中科大_智能传感器系统_第3章课件.ppt

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1、目录第1章概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础第3章不同集成度智能传感器系统介绍第4章智能传感器的集成技术第5章智能传感器系统智能化功能的实现方法第6章通信功能与总线接口第7章智能技术在传感器系统中的应用第8章智能传感器系统的设计与应用第9章无线传感器网络技术概述第3章不同集成度智能传感器系统介绍要点：集成智能传感器的工作原理和结构特点；初级形式：单片集成和混合集成；中级形式：敏感单元＋信号调理电路＋微处理器系统；高级形式：敏感单元阵列化，信号处理软件高级化。§3.1传感器的集成化和智能化§3.1.1传感器的集成化1、集

2、成化的概念：它有两方面的含义：1）传感器的阵列化，即将同一功能的单个传感器按一维、二维甚至三维的形式集成在同一芯片上。比较典型的例子是CCD。2）传感器的多功能化。将不同功能的传感器集成在同一芯片上或几个芯片组合在一起或将传感器的敏感元件、信号处理电路甚至微处理器集成在一起。如厚膜电路，ST－3000等。2、集成化的优点提高了传感器的整体性能；降低了生产成本；可大规模化生产；提高了传感器的可靠性：与传统方式相比，主要是消除了中间环节一些不可靠因素的影响；多功能化、智能化：可实现多参数检测；拓宽了使用范围。§3.1.2传感器的智

3、能化集成化的智能传感器主要由：＊传感器：分主传感器和辅助传感器＊补偿和校正电路：指温度补偿和非线性校正＊调理电路：滤波、放大、量程变换＊接口电路：输入、输出接口、信息接口等＊微处理器。按传感器技术的发展层次分成三种形式：1、初级形式敏感元件＋温度补偿及校正电路＋线性补偿电路＋信号调理电路。与传统传感器相比，精度和性能得到了大大提高，比较典型的例子是：MOTOROLA公司的单片集成压力传感器MPX3100。2、中级形式在初级形式的基础上增加了微处理器和硬件接口电路，扩展功能有：自诊断（指故障、超量程）、自校正（进一步消除测量误差

4、）、数据通讯，这些功能主要以软件的形式来实现，因此它的适应性更强。3、高级形式在中级形式的基础上，硬件上传感器多维化和阵列化，软件上结合神经网络技术、人工智能技术（专家系统、遗传算法等）和模糊控制理论甚至还有预测控制理论等，使它具有人脑的基本功能：识别、记忆、学习、思维。由于我们国家的大规模集成电路的工艺水平和半导体集成技术比较低，近期内难以实现单片集成化智能化传感器（特别是中级形式），主要是研究开发混合式集成传感器。利用部分进口芯片、国产芯片和敏感元件，利用现有条件实现传感器智能化，或者在现有的传感器外壳内，装上专用集成电路

5、芯片和单片微型计算机芯片（嵌入式系统）。这对于某些单纯靠硬件电路来实现的测量系统（如红外测温仪）还是很有实用价值的。§3.2集成化智能传感器系统的初级形式下面我们举例介绍初级形式的结构组成，了解与传统传感器相比，硬件上它有哪些改进手段、方法和措施。§3.2.1单片集成式1、具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器1）结构：敏感元件＋CMOS信号调理电路2）加工工艺：＋只进行单面加工，与标准IC工艺完全兼容。3）尺寸：1.5mm24）电路结构（见下图）：a）：～5kΩ；b)、构成同向放大器；优点：输入阻抗高，共模抑制比高。放

6、大倍数：，改变，可以调整。c）A3：基本差动输入放大器，放大倍数：当，时，。d）总的差模放大倍数：e）降低有益于减少输出温度漂移，从而减小电路的输出失调电压。2、MOTOROLA单片集成压力传感器MPX3100量程：0～100kPa；被测量：差压、表压、绝对压力；结构：应变仪＋温度补偿、校准和信号调理＋激光修正。1）敏感元件结构及原理a）结构为单个X型的压敏电阻b）工作原理：利用单片压敏电阻产生随压力而变化的输出电压。受到压力时，原来结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生变化，使载流子的数量和载流子的迁移发生变化。压阻效应的另一

7、种表达方式：电场分量，电流密度分量是，应力分量是ρ：无应力作用时的各向同性电阻率；1，2，3表示3个轴方向。：纵向压阻系数；：横向压阻系数；：剪切压阻系数。对于P型硅，具有最大值。若令：、＝0，则有：，为剪切应力。，，，电场E1引起该方向的电位分布发生变化。c）加工工艺：掩蔽腐蚀＋阳极键合法＋离子注入工艺＋激光微加工技术＋激光修正技术。导电类型压阻系数P－SiN－Si6.6-102.2-1.153.4133.1-13.6d）失调误差由横向电压抽头的对准度决定。2）温度补偿一般半导体器件的输出参数均受温度的影响，为消除影响需进行

8、补偿。a）满量程温漂补偿X型压力传感器输出电压幅度随温度升高而降低，＝-0.19％/℃，传感器的输出与激励电压成比例关系，采用前面介绍的拼凑补偿法。在X型传感器的激励电源上串入一具有负温度系数的电阻；X型压力传感器本身的电阻具有正温度系数，也起到一定补偿作用，补偿精度可达到0