科大版智能传感器课件3-.ppt

1、目目 录录 第1章 概 述 第2章 智能传感器系统中经典传感技术基础 第第3 3章章 不同集成度智能传感器系统介绍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 第第3 3章章 不同集成度不同集成度智能传感器系统介绍智能传感器系统介绍 要 点：u 集成智能传感器的工作原理和结构特点；u 初级形式：单片集成和混合集成；u 中级形式：敏感单元信号调理电路微处理器系统；u 高级形式：敏感单元阵列化，信号处理软件高

2、级化。3.1 传感器的集成化和智能化3.1.1 3.1.1 传感器的集成化传感器的集成化1 1、集成化的概念：集成化的概念：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，ST3000等。2 2、集成化的优点集成化的优点 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

3、化：可实现多参数检测；拓宽了使用范围。3.1 传感器的集成化和智能化3.1.2 3.1.2 传感器的智能化传感器的智能化 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 1、初级形式初级形式 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 2、中级形式中级形式 3.1 传感器的集成化和智能化 在初级形式

4、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）、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 3、高级形式高级形式 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

5、能化，或者在现有的传感器外壳内，装上专用集成电路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 3.2.1 单片集成式单片集成式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：1.5mm2 4）电路结构（见下图）：a）：5k；b)、构成同向放大器；形成压力腔掩蔽腐蚀高温键合技术离

6、子注入工艺制作压阻电桥14RR1A2A3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 优点：输入阻抗高，共模抑制比高。放大倍数：，改变 ，可以调整 。561WRRRA wRA3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 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 2、MOTOROLAMOTOROLA单片集成压力传感器单片集成压力传感器MPX3100MPX3100 量程：0100kPa；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

7、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89108107RRRRRRA87RR109RR98RRA 5698(1)WRRRdRRAA AA3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式到压力时，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。压阻效应的另一种表达方式：电场分量 ，电流密度分量是 ，应力分量是 ：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。jEiiij1111 11122233442123131()()Eiii 2211221211

8、33441213231()()Eiii 331133121122441312321()()Eiii 111244443.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 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PSiNSi6.6-102.2-1.153.4133.1-13.61i3i124412Ei 1211212outVdEd kk44 2kikdk1112443.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 d）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

9、出参数均受温度的影响，为消除影响需进行补偿。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0.5。b）零位温漂补偿 一般情况下，可通过光刻工艺使零位失调和温漂做得很小，在要求较高和宽温度范围内工作，需进行补偿。（电路图参见教材P87）的作用：进行零位温漂补偿；提高输入阻抗。TSR1OA3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 的作用：将差分输出转换为单端对地输出；通过阻抗转

10、换提高共模抑制比。、构成同相串联差动运算放大器，共模增益为零。补偿电阻 ，可采用小信号分析法求得：3）信号调理和校准电路 ：精密电压基准，校准整个系统的零位输出电压。MPX3100的零位：0.5V；满量程：2.5V。、提供电压基准，保证零位输出0.5V。放大器：、用于保证系统满量程输出，校准：采用激光修正电阻 的方法。3 3、带带C/UC/U转换电路的硅电容式单片集成压力传感器转换电路的硅电容式单片集成压力传感器3R1OA2OA11221235()VR RVRRRR3O7R8R2OA4OAGR2OA3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 前面的介绍表明：硅电容式的性能指标高于扩散硅压阻式

11、，灵敏度高1几个数量级，功耗低2个数量级。缺点：输出的非线性。组成：敏感单元（单岛型弹性膜片）C/U转换电路放大电路（信号调理）带隙电压基准电路数字校正时钟电路三阶低通滤波器 1）信号调理电路 采用了差动结构设计；信号传感器电容：、；参考传感器电容：、；优点：消除干扰信号的影响（温度、杂散电容）。a）根据书中提供的开关电容调理电路 我们可以将其中的前级放大部分进行简化分析。当开关 吸合：1SC2SC1RC2RC2S3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 当 ，时，b）后一级放大电路，其工作原理与前一级类似，输入信号部分为：、；且 ，。输出电压：c）假设 ，均为平板电容，则：1212211

12、21()()RRSSCCbgbgbgbgMCCUUUUUU 12SSCC12RRCC0MU112112()RSCbgbgCUUU 1U12()bgbgUU333CC444CC312421()CbgbgSCUUUUU 311241()(21)RSCCbgbgSCCUUU 1SC1RC10()SASXX PC10RARXC3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 取：，则：。上式可变换为：d）传感器灵敏度的调整：用程控电容阵列开关，选定不同的比值。2）带隙电压基准电路 a）从上面推导出的输出表达式中，输出信号电压与基准电路提供的电压成正比，因此可通过调整带隙电压的温度系数来补偿灵敏度温度系数的

13、影响，达到温度补偿和校正的目的。b）提供高稳定度的电压值。3）传感器的结构设计 结构：方形膜片（单岛型）上下两片硼硅玻璃。引线：由金属化的玻璃表面引出。1112RSCC12RSAA31240()2()CX PbgbgSCXUUUU34CC3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 加工工艺：掩蔽腐蚀阳极键合微加工技术 尺寸：8.4mm6.2mm。4 4、具有频率或数字输出的单片集成传感器具有频率或数字输出的单片集成传感器 优点：测量精度和分辨率高；抗干扰能力强；直接进行数字信号处理（或简单预处理）；提高了系统的可靠性和响应速度；成本低。结构形式：硅微结构谐振式、声表面波（SAW）式、电子振荡

14、式、触发器式。1）硅微结构谐振式 特点:微型化、功耗低、响应快、易集成。激励方式：热激励、光激励、电磁激励。a）电阻热激励 主要是提供了一个热激励源，该激励以加热电阻的形式实现。当加热电阻通以带有直流分量的交变电压时，会引起膜片的温度应力产3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式生交变，当其频率 与膜片的自激频率一致时，膜片将发生谐振。通过 组成的电桥检测到含 的输出信号。该信号一方面作为测量信号，另一方面可将它反馈到加热电阻R上，构成微结构谐振式传感器的闭环自激系统。当膜片受压力作用时，膜片谐振子的谐振频率将产生变化，压力与频率之间有一定的对应关系。需要注意的问题：、的特性，、的特性要一

15、致。书中有错误，页，图317 ii)注意桥路电源电压 对膜片温度分布的影响。b）光激励 1R4Rcos t132414230()()R RR RRRRRUU1R3R2R4R94P0U3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 加上光激励信号，且光激励信号频率与悬臂梁的谐振频率相等时，悬臂梁会出现谐振现象，通过测量光纤对管中接收光纤的信号变化就可以测出值。（见P95页，图3-19）c）电磁激励 电磁激励实际上由激励线圈激励硅梁拾振硅梁拾振线圈与梁中电流方向相垂直的磁场组成，其中磁场由永久磁铁提供。当被测压力作用时，膜片产生形变，中心处和边缘处的应力方向相反，中心处受拉，边缘处受压。中心处硅谐振

16、梁的频率增加，边缘处的频率则下降，最高精度可达0.01FS。用测量频率差的方法检测压力，可以抑制环境温度等外界因素造成的误差。2）声表面波（SAW）式（surface acoustical wave）a）波的类型3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 纵波：，质点振动平行于传播方向；横波：，质点振动垂直于传播方向；E：弹性模量，：密度，：泊松比。各向异性物质中声波的传播：固体有界时，由于边界变化的限制，可出现各种类型的声表面波：瑞利波、电声波、乐甫波、广义瑞利波、拉姆波等。就波的传播速度与频率有无关系，分为色散波和非色散波（瑞利波、电声波）。b）声表面波的主要性质：i)SAW的反射及模式

17、转换(1)(1)(1 2)ELV12(1)ESV3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 压电晶体表面蒸上金属指条；表面刻有沟槽均能引起波的反射。ii)波束的偏离与衍射效应 iii)声表面波的衰减：偏离与衍射；表面波与材料热声子相互作用引起；材料表面粗糙在传播时不断向气体中辐射声波（与气体性质、气压有关）。c）声表面波叉指换能器 叉指周期：T2a2b 3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 W换能器的孔径；ab，声波波长：；，工作频率只受加工工艺限制。若因外界因素的影响，引起v与的变化，则 产生变化。，：应变率；，常数。d）声表面波传感器 i)声表面波振荡器 R型（反射）DL型（延迟

18、线型）ii)SAW力和加速度传感器 利用：应力作用，使基片的弹性系数和密度发生变化，应力在SAW传播方向上产生应变，使L和改变，SAW的传播速度和频率也相应地变化。灵敏度：，由于 ，1kvf104vaf 0f0(1)fkffvLfvLfvfvLL3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 石英晶片地灵敏度：0.51.5kHz/N，压电陶瓷片：10kHz/N。iii)SAW气体传感器 以延迟线振荡器为基础，气体地吸附作用转变为覆盖层密度的变化，SAW延迟线传播路径上的质量负载效应使SAW波速发生变化，进而引起频偏。e）构成3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 声表面波谐振器（SAWR）

19、（由叉指换能器金属栅条式反射器构成）放大器匹配网络（实际上就是移相网络电路）f）加工工艺：金属淀积工艺光刻技术 工作原理：基于压电材料的逆压电和正压电效应。在激励SAW叉指换能器上加上适当频率的交变电信号后，压电基底内部会产生交变电场分布，由于逆压电效应，激励叉指换能器的叉指电极间的材料将产生周期形变，这种周期性的形变就产生沿叉指两侧表面传播出去的SAW，其频率等于所施加电信号的频率。当这种SAW通过基底传播到接收叉指换能器时，借助正压电效应，接受叉指换能器将输出交变的电信号。起振后的振荡频率会随着温度、压电基底材料的变形等因素影响而发生变化。反射栅条的作用：反射栅条主要是将SAW反射回来，加

20、强振荡效果，这有点像激光器两端反射膜的作用。3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 3）集成数字温度传感器 a）Maxim公司的产品 利用PN结的温度特性，输出形式：模拟输出、逻辑输出、数字输出，数字输出型一般带有串行接口：、具体产品型号：MAX6575L/H、6576、6577 温度范围：-35125；封装0S0723 例:单线接口数字温度传感器（见下图）2I C/SPI QSPISMBUS3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 时间系数的选择:()6575L6575H GND GND5160 GND20320 GND4048080640/s k1TS0TSDDVDDVDDVDD

21、V3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 测试温度与延迟时间的关系：T（）273.15K 温度传感器保持低电平的时间为5T（s）。b）DALLAS公司产品，DS1820 技术指标：-5575，精度：0.5 9位温度读数，其中一位符号位，A/D转换时间200s，用户自定义报警上下限。64BitRom结构：8bitCRC48bit序列号 8bit工厂代码（10H）()/)Dxtss k时间系数（3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 测温原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器计数。在低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而达到某一设置高温值时，

22、振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为55时的初值。正常工作步骤：1）系统通过反复操作，搜索DS1820序列号；2）启动所有在线DS1820作温度A/D变换；3）逐个读出在线DS1820变换后的温度数据。3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式3.2.2 3.2.2 初级形式的混合多片集成式初级形式的混合多片集成式1 1、具有温度补偿功能的压阻全桥传感器具有温度补偿功能的压阻全桥传感器 我们首先给大家介绍一下半导体力学量传感器中六种产生温漂的主要原因。i)压阻系数随温度变化对灵敏度温度漂移系数的影响；ii）在腔体内存在残余气体温度变化，引起气体体积的变化产生应力 iii）桥路电阻的不等性

23、（各电阻阻值不同、两支路电阻值不同），由膜厚不均引起。iv）桥臂电阻的漏电流桥臂电阻之间的绝缘度（表面电导、体电导）v）在 或钝化膜硅界面之间的热膨胀系数失配产生的应力；vi）装配应力的影响（选择温度系数相近的材料进行装配并注意配合、选择好的粘合方式）。2SiOSi3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 a a）零位失调及零位温度漂移的补偿）零位失调及零位温度漂移的补偿 i）四桥臂电阻值已知，可寻取串联和并联附加电阻的方式，保证输出电压表达式中分子为零；ii）四桥臂电阻未知，零位失调电压已知，根据失调电压的正负，可在确定的桥臂上也采取串并联的方式。书中 页下面倒数第二行有错误；另外，图3

24、-33未标出U0的正负极。采用串联方式，串联电阻：iii）零点温度漂移的补偿 主要是考虑桥臂电阻温度系数不一致性，一般是采用串联和并联的方式，该串、并联电阻温度系数近似为零。计算方法书中有详细的介绍，这里就不赘述了。计算过程为：先根据已知的桥臂电阻的初始值和各自的温度系数计算出132412340()()R RR RRRRRUU106P040RSURU3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式作业作业5 5 试就四桥臂电阻未知，零位失调电压已知，根据失调电压试就四桥臂电阻未知，零位失调电压已知，根据失调电压的正负，在确定的桥臂上采取并联方式，该并联电阻如何计的正负，在确定的桥臂上采取并联方式，

25、该并联电阻如何计算？算？当四个桥臂电阻未知，而零位失调电压已知时，可根据失调电压的正负，在适当桥臂上串联一个RS。下面推导RS在此种情况下的表达式，当四个桥臂电阻不相等时，采用恒压源供电时电桥的输出为 URRRRRRRRUo)(43214231求上式全微分，则有 44332211dRRUdRRUdRRUdRRUdUooooo(3-27)答案：答案：求得微分结果为 42433324342221112212)()()()(RRRURRRRURRRRURRRRURUo上式整理后得 ooRRUU4式中：Uo零位失调；U恒压源电压；Ro桥臂电阻均值，其值为;R1=R1-Ro,R2=R2-Ro,R3=R3

26、-Ro,R4=R4-Ro;R=(R1+R3)-(R2+R4)。)(414321RRRR(3-28)补偿电阻RS的表达式为 ooSUURR4(3-29)利用上述两种调零方法调零后，一旦温度发生变化，由于四个桥臂电阻温度系数不一致，输出会再度出现零位失调，即存在零位温漂。为补偿零位温漂，可采用串并联补偿法。如图 3-34 所示，在R1臂上串一补偿电阻RS，同时在R2臂上并一补偿电阻RP。图3-34中四个桥臂电阻R1R4有正温度系数，选择RS,RP的温度系数近似为零，这样当温度升高时，R1+RS增加得较慢，R2与RP的并联电阻增量也很小。适当选择RS和RP的数值，就可使温度变化时，基本不发生零点漂移

27、，从而达到零点温度漂移补偿的目的。3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式K值：然后根据下面公式：,求出 、（）,将 串入 臂，将 并入 臂。iv)半桥电路零点温度漂移补偿：0,并在 上；1FS/,0.5FS/31 10/41 10/BGUZTST3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 b)零位温漂补偿电路 由 来实现，并接在桥臂电阻上，该桥臂电阻随温度的变化率改变量为：在前面的讲述中，我们曾就并接电阻后，桥臂电阻随温度的变化率与桥臂电阻、并联电阻之间关系式作过推导，可根据此式求出 的值。c）灵敏度温度补偿电路 采用三级管并接旁路电阻的形式，具体补偿参数的选择可参照力学量敏感器件及应

28、用书中有关内容。、的选择应满足：在12v之间，为桥路的等效输入电阻：d）信号放大电路 图3-43有错误，的输入正负号相调（），PRPR04EUU PRARBR0/()BCCABR VRRR12341234()()RRRRRRRR2A117P0R3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 采用的是同相并联差动运算放大电路，：改善最终的输出特性。e）零位时漂调整电路 由 、构成。上述各补偿电路在实际使用中需考虑一下几点因素：i)相互之间的影响关系；ii）补偿及调整的先后次序；iii）工作点的选择；iv）增加适当的可调整环节。补偿结果：0.1FS/，0.04FS/，12v。关于带隙基准电压源：关于

29、带隙基准电压源：为满足现代电子测量之需要而提出的。它是基于能带间隙基准电压源的概念。所谓能带间隙是指半导体材料在0K温度下的带隙电压，其数值约为1.205V，用 表示。4A6R7RZTST0U0gU5R3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现零温漂。由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因此噪声极低。基准电压源的表达式为：k：玻尔兹曼常数；q：电子电量；T：热力学温度。232REFBECUUI R2132lnRRkTBERqRU3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 其电压温度系数：式中，2

30、.1mv/,第二项为正数，只要选择适当的电阻比，使两项之和等于零，即可实现零温漂。条件为：1.205v 是常温 下 的值。这表明从理论上讲，基准电压与温度变 化无关。实际上，由于受基极电流 等因素的影响，只能接近零温漂。2 2、一种带有信号调理电路的混合集成压力传感器一种带有信号调理电路的混合集成压力传感器 构成：敏感元件放大器（同相串联差动运算放大器）温度补偿电路 在图3-46中（）2132lnREFBEdUdURRkTdTdTRqRqBEdUdT21320lnRRkTBERqRUq0gU0BEU0TBEUREFU119PBI3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 1）构成压阻全桥，通

31、过控制制作工艺，使之尽量保证好的使用性能；2）放大电路采用了同相串联差动运放，这样可使之具有高的输入阻抗和低漂移信号输出，亦即具有高的共模抑制比；3）电源采用带隙基准电压源，使之具有低的温度漂移；4）灵敏度温度补偿采用上下对称的晶体管旁路电阻形式，这样在起到补偿作用的同时，保证电桥输出的共模电压在整个温度范围内为一常数，为什么？5）零位温漂补偿采用了可调的多个二极管组合的温度传感器；6）零位输出值通过 和 来进行调节；7）该集成传感器共有四块IC芯片采用厚膜技术集成为一体。1R4R17R3A3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式3 3、数字补偿电容式压力传感器数字补偿电容式压力传感器 1

32、）构成：传感器芯片传感电容参考电容CF转换器，其中的CF转换器为本书前面讲述的电容控制的方波振荡器。数字电路部分主要是将频率信号转换为数字量输出。2）工作原理 在小量程范围内，电容极板间隙的变化量可以等效为：为与膜片尺寸有关的常量。前面的分析表明，相应于电容C0，它的输出频率为：,：充放电电流，：翻转电压值。无压力作用与有压力作用时的频率差：，d：极板初始间隙。这说明压力差与频率差之间的线性关系。3）补偿技术 指导思想：先在结构上进行补偿，然后通过后续电路进行补偿。WK PK002xhIC UF xIhU02xhI K PC U dF3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 假设：时，在

33、温度变化范围内：参考电容的电流温度系数为 ，的温度系数为 ，传感电容的电流温度系数为 ，的温度系数为 ，略去中间推导过程，则有：a）灵敏度温度漂移的补偿 通过调整 的 值，使：。b）零点温漂的补偿 通过调整 的 值，使：。c）实际上 ，因此仍存在零点输出。4）数字调整技术 a）讲述通过计数器进行差频计数的方法：递增计数（）与递减计数（）0I0P0 xCC0 xQQ12();hCUQ T0Q0QxI000000()1()xxI Q KxIIQIdFI QTTP0()xIQ xCgU0 xII0CgU0 xCC0CxCK3.2 集成化智能传传感器系统统的初级级形式 b）讲述零点输出数字补偿的方法：

34、预置初值。c）量程调整的方法 改变计时电路的计数时间 5）传感器的制作工艺 a）制作传感器膜片和电容的下电极；用CMOS工艺制作相应电路。b）上下玻璃按要求进行加工，其中上层玻璃制作电容的上电极及引线等。c）硅片与上下玻璃之间的键合。d）切成单个芯片。3.3 集成化智能传感器系统的中级形式3.3.1 ST-30003.3.1 ST-3000型智能变送器型智能变送器 PROM：可编程的只读存贮器，E2PROM：电擦除可编程只读存贮器；特点：在计算机系统中进行在线修改，能在断电情况下保持修改结果。特点：可进行差压、静压、温度三种量的测量；在初级的基础上增加了微处理器、存储器、I/O接口；输出信号：

35、两种，一种是420mA标准模拟信号，另一种为数 字信号。性能：消除了交叉灵敏度的影响，使之具有高精度、高稳定性；操作和使用：有点类似可编程控制器1 1、结构与工作原理结构与工作原理 1）结构：传感器芯片（电桥多路开关A/D）及信号调理电路 微处理器系统（ROMCPUD/A数字I/O）3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式 2）工作原理 主传感器：P传感器；辅助传感器：P、T；根据P值可确定工作点；PROM存放：待测压力特征数据、环境温度特征数据、静压特征数据。特征数据在生产线上检测校准时，由计算机采集预处理后送入PROM中。2 2、性能特点性能特点 1）宽量程化：量程比：100：1（Ma

36、x 400：1），一般传感器：10：1 量程比是指最大量程与最小量程的比值。2）高精度和稳定性 模拟输出：0.075FS，数字输出：0.0625FS 作为对照：MOTOROLA公司的具有温度补偿、校正和信号调理电路的全集成单片硅压力传感器MPX4100和MPX5100系列（在085范围内）只有15的总精度，典型值为 0.2FS（25）。3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式 3）双向通信 由于它本身带有微处理器系统，所以比较容易实现现场与远程通信。4）自诊断功能 主要是检查系统的工作状态，便于发现问题和及时纠正。5）宽域温度及静压补偿 T：-40110；P：0210kgf/=22Atm3

37、 3、制作工艺流程制作工艺流程 1）芯片制备 2）芯片检查 3）芯片背面工艺，制作传感器 4）装配测试 5）制作主要设备 在这里大家只需建立这样一个概念：就是智能传感器是如何制作出 2cm3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式来的，有关加工的方法在第四章里作具体介绍。4 4、SFCSFC智能现场通讯器功能智能现场通讯器功能 1）组态：根据需要进行各种参数的预置（量程、输出单位、输出形 式）2）诊断：前面已作过简单介绍 3）校验：校验输出或整定零点。实际上现在已可以做到自整定。4）显示：显示有关信息，以便了解系统情况。5）远距离调节。3.3.2 3.3.2 具有微处理器（具有微处理器（MC

38、UMCU）的单片集成压力传感器）的单片集成压力传感器 这一部分的内容与前面讲的内容大同小异，这里就不作介绍了，大家可以自己看一看，有什么问题可以提出来探讨。下面给大家介绍国内研制的一种混合式的智能红外线测温仪。3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式ST-3000实物图通过PC机进行现场组态3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式SFC智能现场通讯器MCT多协议通讯器3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式SFC通过变送器接线端子排、现场接线盒、控制室仪表盘、与智能变送器连接示意图现场接线盒控制室仪表盘变送器接线端子排SFC与变送器信号线连接示意图3.3 集成化智能传传感器系统统的

39、中级级形式基于SMV3000/100系列全智能多变量变送器的流量测量传统流量测量方法多变量变送器流量测量方法3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式多变量变送器流量测量原理压力变送器差压变送器温度变送器流量温-压补偿演算器3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式1 1、传统的红外测温仪传统的红外测温仪 1）结构 a）滤光片：允许一定波长（814m）的红外辐射通过；b）调制盘：将恒定或缓变的红外辐射变换为交变辐射；c）前放（前置放大器）：阻抗转换，信号放大；3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式 d)选放（选频放大器）：只放大被调制的同频交流信号，抑制噪声；e）同步检波：包括倒相器

40、、全波同步检波器、采样保持电路、滤波器等，将交流信号转换为峰峰值的直流信号输出；f）加法器：将环境温度信号与测量信号相加，达到环境温度补偿的目的。g）发射率（）调节电路：黑体的=1，当被测目标不是黑体，1。该部分电路就是把相对减少部分恢复起来。h）线性化电路：因为物体的红外辐射与温度不是线性关系，所以要进行线性化处理；它由对数电路乘法电路反对数电路等组成；线性化后的测量信号与温度呈线性关系。i）A/D变换器：模拟量数字量，然后由数码管显示。2）工作原理 应用斯蒂芬玻尔兹曼定律：4WT3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式 W：单位面的辐射功率；：发射率，01之间；：斯蒂芬玻尔兹曼常数；T

41、：物体的绝对温度。2 2、智能式红外测温仪智能式红外测温仪 1）结构3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式 2）功能 a）具有信息处理与计算功能；可用软件进行线性化处理；b）具有自调整功能；量程，数据修正；c）可直接输出数字信号，测量数据可方便的进行存取；d）具有通讯接口功能；e）可方便的对系数、参数进行修改设置（如报警值）；f）采用软件代替了部分比较复杂的硬件电路，如：同步检波、加 法器、调节电路、线性化电路等；g）整体性能得到了大幅度的提高。3)工作程序流程（见下图）3.3 集成化智能传传感器系统统的中级级形式 3.4 集成化智能传感器的高级形式 前面我们简单的介绍过高级形式的功能特点，即最终将达到和超过人类“五官”对环境的感测能力，部分代替人的认识活动；但目前已能够进行多维检测，图像显示及识别等。大规模集成电路技术的快速发展将使具有学习能力的高度集成的先进传感系统得到进一步的发展和完善；神经网络与光导并行处理方式将有效地克服智能化传感器在适应性与金属线传输方面的限制。智能传感器未来的任务：1）应用机器智能的故障探测和预报；2）目标成分分析的远程传感；3）用于资源有效循环的传感器智能。