科大版智能傳感器3課件

目錄第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3章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(shí)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(jì)與應(yīng)用

第9章無(wú)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)介紹要點(diǎn)：集成智能傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；初級(jí)形式：?jiǎn)纹珊突旌霞?；中?jí)形式：敏感單元＋信號(hào)調(diào)理電路＋微處理器系統(tǒng)；高級(jí)形式：敏感單元陣列化，信號(hào)處理軟件高級(jí)化。§3.1傳感器的集成化和智能化§3.1.1傳感器的集成化1、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(gè)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(gè)芯片組合在一起或?qū)鞲衅鞯拿舾性?、信?hào)處理電路甚至微處理器集成在一起。如厚膜電路，ST－3000等。2、集成化的優(yōu)點(diǎn)

提高了傳感器的整體性能；降低了生產(chǎn)成本；可大規(guī)模化生產(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(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)；拓寬了使用范圍?！?.1傳感器的集成化和智能化在初級(jí)形式的基礎(chǔ)上增加了微處理器和硬件接口電路，擴(kuò)展功能有：自診斷（指故障、超量程）、自校正（進(jìn)一步消除測(cè)量誤差）、數(shù)據(jù)通訊，這些功能主要以軟件的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此它的適應(yīng)性更強(qiáng)。3、高級(jí)形式在中級(jí)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(cè)控制理論等，使它具有人腦的基本功能：識(shí)別、記憶、學(xué)習(xí)、思維。由于我們國(guó)家的大規(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(shí)現(xiàn)單片集成化智能化傳感器（特別是中級(jí)形式），主要是研究開發(fā)混合式集成傳感器。利用部分進(jìn)口芯片、國(guó)產(chǎn)芯片和敏感元件，利用現(xiàn)有條件實(shí)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(jì)算機(jī)芯片（嵌入式系統(tǒng)）。這對(duì)于某些單純靠硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的測(cè)量系統(tǒng)（如紅外測(cè)溫儀）還是很有實(shí)用價(jià)值的。§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式下面我們舉例介紹初級(jí)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(jìn)手段、方法和措施?！?.2.1單片集成式1、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(hào)調(diào)理電路2）加工工藝：＋

只進(jìn)行單面加工，與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝完全兼容。3）尺寸：1.5mm24）電路結(jié)構(gòu)（見下圖）：a）：～5k?；b)、構(gòu)成同向放大器；§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高，共模抑制比高。放大倍數(shù)：，改變，可以調(diào)整。

§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式到壓力時(shí)，原來(lái)結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶和價(jià)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(dá)方式：電場(chǎng)分量，電流密度分量是，應(yīng)力分量是ρ：無(wú)應(yīng)力作用時(shí)的各向同性電阻率；1，2，3表示3個(gè)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(duì)于P型硅，具有最大值。§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式若令：、＝0，則有：，為剪切應(yīng)力。

，，，電場(chǎng)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(yáng)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)P－SiN－Si6.6-102.2-1.153.4133.1-13.6§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式d）失調(diào)誤差由橫向電壓抽頭的對(duì)準(zhǔn)度決定。2）溫度補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償。

a）滿量程溫漂補(bǔ)償X型壓力傳感器輸出電壓幅度隨溫度升高而降低，＝-0.19％/℃，傳感器的輸出與激勵(lì)電壓成比例關(guān)系，采用前面介紹的拼湊補(bǔ)償法。在X型傳感器的激勵(lì)電源上串入一具有負(fù)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(bǔ)償作用，補(bǔ)償精度可達(dá)到0.5％。b）零位溫漂補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償。（電路圖參見教材P87）的作用：進(jìn)行零位溫漂補(bǔ)償；提高輸入阻抗?！?.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式前面的介紹表明：硅電容式的性能指標(biāo)高于擴(kuò)散硅壓阻式，靈敏度高1～幾個(gè)數(shù)量級(jí)，功耗低2個(gè)數(shù)量級(jí)。缺點(diǎn)：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(hào)調(diào)理）＋帶隙電壓基準(zhǔn)電路＋數(shù)字校正＋時(shí)鐘電路＋三階低通濾波器1）信號(hào)調(diào)理電路采用了差動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；信號(hào)傳感器電容：、；參考傳感器電容：、；優(yōu)點(diǎn)：消除干擾信號(hào)的影響（溫度、雜散電容）。a）根據(jù)書中提供的開關(guān)－電容調(diào)理電路我們可以將其中的前級(jí)放大部分進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。當(dāng)開關(guān)吸合：§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式當(dāng)，時(shí)，，b）后一級(jí)放大電路，其工作原理與前一級(jí)類似，輸入信號(hào)部分為：、；且，。輸出電壓：c）假設(shè)，均為平板電容，則：§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式?。?，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(zhǔn)電路

a）從上面推導(dǎo)出的輸出表達(dá)式中，輸出信號(hào)電壓與基準(zhǔn)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(lái)補(bǔ)償靈敏度溫度系數(shù)的影響，達(dá)到溫度補(bǔ)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(jì)結(jié)構(gòu)：方形膜片（單島型）＋上下兩片硼硅玻璃。引線：由金屬化的玻璃表面引出。

§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式生交變，當(dāng)其頻率與膜片的自激頻率一致時(shí)，膜片將發(fā)生諧振。通過～組成的電橋檢測(cè)到含的輸出信號(hào)。該信號(hào)一方面作為測(cè)量信號(hào)，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(dāng)膜片受壓力作用時(shí)，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(duì)應(yīng)關(guān)系。需要注意的問題：、的特性，、的特性要一致。書中有錯(cuò)誤，頁(yè)，圖3－17ii)注意橋路電源電壓對(duì)膜片溫度分布的影響。b）光激勵(lì)

§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式加上光激勵(lì)信號(hào)，且光激勵(lì)信號(hào)頻率ω與懸臂梁的諧振頻率相等時(shí)，懸臂梁會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，通過測(cè)量光纖對(duì)管中接收光纖的信號(hào)變化就可以測(cè)出ω值。（見P95頁(yè)，圖3-19）c）電磁激勵(lì)電磁激勵(lì)實(shí)際上由激勵(lì)線圈＋激勵(lì)硅梁＋拾振硅梁＋拾振線圈＋與梁中電流方向相垂直的磁場(chǎng)組成，其中磁場(chǎng)由永久磁鐵提供。當(dāng)被測(cè)壓力作用時(shí)，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(dá)0.01％FS。用測(cè)量頻率差的方法檢測(cè)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（surfaceacousticalwave）

a）波的類型§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式縱波：，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)平行于傳播方向；橫波：，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)垂直于傳播方向；E：彈性模量，ρ：密度，γ：泊松比。各向異性物質(zhì)中聲波的傳播：固體有界時(shí)，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(wú)關(guān)系，分為色散波和非色散波（瑞利波、電聲波）。b）聲表面波的主要性質(zhì)：i)SAW的反射及模式轉(zhuǎn)換§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式W＝換能器的孔徑；a＝b，聲波波長(zhǎng)：；，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λ的變化，則產(chǎn)生變化。，ε：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λ改變，SAW的傳播速度和頻率也相應(yīng)地變化。靈敏度：，由于，

§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式石英晶片地靈敏度：0.5～1.5kHz/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延遲線傳播路徑上的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)使SAW波速發(fā)生變化，進(jìn)而引起頻偏。e）構(gòu)成§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式聲表面波諧振器（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(shí)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(lì)SAW叉指換能器上加上適當(dāng)頻率的交變電信號(hào)后，壓電基底內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)分布，由于逆壓電效應(yīng)，激勵(lì)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(hào)的頻率。當(dāng)這種SAW通過基底傳播到接收叉指換能器時(shí)，借助正壓電效應(yīng)，接受叉指換能器將輸出交變的電信號(hào)。起振后的振蕩頻率會(huì)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(lái)，加強(qiáng)振蕩效果，這有點(diǎn)像激光器兩端反射膜的作用。§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式時(shí)間系數(shù)的選擇:()6575L6575HGNDGND5160GND20320GND4048080640§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式測(cè)試溫度與延遲時(shí)間的關(guān)系：T（℃）＝－273.15K溫度傳感器保持低電平的時(shí)間為5×T（μs）。

b）DALLAS公司產(chǎn)品，DS1820

技術(shù)指標(biāo)：-55℃～＋75℃，精度：0.5℃9位溫度讀數(shù)，其中一位符號(hào)位，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間200μs，用戶自定義報(bào)警上下限。

64BitRom結(jié)構(gòu)：8bitCRC＋48bit序列號(hào)＋8bit工廠代碼（10H）§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式§3.2.2初級(jí)形式的混合多片集成式1、具有溫度補(bǔ)償功能的壓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(duì)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(jìn)行裝配并注意配合、選擇好的粘合方式）?！?.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式a）零位失調(diào)及零位溫度漂移的補(bǔ)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(dá)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(fù)，可在確定的橋臂上也采取串并聯(lián)的方式。書中頁(yè)下面倒數(shù)第二行有錯(cuò)誤；另外，圖3-33未標(biāo)出U0的正負(fù)極。采用串聯(lián)方式，串聯(lián)電阻：iii）零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)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(jì)算方法書中有詳細(xì)的介紹，這里就不贅述了。計(jì)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(jì)算出§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式作業(yè)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)電壓的正負(fù)，在確定的橋臂上采取并聯(lián)方式，該并聯(lián)電阻如何計(jì)算？當(dāng)四個(gè)橋臂電阻未知，而零位失調(diào)電壓已知時(shí)，可根據(jù)失調(diào)電壓的正負(fù)，在適當(dāng)橋臂上串聯(lián)一個(gè)RS。下面推導(dǎo)RS在此種情況下的表達(dá)式，當(dāng)四個(gè)橋臂電阻不相等時(shí)，采用恒壓源供電時(shí)電橋的輸出為求上式全微分，則有(3-27)答案：求得微分結(jié)果為上式整理后得式中：ΔUo——零位失調(diào)；

U——恒壓源電壓；

Ro——橋臂電阻均值，其值為 ;ΔR1=R1-Ro,ΔR2=R2-Ro,ΔR3=R3-Ro,ΔR4=R4-Ro;ΔR=(ΔR1+ΔR3)-(ΔR2+ΔR4)。(3-28)補(bǔ)償電阻RS的表達(dá)式為(3-29)利用上述兩種調(diào)零方法調(diào)零后，一旦溫度發(fā)生變化，由于四個(gè)橋臂電阻溫度系數(shù)不一致，輸出會(huì)再度出現(xiàn)零位失調(diào)，即存在零位溫漂。為補(bǔ)償零位溫漂，可采用串并聯(lián)補(bǔ)償法。如圖3-34所示，在R1臂上串一補(bǔ)償電阻RS，同時(shí)在R2臂上并一補(bǔ)償電阻RP。圖3-34中四個(gè)橋臂電阻R1～R4有正溫度系數(shù)，選擇RS,RP的溫度系數(shù)近似為零，這樣當(dāng)溫度升高時(shí)，R1+RS增加得較慢，R2與RP的并聯(lián)電阻增量也很小。適當(dāng)選擇RS和RP的數(shù)值，就可使溫度變化時(shí)，基本不發(fā)生零點(diǎn)漂移，從而達(dá)到零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償?shù)哪康??！?.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式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(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償：>0,并在上；<0,并在上。

§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式v）熱敏電阻補(bǔ)償法：（有正負(fù)兩種溫度系數(shù)）上式具有非線性，為改善它可采用串并聯(lián)固定電阻的方式。vi)二極管補(bǔ)償法（P－N結(jié)等效為一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電阻）：P－N結(jié)反向飽和電流。：為改善非線性而并聯(lián)，，：動(dòng)態(tài)電阻?！?.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式b）靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償主要是由于壓敏電阻的壓阻系數(shù)隨著溫度變化引起的。恒流源供電：；恒壓源供電：。，材料的G因子，具有負(fù)溫度系數(shù)。靈敏度溫度漂移的補(bǔ)償主要是采用拼湊補(bǔ)償。i)選擇合適的摻雜濃度由于電阻R具有正溫度系數(shù)，通過合適的摻雜濃度，可使G與R之間在一定范圍內(nèi)達(dá)到相互補(bǔ)償?shù)哪康?。ii)正溫度系數(shù)恒壓源補(bǔ)償法前面介紹的溫度漂移補(bǔ)償法中：熱敏電阻法（利用負(fù)溫度系數(shù)）和二極管法均可適用。熱敏電阻補(bǔ)償法的要求：提高電源電壓；熱敏電阻與橋路電阻處于同一溫度場(chǎng)中?！?.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式另外還有三極管補(bǔ)償法（見下圖）：的具體取值可參考書中的公式指導(dǎo)。該方法簡(jiǎn)單，補(bǔ)償效果好。iii)溫度漂移的三點(diǎn)補(bǔ)償法確定三個(gè)溫度點(diǎn)，在這三點(diǎn)對(duì)傳感器的零點(diǎn)漂移和溫漂以及靈敏度溫漂進(jìn)行補(bǔ)償，亦即達(dá)到綜合補(bǔ)償?shù)哪康?。三點(diǎn)補(bǔ)償法主要工作是通過選取合適的三個(gè)工作溫度點(diǎn)，測(cè)得四個(gè)橋臂電阻對(duì)應(yīng)待測(cè)壓力為零和滿量程時(shí)的電阻值以及補(bǔ)償熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)中熱敏電阻的值，然后計(jì)算出補(bǔ)償熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)中固定電阻的值。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的具體計(jì)算方法及公式推導(dǎo)參見書中頁(yè)。

§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式iv)溫度漂移的雙橋補(bǔ)償目的：避免上面所述的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法的缺點(diǎn)（補(bǔ)償元件與補(bǔ)償對(duì)象需處于同一溫度場(chǎng)），增加了傳感器的尺寸。這有點(diǎn)像前面所述的差分信號(hào)輸出的概念，它分為兩部分：一部分為敏感電橋即測(cè)壓電橋；另一部分為感溫電橋，它們各自輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后，經(jīng)模擬運(yùn)算器相加或相減再輸出。經(jīng)該方法補(bǔ)償后，零位溫漂可由℃達(dá)到℃。

2）一種具有溫度補(bǔ)償功能的混合集成壓力傳感器單片集成方式難以準(zhǔn)確補(bǔ)償零位時(shí)漂、溫漂以及靈敏度溫漂。構(gòu)成：敏感元件＋零位溫漂補(bǔ)償電路＋零位調(diào)節(jié)電路＋靈敏度溫漂補(bǔ)償電路＋信號(hào)放大電路a）壓力敏感元件P＝1atm，U＝6V，＝10～20mv，>1％FS/℃,>0.5％FS/℃§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式b)零位溫漂補(bǔ)償電路由來(lái)實(shí)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?cè)筒⒔与娮韬?，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(bǔ)償電路采用三級(jí)管并接旁路電阻的形式，具體補(bǔ)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1～2v之間，為橋路的等效輸入電阻：d）信號(hào)放大電路圖3-43有錯(cuò)誤，的輸入正負(fù)號(hào)相調(diào)（），§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式采用的是同相并聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大電路，：改善最終的輸出特性。e）零位時(shí)漂調(diào)整電路由、、構(gòu)成。上述各補(bǔ)償電路在實(shí)際使用中需考慮一下幾點(diǎn)因素：i)相互之間的影響關(guān)系；

ii）補(bǔ)償及調(diào)整的先后次序；iii）工作點(diǎn)的選擇；iv）增加適當(dāng)?shù)目烧{(diào)整環(huán)節(jié)。補(bǔ)償結(jié)果：＝0.1％FS/℃，＝0.04％FS/℃，＝1～2v。關(guān)于帶隙基準(zhǔn)電壓源：為滿足現(xiàn)代電子測(cè)量之需要而提出的。它是基于能帶間隙基準(zhǔn)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?！?.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理是利用電阻壓降的正溫漂去補(bǔ)償晶體管發(fā)射結(jié)正向壓降的負(fù)溫漂，從而實(shí)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。基準(zhǔn)電壓源的表達(dá)式為：k：玻爾茲曼常數(shù)；q：電子電量；T：熱力學(xué)溫度。§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式其電壓溫度系數(shù)：式中，－2.1mv/℃,第二項(xiàng)為正數(shù)，只要選擇適當(dāng)?shù)碾娮璞?，使兩?xiàng)之和等于零，即可實(shí)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(zhǔn)電壓與溫度變化無(wú)關(guān)。實(shí)際上，由于受基極電流等因素的影響，只能接近零溫漂。

2、一種帶有信號(hào)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(dòng)運(yùn)算放大器）＋溫度補(bǔ)償電路在圖3-46中（）§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式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(dòng)運(yùn)放，這樣可使之具有高的輸入阻抗和低漂移信號(hào)輸出，亦即具有高的共模抑制比；3）電源采用帶隙基準(zhǔn)電壓源，使之具有低的溫度漂移；4）靈敏度溫度補(bǔ)償采用上下對(duì)稱的晶體管旁路電阻形式，這樣在起到補(bǔ)償作用的同時(shí)，保證電橋輸出的共模電壓在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為一常數(shù)，為什么？5）零位溫漂補(bǔ)償采用了可調(diào)的多個(gè)二極管組合的溫度傳感器；6）零位輸出值通過和來(lái)進(jìn)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?！?.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式3、數(shù)字補(bǔ)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＋C－F轉(zhuǎn)換器，其中的C－F轉(zhuǎn)換器為本書前面講述的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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。

2）工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(wú)壓力作用與有壓力作用時(shí)的頻率差：，d：極板初始間隙。這說(shuō)明壓力差與頻率差之間的線性關(guān)系。3）補(bǔ)償技術(shù)指導(dǎo)思想：先在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行補(bǔ)償，然后通過后續(xù)電路進(jìn)行補(bǔ)償。§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式假設(shè)：時(shí)，，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(bǔ)償通過調(diào)整的值，使：。b）零點(diǎn)溫漂的補(bǔ)償通過調(diào)整的值，使：。c）實(shí)際上，因此仍存在零點(diǎn)輸出。4）數(shù)字調(diào)整技術(shù)a）講述通過計(jì)數(shù)器進(jìn)行差頻計(jì)數(shù)的方法：遞增計(jì)數(shù)（）與遞減計(jì)數(shù)（）§3.2集成化智能傳感器系統(tǒng)的初級(jí)形式b）講述零點(diǎn)輸出數(shù)字補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ侯A(yù)置初值。c）量程調(diào)整的方法改變計(jì)時(shí)電路的計(jì)數(shù)時(shí)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(jìn)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(gè)芯片?！?.3集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級(jí)形式§3.3.1ST-3000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(diǎn)：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，能在斷電情況下保持修改結(jié)果。特點(diǎn)：可進(jìn)行差壓、靜壓、溫度三種量的測(cè)量；在初級(jí)的基礎(chǔ)上增加了微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口；輸出信號(hào)：兩種，一種是4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，另一種為數(shù)字信號(hào)。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(diǎn)類似可編程控制器1、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(hào)調(diào)理電路＋微處理器系統(tǒng)（ROM＋CPU＋D/A＋數(shù)字I/O）

§3.3集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級(jí)形式2）工作原理主傳感器：ΔP傳感器；輔助傳感器：P、T；根據(jù)P值可確定工作點(diǎn)；PROM存放：待測(cè)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(cè)校準(zhǔn)時(shí)，由計(jì)算機(jī)采集預(yù)處理后送入PROM中。2、性能特點(diǎn)1）寬量程化：量程比：100：1（Max400：1），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：0.075％FS，數(shù)字輸出：0.0625％FS作為對(duì)照：MOTOROLA公司的具有溫度補(bǔ)償、校正和信號(hào)調(diào)理電路的全集成單片硅壓力傳感器MPX4100和MPX5100系列（在0～＋85℃范圍內(nèi)）只有1～5％的總精度，典型值為0.2％FS（25℃）?！?.3集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級(jí)形式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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)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(shí)糾正。5）寬域溫度及靜壓補(bǔ)償T：-40℃～110℃；P：0～210kgf/=22Atm3、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(cè)試

5）制作主要設(shè)備在這里大家只需建立這樣一個(gè)概念：就是智能傳感器是如何制作出

§3.3集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級(jí)形式來(lái)的，有關(guān)加工的方法在第四章里作具體介紹。4、SFC智能現(xiàn)場(chǎng)通訊器功能

1）組態(tài)：根據(jù)需要進(jìn)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(jiǎn)單介紹

3）校驗(yàn)：校驗(yàn)輸出或整定零點(diǎn)。實(shí)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(yuǎn)距離調(diào)節(jié)?！?.3.2具有微處理器（MCU）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，有什么問題可以提出來(lái)探討。下面給大家介紹國(guó)內(nèi)研制的一種混合式的智能紅外線測(cè)溫儀。§3.3集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級(jí)形式ST-3000實(shí)物圖通過PC機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)§3.3集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級(jí)形式SFC智能現(xiàn)場(chǎng)通訊器MCT多協(xié)議通訊器§3.3集成化智能傳感器系統(tǒng)的中級(jí)形式SFC通過變送器

接線端子排、

現(xiàn)場(chǎng)接線盒、

控制室儀表盤、

與智能變送器

連接示意圖