：AD22105輸出低電平，AD590啟動電扇與半導體致冷器件同時工作，利用半導體致冷器件對燈管施行強制冷卻。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsCS837監(jiān)測電扇工作狀態(tài)，若電扇運行不正常，需要將半導體致冷器件關閉，以免造成器件的可能的損壞。AD590與AD22105同時檢測管壁溫度，根據(jù)溫度的不同，做出不同的反應：溫度小于37℃：AD22105控制管壁溫度在38~42℃。溫度大于45℃：AD22105輸出低電平，AD590啟動電扇工作，對燈管施行風冷。溫度大于50℃：AD22105輸出低電平，AD590啟動電扇與半導體致冷器件同時工作，利用半導體致冷器件對燈管施行強制冷卻。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors2、測控電路AD22105溫控電路：Rset取32KΩ，C取0.1μF，Vout1經(jīng)功率放大控制加熱器。AD590溫控電路：Rw+R1=100kΩ，VT的溫度系數(shù)為0.1V/℃。Vs2：調節(jié)Vs2使10℃燈管溫度時，VT=0V，60℃燈管溫度時，VT=5V。齊納二極管Z1：限制VT極大值，以免溫度大于60℃時，出現(xiàn)VT過大情況。R3、R4、R5

：分壓形成比較電壓V1=3.5V、V2=4V。燈管溫度>45℃（3.5V）時，比較器A2輸出翻轉為高電平驅動電扇工作；燈管溫度>50℃（4V）時，比較器A1輸出Vout2翻轉為高電平驅動半導體致冷器件工作，同時風扇也在比較器A2輸出Vout3的驅動下繼續(xù)工作。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors3、風扇工作狀態(tài)監(jiān)控電路——“可再生”單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖延長時間Td由R5、C2決定，并且：Td=0.7R5C2。A端接地，觸發(fā)端B端被設置為脈沖上升沿觸發(fā)。B端觸發(fā)，輸出端的非穩(wěn)定狀態(tài)為高電平；穩(wěn)態(tài)輸出為低電平。電扇工作正常的分析。如果電扇停止運轉的分析。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors本章結束再見霍爾元件1、霍爾（Hall）效應半導體的電流：I=pqvbdp——載流子濃度KH——霍爾常數(shù)霍爾電勢：FLFEvDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors不等位電勢：2、霍爾元件補償：是指霍爾元件在激勵電流的的激勵下，即使外界磁場B為零，霍爾元件仍然有輸出的電勢。電極不對稱、厚度不均勻、電阻率不均勻等。原因：等效為對內部等效橋路的調平衡。DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsSpecificationSymbolUnitsBH-200DataNominalControlCurrent

ICNmA150MaximumControlCurrentICMAXmA250InputResistanceRinOhms2.0OutputResistanceRoutOhms1.7ProductSensitivityVHOCmV/mAkG0.10+25%MisalignmentVoltageVMuV100Max.LinearityTerminationResistanceRlinOhms15Linearity

%1

Max.ReversibilityError

%1Max.InductiveAreaAcm20.003VMDriftOverTemperature

uV/oC1KHOCDriftOverTemperature

%/oC-0.08ResistanceDriftOverTemperature

%/oC0.15OperatingTemperatureRange

oC-40to+100StorageTemperatureRange

oC-40to+105DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors傳統(tǒng)的電容式傳感器動極板受外界物理量作用變化（例如減?。娙葑兓疌:ArDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors邊沿效應若極板厚度相對于板間距不可忽略：h/0.020.040.060.080.100.20.40.60.81.001.201.40f(h/)0.010.170.230.290.340.540.841.061.241.391.591.63DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsRRSQQ_++_+_R2ABUrR1C1UoFGD1D2C2差動脈沖調寬電路DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsRRSQQ_++_+_R2ABUrR1C1UoFGD1D2C2差動脈沖調寬電路DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensorsDepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors熱敏傳感器DepartmentofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity新型傳感器原理及應用PrinciplesandApplicationsofNovelSensors

APPLICATIONSTORYMicromachinedSiliconSensorsMeasuringuptopressuresoftheAerospaceindustry.Theindustrytakesoffinthelastthirtyyea