传感器集成化技术与集成传感器

14.1　传感器集成化技术与集成传感器

14.1.1　传感器集成化的途径

随着半导体集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的接口电路及信号处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是集成传感器（Integrated Sensor）。集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。

传感器的集成化具有两方面含义:其一是将传感器与其后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路等集成在同一芯片上。这样与一般传感器相比，它具有体积小、反应快、抗干扰、稳定性好的优点。其二是将多个相同的敏感元件或各种不同的敏感元件集成在同一芯片上，如平面图像传感器，就是将上百个相同的光敏二极管集成在同一个平面上。

传感器的集成化也是一个由低级到高级，由简到繁的发展过程。当集成技术还不能把传感器和全部处理器电路集成在一起时，人们总是先选择一些较基本、较简单而集成化后可大大提高传感器性能的电路同传感器集成在一起。下面介绍几种这些被优先考虑的电路:

1.各种调节和补偿电路，如电源电压调整电路、温度补偿电路等

把电源电压稳定电路和传感器集成在一起，不仅降低了传感器对外部电源的要求，方便使用，而且输出信号的稳定性也得到了改善。由于传感器特别是半导体传感器对温度的灵敏性一般比较高，因此良好的温度补偿更具有重要的意义。对于分立元件式传感器的情况，温度补偿是通过外部感温元件构成温度补偿电路实现的，但由于传感器的实际温度和外部感温元件不完全一致，因此难以达到预期的补偿效果。如果将温度补偿电路与传感元件集成在同一芯片上，那么补偿电路就能很好地感知传感元件的温度，取得较好的补偿效果。

2.信号放大和阻抗变换电路

把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，可以显著改善信号的信噪比，抑制外来干扰的影响。传输线往往是干扰噪声的一个主要来源，在传感器输出信号弱和传感器输出阻抗高的情况下，传输线上的干扰噪声会对信号产生很大的影响，并且这种干扰噪声与信号将同时被后级放大电路所放大。而在集成传感器中，由于传感元件和放大器、阻抗变换电路集成在一起，传感元件产生的信号经放大和阻抗变换后再经过传输线馈送到后面的信息处理电路作进一步处理，因此，传输线上的干扰影响被大大削弱，而且没有得到放大。

3.信号数字化电路

提高抗干扰能力的另一有效措施是将模拟信号变换成数字信号。常用的方法是在芯片上先把模拟信号变换成一定频率的交变信号，再把交变信号变成数字信号。各种电流控制振荡器和电压控制放大器都可用于此目的。

为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开-关两种状态的输出以实现控制。当被测信号强度高于某一阈值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信号在阈值附近受干扰而影响输出状态，通常把一个施密特触发器和开关电路集成在一起。

4.多传感器的集成

利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同类型的传感器集成在一起。将多个相同类型的传感器集成在一起就可通过对各个传感器的测量结果进行比较，去除性能异常或失效器件的测量结果。可以对正常工作器件的测量结果求平均值以改善测量精度。

将多个功能不同的传感器集成在一起，就可以同时进行多个参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，得出一个反映被测系统的整体状态的参数。例如，通过对内燃机的压力、温度、排气成分、转速等参数的测量，经过分析处理可得出内燃机燃烧完全程度的综合参数。

5.信号发送接收电路

在一些应用中，传感器需要安装在运动的部件上，或安放在有危险的封闭环境中，或放置在被测试的生物体内，这时测得的信号需要通过无线电波或光信号的形式传送出来。在这种情况下，若将信号发送电路和传感器集成在一起，那么测量系统的重量可以大大减轻，尺寸可以减小，给测量带来很多方便。另外，如把传感器与射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，那么传感器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至关闭电源以减少功率消耗等。

总之，传感器和半导体集成电路技术相结合，使传感器具有集信号检测、信号调理放大、信号转换与处理于一体的特点，这是今后传感器技术的重要发展方向。随着集成电路技术的发展，集成传感器中集成的电路和元件包将越来越多，集成传感器的功能也越来越强。下面介绍几种典型的集成传感器。

14.1.2　几种集成传感器原理

1.带温度补偿的集成压力传感器

图14-1是一个带温度补偿电路的压力传感器电路。R₅、R₆和晶体管T构成温度补偿电路，用作全桥的供电电源。当晶体管T的基极电流比流过R₅、R₆的电流小得多时，晶体管集电极到发射极的电压降V_ce为

于是力敏电阻电桥的实际供电电压为

图14-1　带温度补偿电路的集成压力传感器

图14-2　频率输出型的单块集成压力传感器等效电路

温度升高时，V_be下降，引起V_ce降，使V_B升高。这就补偿了压阻灵敏度随温度升高而下降造成的误差。

这样的温度补偿电路不仅简单，体积小，成本低，而且补偿效果良好。因此得到广泛的应用。有时为了减少弱信号在传输过程中所受到的干扰和降低对后级电路的要求，可将放大电路和力敏电阻全桥集成在一起。通常在电桥后再设置一个差分放大电路，并把它们集成在同一芯片上。这样不仅使输出信号的幅度增大，而且抗干扰能力也大大增强。现有的许多压力传感器就是采用此种电路的单块集成压力传感器。

2.频率输出型集成压力传感器

随着微处理器和计算机的广泛应用，数字化是现代测量技术的一个发展趋势。信号数字化的一个途径是先将模拟信号变换成频率信号，然后再变换成数字信号。图14-2是频率输出型集成压力传感器的电路原理。其中R₁～R₄是构成全桥的四个力敏电阻。电桥的输出电压经T₁～T₆变换成电流信号。T₆的输出电流和电容C决定了最后部分施密特触发器的转换频率，从而实现了将电压信号转换为频率信号。该传感器的静态输出频率约1.5MHz，压力灵敏度约为12Hz/Pa，量程为0～33kPa。

3.霍尔集成传感器

霍尔集成传感器是利用硅的集成电路制造工艺，将敏感部分（霍尔元件）和信息处理部分集成在同一硅片上，从而达到微型化、高可靠、长寿命、小功耗、负载能力强等目的。

霍尔集成传感器主要分为两类，即开关型和模拟型。开关型霍尔集成传感器由四部分组成，其电路原理如图14-3所示。

图14-3　开关型霍尔集成传感器电路原理图

第一部分霍尔元件H，是该电路的敏感部件。第二部分是差分放大器，由图中T₁、T₂晶体管及有关元件构成，其功能是将输出的霍尔电压进行放大。第三部分是施密特触发器，主要由T₃、T₄组成。若霍尔元件有输出，R₆中有电流流过，T₅～T₇导通，输出为低电平；若霍尔元件无输出，R₆中无电流流过，T₅～T₇截止，输出高电平。第四部分是由T₇组成的输出器，根据T₅、T₆的导通与否，分别输出低电平和高电平。

开关型霍尔集成传感器最基本的应用是制成新型接近开关。由于它可以在恶劣环境和某些特殊条件下使用，可用来代替现行的各种电子式接近开关，并且可以派生出一系列微型机电一体化产品，如霍尔电路转速表，霍尔电路汽车点火器，无触点交直流功率开关，机械运动限位器等。

图14-4　集成色敏传感器的组成

4.半导体集成色敏传感器

半导体色敏传感器是利用两只光电二极管的输出电流对数差与波长的对应关系来确定入射光的波长。将色敏感部分与运算电路部分集成在同一块硅片上就可以构成半导体集成色敏传感器。图14-4为集成色敏传感器的组成及其信号处理功能。图中虚线框内是色敏传感部分。由于这种集成色敏传感器有可能在输出端直接显示入射光的波长值，故它的辨色功能十分引人注目。

5.多维化集成气敏传感器

目前在气敏传感器的开发应用中，碰到的最大问题是，气敏传感器往往对多种气体都敏感，即存在着交叉敏感问题。用户在选用气敏传感器时就碰到了选择性与灵敏度之间的矛盾。如果将气敏传感器作报警器使用，就需要避免误报的可能。

以往，人们往往试图通过减少交叉敏感的灵敏度，即提高单个传感器的选择性来解决这个问题。通过多年努力表明，这样解决问题是困难的。最近，人们针对交叉敏感的存在，不是设法减少它们，而是巧妙地把这个不利因素加以利用，使之转化为有利因素，因此提出了一种新型系统的设想，即多维集成传感器的概念。

其设计思想及工作模式简单介绍如下表。表14-1中给出n个不同的气敏传感器，它们对i种（至少是i种中的大多数）气体都具有敏感性，但灵敏度各不相同。表中以a_in来表征第n个传感器对i气体的灵敏度。

表14-1　多维集成气敏传感器工作模式

对某一类气体，假设它含有i种组分，根据各组分的比例，就能得到一组从S₁到S_n的信号谱。显然，这个谱的特征就代表这类气体，而谱的强度则代表这类气体的浓度。不同的气体组分和比例，将会得到不同的谱。利用具有模式识别功能的电路就可以准确地检测被测气体的组成和浓度。

多维集成化的设计思想虽然是针对分立的气敏传感器而提出来的，但它与多功能集成传感器有一定的联系。多维化可以用多功能集成的方法来实现，而多功能集成化传感器又可以借助多维化的思想来改进设计。所以，两者的有机结合将是传感器集成化的新方向。

14.1.3　典型集成温度传感器实例

半导体集成温度传感器按照输出方式，可以分为电流型和电压型。电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源。在一定温度下，它相当于一个恒流源，因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有很好的线性特性，而且电流很容易变换成电压，因此这种传感器应用十分方便。

美国AD公司的电流型集成温度传感器AD590就是一个典型的例子，AD590具有精度高、使用方便的特点。由于它是电流型的器件并具有很大的输出阻抗，因此特别适用于远距离测量。AD590的主要性能指标如表14-2。

表14-2　AD590的主要性能指标

1.高精度摄氏温度计

用图14-5所示的电路可以对零点和温标系数独立进行调整，因此可以构成一个高精度的摄氏温度计。它的工作原理如下。

在0℃时，I_t为273.2μA，通过调节电阻R₂，使这时的输出为0。在温度不等于0℃时，I_t与流过R₁的电流不平衡，使运放的输出电压V_o升高，有一部分电流从V_o流过R₂来补充I_t的电流。因此，V_o＝100K（I_t-273.2μA）。即输出随温度以100mV/℃的灵敏度变化。

这样的电路经过零点和温标系数的调整之后，精度相当高。在使用范围仅为10℃时，精度达到0.05℃以内；在使用温度范围为200℃时，精度也可达到0.3℃。图中10V电压是标准电压。

图14-5　用AD590作摄氏温度计用时的线路

图14-6　用AD590测量温差

图14-7　用AD590测量温差的改进电路

2.温差的测量

AD590型集成温度传感器在测量两点温度差时也十分方便。图14-6是一种最简单的测温电路。两个传感器处在两个不同的温度环境中，因此产生不同的电流I₁和I₂，这两支电流的差值电流流经一个微安表，因此微安表的读数就表示了两点的温度差。

图14-7是对图14-6测试方法的改进。它把信号加以放大以提高显示精度。图中两个传感器因温度不同而有不同的电流，它们的电流差值流向运放，引起一定的输出电压，这个电压可由数字电压表显示出来。