集成化的实现

这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的，故又可称为集成智能传感器，其外形如图13－9所示。

图13－9 集成智能传感器

随着微电子技术的飞速发展，微米／纳米技术的问世，大规模集成电路工艺技术的日臻完善，集成电路器件的密集度越来越高。它已成功地使各种数字电路芯片、模拟电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片的价格性能比大幅度下降。反过来，它又促进了微机械加工技术的发展，形成了与传统的经典传感器制作工艺完全不同的现代传感器技术。

现代传感器技术，是指以硅材料为基础 （因为硅既有优良的电性能，又有极好的机械性能），采用微米 （1μm～1mm）级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化。国外也称它为专用集成微型传感技术，由此制作的智能传感器的特点是：

1.微型化

微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力。美国最近成功研发的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几千克下降至几克。

2.结构一体化

压阻式压力 （差）传感器是最早实现一体化结构的。传统的做法是先分别机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴形成周边固支结构的 “金属杯”，再在圆膜片上粘贴电阻变换器 （应变片）而构成压力 （差）传感器，这就不可避免地存在蠕动、迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺，不仅 “硅杯”一次整体成形，而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的。进而可在硅杯非受力区制作调理电路、微处理器单元，甚至微执行器，从而实现不同程度乃至整个系统的一体化。

3.精度高

比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标将大大改善，时间漂移大大减小，精度提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器更有特别更重要的意义。

4.多功能

微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器，如，美国霍尼韦尔公司，20世纪80年代初期生产的ST－3000型智能压力 （差）和温度变送器，就是在一块硅片上制作了感受压力、压差及温度三个参量的，具有三种功能 （可测压力、压差、温度）的敏感元件结构的传感器。不仅增加了传感器的功能，而且可以通过采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响，提高传感器的稳定性与精度。

5.阵列式

微米技术已经可以在1cm2大小的硅芯片上制作含有几千个压力传感器阵列，例如，丰田中央研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成化应变计式面阵触觉传感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1024个 （32×32）敏感触点 （桥），基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数为16000个。

敏感元件组成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。

敏感元件组成阵列后，通过计算机／微处理器解耦运算、模式识别、神经网络技术的应用，有利于消除传感器的时变误差和交叉灵敏度的不利影响，可提高传感器的可靠性、稳定性与分辨能力。如目前已成为研究热点的气敏传感器阵列的研究，以期望实现气体种类判别和混合体成分分析与浓度测量。

6.全数字化

通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构。其固有谐振频率可以设计成某种物理参量 （如温度或压力）的单值函数。因此可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器，直接输出数字量 （频率）。它的性能极为稳定，精度高，不需A／D转换器便能与微处理器方便地接口。免去转换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利。

7.使用方便，操作简单

智能传感器可以没有外部连接元件，外接连线数量极少，包括电源、通信线可以少至4条，因此，接线极其简便。它还可以自动进行整体自校，无须用户长时间地反复多环节调节与校验。“智能”含量越高的智能传感器，它的操作使用越简便，用户只需编制简单的使用主程序。

根据以上特点可以看出：通过集成化实现的智能传感器，为达到高自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性，其发展主要有以下两种趋势：

①多功能化、阵列化，加上强大的软件信息处理功能；

②发展谐振式传感器，加入软件信息处理功能。

例如，压阻式压力 （差）传感器是采用微机械加工技术最先实用化的集成传感器，但是它受温度与静压影响，总精度只能达到0.1％。在20多年时间内，它的温度性能始终无法得到提高，因而有的厂家改为研制谐振式压力传感器，而美国霍尼韦尔公司则发展多功能敏感元件 （如：ST－3000型智能变送器），通过软件进行多信息数据融合处理，从而改善了稳定性，提高了精度。

外形如图13－9所示的集成智能传感器，是智能传感器的最终期望形式。如果再具有图像处理功能则是智能传感器的最高级形式。

然而，要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多困难、棘手的难题。例如：

哪一种敏感元件比较容易采用标准的集成电路工艺来制作？

选用何种信号调理电路，如精度电阻、电容、晶振等，不需要外接元件？

由于直接转换型A／D变换器电路太复杂，制作了敏感元件后留下的芯片面积有限，需要寻求其他模／数转换的形式。如：电压／频率变换器、占空比调制式，等等。

由于芯片面积有限以及制作敏感元件与数字电路的优化工艺的不兼容性，微处理器系统及可编程只读存储器的规模、复杂性与完善性受到很大限制。

对功耗与自然、电磁耦合带来的相互影响，在一块芯片内如何消除？

除上述外，还有其他问题，这里不再列举。