智能传感器系统 刘君华第3章.ppt

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1、第3章不同集成度智能传感器系统举例3.1传感器的集成化与智能化的概述3.2集成化智能传感器系统的初级3.3集成化智能传感器系统的中级3.4集成化智能传感器系统的高级3.1传感器的集成化与智能化的概述3.1.1传感器的集成化一、集成化的含义传感器的集成化包含两方面的含义：一方面是指把许多同样的单个传感器按一定规律进行阵列集成，比如将单个传感器进行列集成，形成一维传感器，如图3-1(b)所示；将单个传感器集成为矩阵形式，形成二维传感器，如图3-1(c)所示。将传感器进行阵列集成的目的，是为了对空间参数进行测量，例如CCD图像传感器即

2、为此类集成传感器，CD)和面阵CCD(SCCD)之分。如图3-2所示为一面阵CCD，它由许多单个光传感器(像素)组成，由于单个像素很小，一般约为10μm左右，所以可获得清晰的图像。集成化的另一方面含义是指传感器的功能集成化。比如将传感器与其后的各种信号调理电路进行集成，可以把它们集成在同一芯片上，形成单片集成传感器，也可以将它们分别集成在几块芯片上，然后再将这几块芯片组装在一起，形成混合集成传感器。如图3-3所示即为一混合集成压力传感器。图中的温度传感器并不是为了测量温度，而是为了补偿压力传感器灵敏度随环境温度所产生的变化。图3

3、-1传感器的集成化图3-２面阵CCD传感器简图图3-3混合式集成压力传感器二、集成化的优点提高了传感器性能2.降低了传感器的生产成本3.提高了传感器的可靠性4.促使传感器多功能化、智能化3.1.2不同集成度智能传感器概述图3-4集成智能传感器的基本框图一、智能传感器的初级形式此类传感器形式比较简单，其特征是在传感器内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电路和信号调理电路，使传感器具有相应的能力，提高了经典传感器的精度和性能。但该形式传感器尚属智能的初级形式，智能含量少，不具备更高级的智能，缺少智能传感器系统的关键部件——微处理器

4、，从而影响了其性能的进一步完善，故此形式的智能传感器尚为初级形式。二、智能传感器系统的中级形式(自立形式)除具有初级智能传感器的功能外，此形式传感器系统还具有自诊断、自校正、数据通讯接口等功能。结构上通常带有微处理器。传感器与微处理器的集成形式可以为单片式或混合式。借助微处理器，该形式传感器系统功能大大增加，性能进一步提高，自适应性加强，事实上它本身已是一个基本完善的传感器系统，故称之为智能传感器系统的中级形式或自立形式。三、智能传感器的高级形式此形式传感器除具有初级形式和中级形式的所有功能外，还具有多维检测、图像识别、分析记忆

5、、模式识别、自学习甚至思维能力等。它所涉及的理论领域将包括：神经网络，人工智能及模糊理论等等。该传感器系统可具备人类“五官”的能力，从复杂的背景信息中提取有用信息，进行智能化处理，从而成为真正意义上的智能传感器。以上对智能传感器系统各形式之间的划分并无严格的标准，但从传感器技术发展的观点看，以上三种形式的划分，是符合发展趋势的。3.2集成化智能传感器系统的初级形式举例3.2.1单片集成式一、具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器图3-5硅盒结构集成压力传感器剖面如图3-5为硅盒式集成压力传感器芯片剖面图，该结构采用了硅盒结构

6、，将压敏单元与CMOS信号调理电路集成在同一硅芯片上，其加工过程是先在下层硅片表面通过掩蔽腐蚀的方法形成深10μm,长宽各60μm的凹坑,将上层硅片与下层硅片在1150℃高温中键合形成硅盒结构，从而在两层硅片之间生成一个参照压力空腔。然后将上层硅片减薄至30μm，再将其表面抛光，通过光刻对中的方法，在参照压力空腔上方的硅膜上用离子注入工艺形成压敏电桥。用标准的CMOS工艺在空腔外围的上层硅片上制作了CMOS信号放大电路，从而形成单片集成的结构。这种硅盒结构的最大特点是，只需在硅芯片单面进行加工，其工艺与标准IC工艺完全兼容，从而克服

7、了传统硅杯型压力传感器在制作工艺上与IC工艺不兼容的缺点，使压敏元件与信号调整电路的单片集成成为现实。整个集成压力传感器芯片面积为1.5mm2，其电路如图3-6所示。R1～R4组成的压阻全桥构成了力敏传感单元，每臂电阻阻值约为5kΩ，信号放大电路由三个CMOS运算放大器及电阻网络组成，其中每个CMOS运放的电路如图3-7所示。图3-6中A1,A2构成同相输入放大器，输入电阻很高，共模抑制比也很高。A3接成基本差动输入放大器形式，整个放大电路的差模放大倍数为图3-6带CMOS放大器的集成压力传感器整个放大电路的差模放大倍数为改变RW

8、可以调整差模放大倍数Ad。该电路要求A3的外接电阻严格匹配，即R10=R9,R7=R8。因为A3放大的是A1,A2输出之差，电路的失调电压主要由是A3引起的，故降低A3的增益有益于减小输出温度漂移。对封装后的整个传感器进行了实际测试