第3章 节 不同集成度智能传感器系统举例 智能传感器系统 .ppt

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 ; 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10 μm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 3-1 传感器的集成化 ;图 3-２ 面阵CCD传感器简图 ;3.1.2 不同集成度智能传感器概述 ; 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，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、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???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 ; 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，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10 μm, 长宽各 60 μm的凹坑, 将上层硅片与下层硅片在1 150 ℃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 30 μm， 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 1.5 mm2，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5 kΩ，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 ; 图3-7 片内CMOS运算放大器电路 ;二、 摩托罗拉单片集成压力传感器MPX3100 ;图 3-8 MPX3100内部线路图 ;1. 敏感元件结构及原理 ;图3 -9 X型敏感元件符号 ; X型压力传感器芯片的俯视图和剖面图如图3-10和图3-11 所示。由图 3-10可见，一只X型压敏电阻器被置于硅膜边缘， 其中 1 脚接地，3 脚加电源电压+VS, 激励电流流过 3 脚和 1 脚。 加在硅膜上的压力与电流方向相垂直，该压力在压敏电阻上建立了一个横向电场，该电场穿过电阻器中点，所产生的电压差由 2 脚和 4 脚引出。 ;图 3-10 X型压力传感器芯片俯视图 ;图 3-11 X型压力传感器的剖面图 ; 由图 3-11