集成傳感器(包括壓敏、磁敏、溫敏、光敏傳感器)

1、第五章第五章 集成傳感器集成傳感器 集成傳感器集成傳感器將將敏感元件敏感元件、信號信號調(diào)理電路調(diào)理電路（如放大器、（如放大器、濾波電路濾波電路、整形電路整形電路、運(yùn)算電路）、運(yùn)算電路）、補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路、控制電路控制電路（如地址選擇、移位寄存（如地址選擇、移位寄存電路）或電路）或電源電源（如穩(wěn)壓源、恒流源）（如穩(wěn)壓源、恒流源）等制作在同一芯片上，使傳感器具等制作在同一芯片上，使傳感器具有很高的性能。集成傳感器具有抗有很高的性能。集成傳感器具有抗環(huán)境干擾和電源波動的能力強(qiáng)、體環(huán)境干擾和電源波動的能力強(qiáng)、體積小、可靠性高、易于同外部電路積小、可靠性高、易于同外部電路簡單連接、無需外接變換電路的優(yōu)簡

2、單連接、無需外接變換電路的優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)。5.1 集成壓敏傳感器集成壓敏傳感器依照敏感元件的不集成壓敏傳感器依照敏感元件的不同分為兩類：同分為兩類： 1 1）硅電容式集成壓敏傳感器：敏）硅電容式集成壓敏傳感器：敏感元件為電容式元件感元件為電容式元件 2 2）擴(kuò)散硅集成壓敏傳感器：敏感）擴(kuò)散硅集成壓敏傳感器：敏感元件為電阻式壓敏元件元件為電阻式壓敏元件一、硅電容式集成傳感器一、硅電容式集成傳感器 構(gòu)成：構(gòu)成：硅壓力敏感電容器硅壓力敏感電容器、轉(zhuǎn)換電、轉(zhuǎn)換電路和輔助電路三部分構(gòu)成。路和輔助電路三部分構(gòu)成。 首先由敏感電容器所傳感的電容量首先由敏感電容器所傳感的電容量信號經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，再由信號

3、經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，再由后繼信號調(diào)理電路處理后輸出。后繼信號調(diào)理電路處理后輸出。1、硅敏感電容器結(jié)構(gòu) 在基地材料（如玻璃）上鍍制一層金屬薄膜在基地材料（如玻璃）上鍍制一層金屬薄膜（如（如Al膜），作為電容器的一個極板，另一個極膜），作為電容器的一個極板，另一個極板處在硅片的薄膜上。硅薄膜是由腐蝕硅片的正板處在硅片的薄膜上。硅薄膜是由腐蝕硅片的正面和反面形成的厚約十幾微米的膜。硅片邊緣與面和反面形成的厚約十幾微米的膜。硅片邊緣與基底材料鍵合在一起。基底材料鍵合在一起。2、硅敏感電容器原理dSdSCr0S 兩平行極板所覆蓋的面積；兩平行極板所覆蓋的面積；d 兩平行極板之間的距離；兩平行極板之

4、間的距離； 極板間介質(zhì)的介極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；電常數(shù)； 0 真空介電常數(shù)（真空介電常數(shù)（8.85410-12 Fm-1） r 介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)，介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)， r空氣空氣1，其它介質(zhì)其它介質(zhì) r 1。 d、S、 (r)變化C變化U變化兩種極板結(jié)構(gòu)敏感電容：Cx；補(bǔ)償電容：C0(溫度影響）圓形膜結(jié)構(gòu)圓形膜結(jié)構(gòu)：將敏感電容和參：將敏感電容和參考電容分開，兩個電容的硅膜考電容分開，兩個電容的硅膜半徑均為半徑均為a，電容極板的半徑，電容極板的半徑均為均為b。環(huán)形膜結(jié)構(gòu)環(huán)形膜結(jié)構(gòu)：將兩種電容器合：將兩種電容器合二為一，它在半徑為二為一，它在半徑為a的硅膜的硅膜上鍍制半徑為上鍍制半徑為b

5、1的圓形電極的圓形電極板，作為測量電容；在測量電板，作為測量電容；在測量電容極板的外圍鍍制內(nèi)、外徑分容極板的外圍鍍制內(nèi)、外徑分別為別為b2和和b3的同心圓環(huán)，作的同心圓環(huán)，作為參考電容。為參考電容。2、測量電路電容變化電容變化電信號電信號 1 1）電容電容電壓電壓: :采用交流電源激勵，并通過采用交流電源激勵，并通過整流電路來檢出電容的變化，得到與電容有整流電路來檢出電容的變化，得到與電容有關(guān)的電壓信號，用電壓信號反映出外部壓力關(guān)的電壓信號，用電壓信號反映出外部壓力的變化。的變化。 2 2）電容電容頻率頻率: :將壓力敏感電容作為振蕩電將壓力敏感電容作為振蕩電路的電容元件，壓敏電容的變化引起該

6、電壓路的電容元件，壓敏電容的變化引起該電壓力敏感電容作為振蕩路振蕩頻率的變化，這力敏感電容作為振蕩路振蕩頻率的變化，這樣可以用頻率信號的形式反映外部壓力的變樣可以用頻率信號的形式反映外部壓力的變化?；?。交流信號激勵Up通過耦合電容通過耦合電容Cc為電路供電（方波、正弦為電路供電（方波、正弦波等）波等）正半周正半周: :電荷從電荷從B VD2 CxB VD2 Cx充電；充電； 從從A VD3 C0A VD3 C0充電充電; ;負(fù)半周負(fù)半周: : 放電放電 Cx VD1A; C0VD4BCx VD1A; C0VD4B無外力作用無外力作用，Cx=C0,Cx=C0,電荷電荷轉(zhuǎn)移量相等轉(zhuǎn)移量相等。有外力

7、作用有外力作用， CxCxC0C0，從，從B B轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移A A的電荷大于從的電荷大于從A A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移B B的電荷的電荷, ,導(dǎo)致導(dǎo)致A A電位高電位高于于B B電位，減少了從電位，減少了從B B轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移A A的電荷，增加了從的電荷，增加了從A A轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移B B的電荷，最終達(dá)到平衡的電荷，最終達(dá)到平衡。平衡后平衡后，A A、B B點(diǎn)電位差點(diǎn)電位差=Uo=Uo，Ua=0.5Uo;Ub=-Ua=0.5Uo;Ub=-0.5Uo.0.5Uo. QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx QAB=(Up+0.5U0-QAB=(Up+0.5U0-Ua)C0 Ua)C0 用

8、由用由Rf、Cf構(gòu)成的低通濾波器濾構(gòu)成的低通濾波器濾去交流的激勵的高頻電壓成分后，去交流的激勵的高頻電壓成分后，輸出端就只留下一個直流信號輸出端就只留下一個直流信號U0設(shè)設(shè)C,D點(diǎn)寄生電容點(diǎn)寄生電容Cp 2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=- Cx+C0+2Cp 在集成電路中在集成電路中CpCp數(shù)值較小而穩(wěn)定，它對數(shù)值較小而穩(wěn)定，它對U0U0的影響小而且穩(wěn)定，即的影響小而且穩(wěn)定，即CxCx可以做的較小可以做的較小而仍能獲得較大的信號和分辨率。此外通過而仍能獲得較大的信號和分辨率。此外通過選擇適當(dāng)?shù)倪x擇適當(dāng)?shù)腃0C0使它與零壓力時使它與零壓力時CxCx值相等，在值相等，在初始狀態(tài)的輸出初始狀態(tài)的

9、輸出U0U0就等于零。就等于零。 由于二極管的正向壓降不僅對靈敏度由由于二極管的正向壓降不僅對靈敏度由影響，對激勵信號的幅度也提出了叫較高的影響，對激勵信號的幅度也提出了叫較高的要求。改進(jìn)的方法是，把四個二極管換成為要求。改進(jìn)的方法是，把四個二極管換成為四個四個MOSMOS晶體管，適當(dāng)控制四個晶體管的導(dǎo)晶體管，適當(dāng)控制四個晶體管的導(dǎo)通和截止可以他們像二極管一樣起到整流作通和截止可以他們像二極管一樣起到整流作用。用。 3、CP8型集成壓敏傳感器u輸出緩沖電路：輸出緩沖電路：兩級射極跟隨器進(jìn)行阻抗變換。兩級射極跟隨器進(jìn)行阻抗變換。u振蕩器：振蕩器：阻容式自激振蕩器，由于阻容式自激振蕩器，由于VT1

10、和和VT2各自處于直流電壓負(fù)反饋的工作各自處于直流電壓負(fù)反饋的工作狀態(tài)，由于狀態(tài)，由于C1和和C2的耦合作用，電路產(chǎn)生自激振蕩。的耦合作用，電路產(chǎn)生自激振蕩。壓力敏感元件：壓力敏感元件：包括低通濾波器。包括低通濾波器。u放大器：放大器：差分放大器。對前面未能完全濾除的共模交流信號有進(jìn)一步的抑制差分放大器。對前面未能完全濾除的共模交流信號有進(jìn)一步的抑制作用。作用。二、擴(kuò)散硅壓敏傳感器特點(diǎn)：將補(bǔ)償電路與硅壓敏元件構(gòu)成的特點(diǎn)：將補(bǔ)償電路與硅壓敏元件構(gòu)成的全橋電路集成在一起，集成之后的傳感全橋電路集成在一起，集成之后的傳感器不僅體積小、成本低，更主要的是補(bǔ)器不僅體積小、成本低，更主要的是補(bǔ)償電路中起補(bǔ)

11、償作用的元件與磁敏元件償電路中起補(bǔ)償作用的元件與磁敏元件完全處于同一溫度中，因此能夠得到較完全處于同一溫度中，因此能夠得到較好的溫度補(bǔ)償效果。好的溫度補(bǔ)償效果。敏感元件：壓敏電阻壓敏電阻R R1 1RR4 4。測量電路：壓敏電阻壓敏電阻R1R4R1R4構(gòu)成的電橋。構(gòu)成的電橋。設(shè)壓敏電阻的靈敏度為設(shè)壓敏電阻的靈敏度為K K， 且且R1 = R3 = R0 + KPR0R1 = R3 = R0 + KPR0、 R2 = R4 R2 = R4 = R0 - KPR0= R0 - KPR0，則：，則：V0 = VBKP輔助電路：溫度補(bǔ)償電路，由電阻溫度補(bǔ)償電路，由電阻R5R5、R6R6和晶體管和晶體管

12、VTVT構(gòu)成的溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成的溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。若若VTVT的基極電流比電阻的基極電流比電阻R5R5、R6R6的電的電流小得多，晶體管的集電極流小得多，晶體管的集電極- -發(fā)射極電發(fā)射極電壓為：壓為：電橋的實際供電電壓電橋的實際供電電壓VBVB為：為：電橋電橋輸出電壓輸出電壓為：為：溫度補(bǔ)償：T TV VbebeV VceceV VB B，另一方，另一方面，面，T TV V0 0。電橋輸出電壓的溫度系數(shù)為： 可見，通過適當(dāng)選取可見，通過適當(dāng)選取R R5 5、R R6 6的的比值比值, ,可以使輸出電壓的溫度系可以使輸出電壓的溫度系數(shù)為零，也就是說通過電路參數(shù)為零，也就是說通過電路參數(shù)的設(shè)定可以

13、補(bǔ)償電路的溫度數(shù)的設(shè)定可以補(bǔ)償電路的溫度誤差。誤差。5、2 集成溫敏傳感器 集成溫敏傳感器將溫敏晶體管及其外圍集成溫敏傳感器將溫敏晶體管及其外圍電路集成在同一芯片上，構(gòu)成集測量、放大、電路集成在同一芯片上，構(gòu)成集測量、放大、電源供電電路于一體的高性能測溫傳感器。電源供電電路于一體的高性能測溫傳感器。其典型的工作溫度范圍是（其典型的工作溫度范圍是（-50+150-50+150） ，具體數(shù)值因型號和封裝形式不同而不同。具體數(shù)值因型號和封裝形式不同而不同。分類：電壓輸出型：直接輸出電壓，輸出阻分類：電壓輸出型：直接輸出電壓，輸出阻 抗低，易于同獨(dú)處或控制電路借口?？沟?，易于同獨(dú)處或控制電路借口。 電

14、流輸出型：輸出阻抗極高，可以簡電流輸出型：輸出阻抗極高，可以簡單的使用雙股絞線傳輸數(shù)百米遠(yuǎn)。單的使用雙股絞線傳輸數(shù)百米遠(yuǎn)。 頻率輸出型：除電流輸出型相似有點(diǎn)頻率輸出型：除電流輸出型相似有點(diǎn)外，還便于與數(shù)字化器件如計算機(jī)相連接。外，還便于與數(shù)字化器件如計算機(jī)相連接。一、PTAT核心電路1 1、PTATPTAT基本電路基本電路 基本原理：基本原理：BGBG1 1、BGBG2 2結(jié)構(gòu)和性能完全結(jié)構(gòu)和性能完全相同，在電阻相同，在電阻R R1 1上得到的兩晶體管上得到的兩晶體管BGBG1 1、BGBG2 2的基極的基極- -發(fā)射極電壓差為：發(fā)射極電壓差為： 式中：式中：J Jc1c1和和J Jc2c2分

15、別是分別是BGBG1 1和和BGBG2 2管的管的集電極電流密度。集電極電流密度。由上式可知，只要設(shè)法保持兩管的集電極由上式可知，只要設(shè)法保持兩管的集電極電流密度之比不變，那么電阻電流密度之比不變，那么電阻R R1 1上的電壓上的電壓 V Vbebe 將正比于熱力學(xué)溫度將正比于熱力學(xué)溫度T T。設(shè)兩管增益極高，因此基極電流可以忽略，設(shè)兩管增益極高，因此基極電流可以忽略，即集電極電流等于即集電極電流等于發(fā)射極發(fā)射極電流，則：電流，則： V Vbe be = R= R1 1I Ic2c2 由此可知電流由此可知電流I Ic2c2、I Ic1c1 和和R R2 2 上的電壓正比上的電壓正比于絕對溫度。

16、電路總電流于絕對溫度。電路總電流(I (Ic1c1+I+Ic2c2) )也正比也正比于絕對溫度。這種電路稱為于絕對溫度。這種電路稱為PTAT( Proportional To AbsolutePTAT( Proportional To Absolute Temperature)Temperature)核心電路。核心電路。2 2、溫度測量電路、溫度測量電路 PTAT PTAT核心電路的關(guān)鍵在于核心電路的關(guān)鍵在于兩管的集電極電流密度之比兩管的集電極電流密度之比（J Jc1c1/J/Jc2c2）不隨溫度變化）不隨溫度變化，為此，為此，供電電源采用電流鏡。供電電源采用電流鏡。 電流鏡由結(jié)構(gòu)、特性和發(fā)射

17、電流鏡由結(jié)構(gòu)、特性和發(fā)射結(jié)偏壓完全相同的結(jié)偏壓完全相同的BGBG3 3、BGBG4 4組組成，若兩只管子的輸出阻抗和成，若兩只管子的輸出阻抗和電流增益均為無窮大，流過電流增益均為無窮大，流過BGBG1 1和和BGBG2 2的集電極電流在任何溫度的集電極電流在任何溫度下始終相等。下始終相等。實際制作時，有意將溫敏實際制作時，有意將溫敏對管對管BGBG2 2 、BGBG1 1的發(fā)射極面的發(fā)射極面積制作成不相等的，其面積制作成不相等的，其面積比為積比為n n，這樣的集電極電，這樣的集電極電流密度比為面積的反比，流密度比為面積的反比，這樣，在電阻這樣，在電阻R R1 1上將得到上將得到兩管的基極兩管的

18、基極- -發(fā)射極電壓差發(fā)射極電壓差為為： V Vbe be 的溫度系數(shù)僅取決于的溫度系數(shù)僅取決于n n，而，而n n與溫度無關(guān)。與溫度無關(guān)。 n n是可以嚴(yán)格控是可以嚴(yán)格控制的，可以把制的，可以把BGBG2 2的發(fā)射極設(shè)計成條形，而的發(fā)射極設(shè)計成條形，而BGBG1 1的發(fā)射極則為的發(fā)射極則為若干同樣的條形電極的并聯(lián)，于是兩管的面積比變?yōu)楹唵蔚臈l若干同樣的條形電極的并聯(lián)，于是兩管的面積比變?yōu)楹唵蔚臈l數(shù)比。因此，電路輸出端的總電流數(shù)比。因此，電路輸出端的總電流I I0 0為為：電流輸出型電流輸出型溫度傳感器的輸出電流具溫度傳感器的輸出電流具有很寬的工作電壓范圍有很寬的工作電壓范圍 (430V)，電

19、，電阻阻R1要選用高穩(wěn)定的金屬膜電阻，對要選用高穩(wěn)定的金屬膜電阻，對其阻值進(jìn)行嚴(yán)格控制，從而保證傳感其阻值進(jìn)行嚴(yán)格控制，從而保證傳感器的精度。器的精度。 電壓輸出型電壓輸出型溫度傳感器中，溫度傳感器中，BG5的發(fā)射結(jié)電壓與的發(fā)射結(jié)電壓與BG3、BG4相同，相同，又具有相同的發(fā)射極面積。于是流過又具有相同的發(fā)射極面積。于是流過BG5和和R2支路的電流與另兩支路的電流與另兩支路電流相等，所以輸出電壓為：支路電流相等，所以輸出電壓為：二、電流輸出型集成溫敏傳感器AD590AD590概述概述u在在2525(298.20K)(298.20K)時輸出電流：時輸出電流：298.20298.20 A Au供電

20、電壓：供電電壓：+430V+430Vu測量范圍：測量范圍：-55-55+150+150u靈敏度：靈敏度：0.10.1 A/A/u封裝形式：封裝形式：TO-52TO-52、片狀、片狀 TO-52TO-52：三端封裝器件，直徑：三端封裝器件，直徑6.84mm6.84mm、高、高3.81mm3.81mm（不含引（不含引線），適合對流體（空氣、液體等）線），適合對流體（空氣、液體等）的的“點(diǎn)點(diǎn)”溫度測量。溫度測量。 片狀封裝：厚片狀封裝：厚1.27mm1.27mm、寬、寬2.36mm2.36mm、長長6.35mm6.35mm（不含引線），適合于表（不含引線），適合于表面溫度測量。面溫度測量。 BG B

21、G1 1、BGBG2 2為溫敏晶體管，兩者的發(fā)射為溫敏晶體管，兩者的發(fā)射結(jié)面積比為結(jié)面積比為8:18:1。 (BG (BG3 3-BG-BG4 4) )、(BG(BG5 5-BG-BG6 6) )構(gòu)成恒流源，為構(gòu)成恒流源，為溫敏晶體管提供恒定的集電極電流，溫敏晶體管提供恒定的集電極電流，I Ic1 c1 = I= Ic2c2。 差分對管差分對管BGBG9 9、BGBG1010作為作為(BG(BG3 3-BG-BG4 4) )、(BG(BG5 5-BG-BG6 6) )的負(fù)反饋器件，起到進(jìn)一步的負(fù)反饋器件，起到進(jìn)一步消除由于制造工藝的不足造成消除由于制造工藝的不足造成BGBG1 1、BGBG2

22、2不對稱而對不對稱而對 V Vbebe的影響。的影響。 BG11與與BG2并聯(lián)，同時又與襯底相連接，使得包含在電路輸出總電流并聯(lián)，同時又與襯底相連接，使得包含在電路輸出總電流中的偏置電流以及襯底的漏電流也變成中的偏置電流以及襯底的漏電流也變成BG2的發(fā)射極電流而同樣具有隨的發(fā)射極電流而同樣具有隨溫度變化而變化的特性。溫度變化而變化的特性。 電阻電阻R1、R2采用接近零溫度系數(shù)的薄膜電阻，通過激光修正。采用接近零溫度系數(shù)的薄膜電阻，通過激光修正。 BG8在外加電源反極性接入時起到對電路的保護(hù)作用。在外加電源反極性接入時起到對電路的保護(hù)作用。理想溫度靈敏度為理想溫度靈敏度為1 1 A/A/。實際的

23、溫度靈敏度與實際的溫度靈敏度與理論值有所偏離。理論值有所偏離。誤差有兩種：斜率誤誤差有兩種：斜率誤差和平移誤差。差和平移誤差。為了提高測溫準(zhǔn)確度，為了提高測溫準(zhǔn)確度，需要進(jìn)行校正需要進(jìn)行校正。外接電源過小時，傳外接電源過小時，傳感器的溫度靈敏度隨感器的溫度靈敏度隨外加電源電壓的上升外加電源電壓的上升而上升；當(dāng)外加電源而上升；當(dāng)外加電源大于大于3V以上后，傳以上后，傳感器的溫度靈敏度隨感器的溫度靈敏度隨外加電源電壓的變化外加電源電壓的變化而變化。因此，外加而變化。因此，外加電源必須大于電源必須大于4V，否則，外部電源的波否則，外部電源的波動將對電路的輸出產(chǎn)動將對電路的輸出產(chǎn)生影響。生影響。對于階

24、躍溫度輸入，對于階躍溫度輸入，器件的輸出響應(yīng)為器件的輸出響應(yīng)為一階系統(tǒng)，時間常一階系統(tǒng)，時間常數(shù)數(shù) 隨熱交換條件而隨熱交換條件而異，再熱交換條件異，再熱交換條件好的情況下一般約好的情況下一般約23s就可達(dá)到穩(wěn)定就可達(dá)到穩(wěn)定誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)償n“一點(diǎn)校正法”：僅對某一溫僅對某一溫度點(diǎn)（度點(diǎn)（0或或25）進(jìn)行校正。）進(jìn)行校正。如果如果AD590在校正點(diǎn)（如在校正點(diǎn)（如2 5 ） 時 輸 出 電 流 并 非） 時 輸 出 電 流 并 非298.2 A，那么，調(diào)節(jié)，那么，調(diào)節(jié)Rw使使電 路 輸 出 電 壓 值電 路 輸 出 電 壓 值 VT為為298.2mV即可。即可。n“兩點(diǎn)校正法”：電路中電路中AD

25、581是是10V的基準(zhǔn)電壓，先使的基準(zhǔn)電壓，先使AD590處在溫度為處在溫度為0的環(huán)境中，調(diào)節(jié)的環(huán)境中，調(diào)節(jié)Rw1，使，使Ut = 0V；再；再將將AD590置于置于100的溫度環(huán)境中，調(diào)的溫度環(huán)境中，調(diào)節(jié)節(jié)Rw2，使，使Ut = 10.00V。這時輸出電壓。這時輸出電壓的溫度系數(shù)為的溫度系數(shù)為l00mV/。集成溫度傳感器還有一種集成溫度傳感器還有一種電壓輸出型電壓輸出型器器件，其基本電路與電流型無多大區(qū)別，件，其基本電路與電流型無多大區(qū)別，只是將溫敏差分對管的兩個只是將溫敏差分對管的兩個V Vbebe之差之差 V Vbebe引出。電路由引出。電路由溫敏晶體管溫敏晶體管、穩(wěn)壓電穩(wěn)壓電路路和和運(yùn)

26、算放大電路運(yùn)算放大電路三部分構(gòu)成。例如三部分構(gòu)成。例如 PC616PC616，器件的溫度系數(shù)為，器件的溫度系數(shù)為10mV/K10mV/K，四端四端T0-5T0-5封裝。封裝。三、集成溫控開關(guān)定義：對于簡單的溫度測量與控制場合而言，通常定義：對于簡單的溫度測量與控制場合而言，通常總是需要溫度傳感器、信號放大電路、比較器、觸總是需要溫度傳感器、信號放大電路、比較器、觸發(fā)器等一系列電路。這一系列電路多少需要占據(jù)一發(fā)器等一系列電路。這一系列電路多少需要占據(jù)一定的空間，同時由于電路的相對復(fù)雜性而增加了電定的空間，同時由于電路的相對復(fù)雜性而增加了電路調(diào)試的工作量。為此，出現(xiàn)了將測溫路調(diào)試的工作量。為此，出

27、現(xiàn)了將測溫比較比較控控制電路集成為一體的溫度測量與控制電路，稱作集制電路集成為一體的溫度測量與控制電路，稱作集成溫控開關(guān)。成溫控開關(guān)。AD22105AD22105由由 Analog DeviceAnalog Device公司開發(fā)，集公司開發(fā)，集溫度測控溫度測控于一體。是一個單電源半導(dǎo)體固態(tài)溫控開關(guān)，它在于一體。是一個單電源半導(dǎo)體固態(tài)溫控開關(guān)，它在一片集成電路中實現(xiàn)了溫度傳感器、設(shè)置點(diǎn)比較器一片集成電路中實現(xiàn)了溫度傳感器、設(shè)置點(diǎn)比較器和輸出級的功能組合。和輸出級的功能組合。6 6 腳外接一只腳外接一只預(yù)置電阻預(yù)置電阻，可以在，可以在- -4040到到+150+150的工作溫度范圍的工作溫度范圍內(nèi)

28、設(shè)置，在環(huán)境溫度超過所設(shè)置內(nèi)設(shè)置，在環(huán)境溫度超過所設(shè)置的溫度點(diǎn)時，電路通過一個集電的溫度點(diǎn)時，電路通過一個集電極開路輸出端（極開路輸出端（2 2 腳）輸出腳）輸出開關(guān)開關(guān)控制信號控制信號。溫度控制點(diǎn)設(shè)置的外接設(shè)置電阻溫度控制點(diǎn)設(shè)置的外接設(shè)置電阻接于接于6 6腳與接地引腳（腳與接地引腳（3 3腳）之間，腳）之間，設(shè)置電阻設(shè)置電阻R Rsetset由以下公式?jīng)Q定：由以下公式?jīng)Q定：其中：RMAX：在TSET下溫控點(diǎn)電阻實際的值， RNOM：最接近理論RSET的標(biāo)稱值。 ：25時的電阻精度（通常1%，5%或10%）， Kt：電阻的溫度系數(shù)。電路內(nèi)置一個施密特觸發(fā)器，使溫電路內(nèi)置一個施密特觸發(fā)器，使溫度

29、控制有大約度控制有大約4 4的遲滯。的遲滯。芯內(nèi)置一個可選的芯內(nèi)置一個可選的200k200k上拉電阻，上拉電阻，可直接驅(qū)動一個低功耗可直接驅(qū)動一個低功耗LEDLED指示燈。指示燈。外形結(jié)構(gòu)小外形結(jié)構(gòu)小( (包括引腳包括引腳1.75mm1.75mm5mm5mm6.2mm6.2mm。) )可于可于工業(yè)過程控制、熱控制系統(tǒng)、工業(yè)過程控制、熱控制系統(tǒng)、 CPUCPU監(jiān)控、計算機(jī)熱管理電路、監(jiān)控、計算機(jī)熱管理電路、風(fēng)扇控制、手持風(fēng)扇控制、手持/ /便攜電子設(shè)備等。便攜電子設(shè)備等。溫控點(diǎn)電阻精度和熱漂移的影響綜溫控點(diǎn)電阻精度和熱漂移的影響綜合考慮后，可以用以下方程計算：合考慮后，可以用以下方程計算：R R

30、MAX MAX = R= RNOMNOM (1+) (1+) (1+(1+ K Kt t(T(TSETSET 2525) )5、3 集成磁敏傳感器分類：按工作原理分類：按工作原理1)1)根據(jù)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理法拉第電磁感應(yīng)原理制成的制成的結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型傳感器。這種結(jié)構(gòu)型磁傳感器只能檢測到磁傳感器。這種結(jié)構(gòu)型磁傳感器只能檢測到磁通或磁場的變化率，不能檢測磁通或磁強(qiáng)自身量，通或磁場的變化率，不能檢測磁通或磁強(qiáng)自身量，而且難以小型化。而且難以小型化。2 2）利用）利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的磁電轉(zhuǎn)換導(dǎo)體或半導(dǎo)體的磁電轉(zhuǎn)換特性，將磁場信息變換成相應(yīng)的電信息特性，將磁場信息變換成相應(yīng)的電信息的的物性型物性型磁磁

31、傳感器，物性型傳感器既能檢測直流磁場，又能檢傳感器，物性型傳感器既能檢測直流磁場，又能檢測交流磁場，而且靈敏度高、可靠性好。測交流磁場，而且靈敏度高、可靠性好。 按輸出功能按輸出功能1 1）開關(guān)型）開關(guān)型 2 2）線性型）線性型 按工作機(jī)構(gòu)和工藝按工作機(jī)構(gòu)和工藝1 1）雙極型）雙極型 2 2）MOSMOS型型一、開關(guān)型集成磁敏傳感器1 1、基本構(gòu)成、基本構(gòu)成霍爾元件霍爾元件：在：在0.1T0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出20 mV20 mV左右的霍爾電壓，當(dāng)有負(fù)載時輸出左右的霍爾電壓，當(dāng)有負(fù)載時輸出10 mV10 mV左右的霍爾電壓。左右的霍爾電壓。差分

32、放大器差分放大器：將：將V VHH放大，以便驅(qū)動后一級整形電路。放大，以便驅(qū)動后一級整形電路。整形電路整形電路：施密特觸發(fā)器把放大器輸出整形為矩形脈沖。：施密特觸發(fā)器把放大器輸出整形為矩形脈沖。輸出管輸出管：由一個或兩個三極管組成，采用單管或雙管集電極開：由一個或兩個三極管組成，采用單管或雙管集電極開路輸出，集電極輸出的優(yōu)點(diǎn)是可以跟很多類型的電路直接連接路輸出，集電極輸出的優(yōu)點(diǎn)是可以跟很多類型的電路直接連接，使用方便。，使用方便。電源電路電源電路：包括穩(wěn)壓和恒流，用以改善集成磁敏傳感器的溫度：包括穩(wěn)壓和恒流，用以改善集成磁敏傳感器的溫度性能，提高集成磁敏傳感器工作電源電壓的適用范圍。性能，提高

33、集成磁敏傳感器工作電源電壓的適用范圍。2 2、工作原理、工作原理初始狀態(tài)：初始狀態(tài)： B = 0B = 0，霍爾元件輸出為：，霍爾元件輸出為：V VHH = V = VH1H1 - - V VH2H2 = 0 = 0。 BG BGl l和和BGBG2 2管導(dǎo)通，管導(dǎo)通， I Ic2c2I Ic1c1，輸出電壓，輸出電壓V Vb3b3V Vb4b4，BGBG3 3優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通。由于集電極電流并有如下的正反饋過程：由于集電極電流并有如下的正反饋過程： uIc3 Vb4Ic4Ve3Vb3Ib3 _|u正反饋正反饋BG3飽和導(dǎo)通、飽和導(dǎo)通、BG4截止截止Vc4 EBG5截止截止BG6、BG7、BG

34、8截止。截止。u輸出三極管輸出高電平，即輸出三極管輸出高電平，即Vc7=Vc8=V0H E。 u初始狀態(tài)下施密特觸發(fā)器初始狀態(tài)下施密特觸發(fā)器BG3和和BG4的發(fā)射極電位的發(fā)射極電位Ve3決定于決定于BG3的飽和電流的飽和電流Ices3和和BG3、BG4管共用射極電阻管共用射極電阻Re，即，即Ve3 = Ices3Re。第一次翻轉(zhuǎn)第一次翻轉(zhuǎn)B B 0 0，霍爾元件輸出為：，霍爾元件輸出為：V VHH = V = VH1H1 - V- VH2H2 0 0。（V Vb1b1 、 V Vb2b2 ）（ V Vb3b3 、V Vb4b4 ）。V Vb3b3V Ve3e3+0.6V+0.6V時，時，BGB

35、G3 3入放大狀態(tài)入放大狀態(tài)，并且：，并且：V Vb3b3I Ic3c3V Vb4b4I Ic4c4V Ve3e3 _|最終，導(dǎo)致最終，導(dǎo)致BG4飽和導(dǎo)通而飽和導(dǎo)通而BG3截止，截止，BG4的集電極處于低電位，即：的集電極處于低電位，即：V c4 = Ve4+Vces4式中：式中：Vces4為為BG4的飽和壓降。的飽和壓降。Ve4=Ices4Re ， Ices4 即即BG4飽和電流，飽和電流， Re即即BG3、BG4共用射極電阻。共用射極電阻。結(jié)果，電路輸出狀態(tài)由高電平結(jié)果，電路輸出狀態(tài)由高電平VOH翻轉(zhuǎn)為低電平：翻轉(zhuǎn)為低電平：Vc7=Vc8+VOL 0.4V。BG4飽和導(dǎo)通BG5導(dǎo)通BG6導(dǎo)

36、通BG7、BG8飽和。電路輸出狀態(tài)由高電平向低電平翻轉(zhuǎn)所需要的正向磁感應(yīng)強(qiáng)度電路輸出狀態(tài)由高電平向低電平翻轉(zhuǎn)所需要的正向磁感應(yīng)強(qiáng)度B稱為導(dǎo)通稱為導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度。記為磁感應(yīng)強(qiáng)度。記為B(HL)，相應(yīng)的，相應(yīng)的Vb3值記為值記為Vb3(H L)。 第二次翻轉(zhuǎn)第二次翻轉(zhuǎn) V Vb3b3V Ve4e4+0.6V+0.6V時時BGBG3 3由截止進(jìn)入放大由截止進(jìn)入放大狀態(tài)。且：狀態(tài)。且： Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3 結(jié)果，導(dǎo)致結(jié)果，導(dǎo)致BGBG3 3飽和導(dǎo)通、而飽和導(dǎo)通、而BGBG4 4截止。截止。 BGBG4 4集電極恢復(fù)初始狀態(tài)（高電位），集電極恢復(fù)初始狀態(tài)（高電位）， BGBG7 7和和BGB

37、G8 8截止截止，輸出管翻轉(zhuǎn)到高電，輸出管翻轉(zhuǎn)到高電V VOHOHBVHVc1（Vb3） / Vc2（Vb4）_|輸出管輸出電平由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度輸出管輸出電平由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度B稱為稱為截止截止磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度，記為，記為B(L H)，相應(yīng)的，相應(yīng)的Vb3值記為值記為Vb3(L H)。施密特觸發(fā)器存在滯后效應(yīng)，因此，施密特觸發(fā)器存在滯后效應(yīng)，因此，Vb3(HL) Vb3(LH)，其滯環(huán)寬度，其滯環(huán)寬度 Vb3為：為：Vb3=Vb3(LH) - Vb3(HL)=(Ve4 + 0.6V) - (Ve3 + 0.6V) =Ve4 - Ve3=(Ices4

38、 - Ices3)Re導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度和截止磁感應(yīng)強(qiáng)度之間也存在滯后效應(yīng)，其滯環(huán)寬度導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度和截止磁感應(yīng)強(qiáng)度之間也存在滯后效應(yīng)，其滯環(huán)寬度 B為：為： B = B(HL) - B(LH)二、開關(guān)型集成磁敏傳感器特性1、磁特性磁特性 導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度 B(HB(HL)L)是是指開關(guān)型集成磁敏傳感器輸出狀態(tài)指開關(guān)型集成磁敏傳感器輸出狀態(tài) 由高電平向低電平翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)由由高電平向低電平翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)由“關(guān)關(guān)”態(tài)到態(tài)到“開開“態(tài)動作所必須的作態(tài)動作所必須的作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度。一般用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度。一般B(HB(H L) L)值為值為0.035T0.035T0.075T0.07

39、5T。截止磁感應(yīng)強(qiáng)度截止磁感應(yīng)強(qiáng)度B(L H)是指開關(guān)型集成磁敏傳感器輸出狀態(tài)由是指開關(guān)型集成磁敏傳感器輸出狀態(tài)由低電平向高電平翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)由低電平向高電平翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)由“開開“態(tài)到態(tài)到“關(guān)關(guān)“態(tài)動作所必須的作用態(tài)動作所必須的作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在參數(shù)表給出的于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在參數(shù)表給出的B(L H)值一般指它的最值一般指它的最小值。小值。磁感應(yīng)強(qiáng)度滯環(huán)寬度磁感應(yīng)強(qiáng)度滯環(huán)寬度 B有時也稱為磁滯滯環(huán)或滯后寬度。這個參有時也稱為磁滯滯環(huán)或滯后寬度。這個參數(shù)指的是導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度與截止磁感應(yīng)強(qiáng)度的差值，即數(shù)指的是導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度與截止磁感應(yīng)強(qiáng)度的差值，即 B = B(HL) - B(L H)

40、。2 2、電特性、電特性 輸出高電平輸出高電平V VOHOH：輸出端開路時的電平就是電源電壓輸出端開路時的電平就是電源電壓E E，輸出端接負(fù)載電阻，輸出端接負(fù)載電阻 R RL L時，才有輸出信號。當(dāng)輸時，才有輸出信號。當(dāng)輸出管截止時，通過負(fù)載電阻出管截止時，通過負(fù)載電阻R RL L的只是它的漏電流的只是它的漏電流I IOHOH，輸出端高電平，輸出端高電平 V VOHOH為：為： 輸出低電平輸出低電平V VOLOL：在在B=7.5B=7.51010-2-2T T、負(fù)載電流、負(fù)載電流I IO O12mA12mA條件下測試；主要決定于輸出管的飽和壓降，條件下測試；主要決定于輸出管的飽和壓降，其規(guī)范值

41、為其規(guī)范值為 V VOLmaxOLmax0.4V0.4V。 負(fù)載電流負(fù)載電流I IOLOL：在滿足輸出低電平在滿足輸出低電平V VOLOL0.4V0.4V的條件下的條件下，輸出管的集電極電流，其規(guī)范值為，輸出管的集電極電流，其規(guī)范值為 I IOLOL=12mA=12mA。 CSCS型開關(guān)型集成磁敏傳感器的最大負(fù)載電流為型開關(guān)型集成磁敏傳感器的最大負(fù)載電流為20mA20mA。VOH = E - IOHRLE溫度特性溫度特性導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度 B(HB(HL)L)、截止磁感應(yīng)強(qiáng)度、截止磁感應(yīng)強(qiáng)度 B(LB(LH)H)和滯環(huán)寬和滯環(huán)寬度度 B B隨溫度而變化的特性。隨溫度而變化的特性。由左

42、圖可看出，導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度的溫度系數(shù)約為（由左圖可看出，導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度的溫度系數(shù)約為（1.521.52）1010-4-4T/T/O OC C，是正溫度系數(shù)。從，是正溫度系數(shù)。從B B（H LH L）與）與B B（L HL H）特）特性曲線的差值中算出滯環(huán)寬度的溫度系數(shù)約為性曲線的差值中算出滯環(huán)寬度的溫度系數(shù)約為-0.2 %-0.3 -0.2 %-0.3 %O OC C，是負(fù)溫度系數(shù)。，是負(fù)溫度系數(shù)。由右圖給出的由右圖給出的CSCS型開關(guān)型集成磁敏傳感器兩個磁特性參數(shù)隨電型開關(guān)型集成磁敏傳感器兩個磁特性參數(shù)隨電源電壓源電壓E E的變化曲線。從圖中可以看出，的變化曲線。從圖中可以看出， B B（H

43、LH L）與）與B B（L L H H）參數(shù)在）參數(shù)在 電源電壓電源電壓E 6V E 6V 時，隨電源電壓減小而增加，時，隨電源電壓減小而增加，但滯環(huán)寬度隨電源電壓減小而減?。辉陔娫措妷旱珳h(huán)寬度隨電源電壓減小而減??；在電源電壓E E 8V8V時，這時，這三個參數(shù)基本上變化不大。三個參數(shù)基本上變化不大。5、4 集成傳感器應(yīng)用實例一、液晶顯示與背光照明一、液晶顯示與背光照明按照顯示方式的不同，液晶顯示器可分為透射式、按照顯示方式的不同，液晶顯示器可分為透射式、反射式、投影式等。其中透射式在液晶顯示器的背反射式、投影式等。其中透射式在液晶顯示器的背面設(shè)置光源（熒光燈或電致發(fā)光板），這種顯示方面設(shè)置

44、光源（熒光燈或電致發(fā)光板），這種顯示方式的液晶顯示器可以在黑暗的環(huán)境下使用，不受環(huán)式的液晶顯示器可以在黑暗的環(huán)境下使用，不受環(huán)境限制。境限制。具體可分為液晶盒、均光系統(tǒng)、背光源、反射板等具體可分為液晶盒、均光系統(tǒng)、背光源、反射板等幾個不同的功能模塊。幾個不同的功能模塊。 1 1、液晶盒：由前后兩塊玻璃板（基板）以及板之間、液晶盒：由前后兩塊玻璃板（基板）以及板之間的液晶材料組成。基板材料可使用無堿玻璃、硼硅的液晶材料組成?；宀牧峡墒褂脽o堿玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、硅基板等，每塊基板的厚度一般玻璃、石英玻璃、硅基板等，每塊基板的厚度一般為為1.1mm1.1mm，此外，還有，此外，還有0.7mm

45、0.7mm、0.5mm0.5mm、0.4mm0.4mm等等尺寸的。基板之間的液晶層只有幾個微米（尺寸的。基板之間的液晶層只有幾個微米（mm）厚）厚。前后基板的內(nèi)側(cè)鍍以。前后基板的內(nèi)側(cè)鍍以ITOITO透明導(dǎo)電膜透明導(dǎo)電膜（白膜）電極、紅綠黃三色濾光片、薄膜晶體管（白膜）電極、紅綠黃三色濾光片、薄膜晶體管（TFTTFT）陣列、行列掃描線等，另外還有液晶分子?。╆嚵小⑿辛袙呙杈€等，另外還有液晶分子取向膜、墊片等。向膜、墊片等。 2 2）均光系統(tǒng)：均光系統(tǒng)由透明漫射片和光控膜（）均光系統(tǒng)：均光系統(tǒng)由透明漫射片和光控膜（LCFLCF）構(gòu)成。漫射片是一片塑料基片，基片上均勻）構(gòu)成。漫射片是一片塑料基片，基

46、片上均勻的沉積著直徑只有的沉積著直徑只有7 7 （mm）左右的聚酰亞胺微粒。）左右的聚酰亞胺微粒。兩張漫射片之間夾有一張光控膜以消除背光燈的斑兩張漫射片之間夾有一張光控膜以消除背光燈的斑點(diǎn)。點(diǎn)。 3 3）背光源：背光源通常是）背光源：背光源通常是UU形或形或WW形冷陰極熒光燈形冷陰極熒光燈（CCFLCCFL），目前少數(shù)液晶顯示器也采用平面發(fā)光燈），目前少數(shù)液晶顯示器也采用平面發(fā)光燈。用于。用于LCDLCD背光源的冷陰極熒光燈具有發(fā)光效率高背光源的冷陰極熒光燈具有發(fā)光效率高（80lm/W80lm/W）、壽命長（）、壽命長（2 2 10 104 4h h）、薄而輕（燈管）、薄而輕（燈管外徑可小到外

47、徑可小到1.8mm1.8mm）、色溫高（）、色溫高（8500K8500K）和抗震動）和抗震動抗沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)?？箾_擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)。液晶顯示器結(jié)構(gòu)液晶顯示器結(jié)構(gòu)背光照明背光照明 冷陰極熒光燈（冷陰極熒光燈（Cold Cathode Fluorescence Cold Cathode Fluorescence LampLamp）是最常見的液晶顯示器背光組件的光源。）是最常見的液晶顯示器背光組件的光源。 從光學(xué)角度看，冷陰極熒光燈的光譜特性與彩色從光學(xué)角度看，冷陰極熒光燈的光譜特性與彩色濾光片的光譜透過率幾乎完全一致，熒光燈的混合濾光片的光譜透過率幾乎完全一致，熒光燈的混合熒光粉發(fā)射的三色光峰值波

48、長與彩色濾光片的光譜熒光粉發(fā)射的三色光峰值波長與彩色濾光片的光譜透過率峰值幾乎重合，其色度分布為透過率峰值幾乎重合，其色度分布為CIECIE標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的B B光光源（源（R R、G G、B B波長分別為波長分別為700.00nm700.00nm、546.00nm546.00nm、435.80nm435.80nm，比例關(guān)系，比例關(guān)系0.30:0.59:0.110.30:0.59:0.11，色坐標(biāo)，色坐標(biāo)x=0.3485x=0.3485，y=0.3518y=0.3518，色溫為，色溫為4870K4870K），因此，十），因此，十分適合用作液晶顯示器的背光燈。分適合用作液晶顯示器的背光燈。 a a）

49、啟動電壓與溫度的關(guān)）啟動電壓與溫度的關(guān)系 b）發(fā)光亮度與溫度的關(guān)系 a a圖所示為燈管的啟動電壓圖所示為燈管的啟動電壓UUstartstart與溫度與溫度T T之間的關(guān)系，隨著燈管之間的關(guān)系，隨著燈管壁溫度的降低，燈管需要更高的啟動電壓才能點(diǎn)亮。而在同等壁溫度的降低，燈管需要更高的啟動電壓才能點(diǎn)亮。而在同等條件的電驅(qū)動下，燈管的發(fā)光亮度條件的電驅(qū)動下，燈管的發(fā)光亮度L L與溫度也有關(guān)系，如圖與溫度也有關(guān)系，如圖b b。CCFLCCFL存在一個最佳工作點(diǎn)存在一個最佳工作點(diǎn)T Toptopt，溫度大于或小于，溫度大于或小于T Toptopt，燈管的，燈管的發(fā)光亮度都會下降，尤其是溫度小于發(fā)光亮度都

50、會下降，尤其是溫度小于T Toptopt的情況下，連固定下的情況下，連固定下降很快，同時發(fā)光顏色趨于暖色，類似于降很快，同時發(fā)光顏色趨于暖色，類似于A A光源。當(dāng)溫度過低光源。當(dāng)溫度過低時，燈管不再發(fā)光。時，燈管不再發(fā)光。 為了改善為了改善CCFLCCFL的低溫特性，目前可行的方法有兩種：的低溫特性，目前可行的方法有兩種： 1 1）過功率方法）過功率方法 2 2）預(yù)熱法）預(yù)熱法 a a）CCFLCCFL端電壓端電壓V V與電流與電流I I關(guān)系關(guān)系 b b）發(fā)光亮度與電流）發(fā)光亮度與電流I I的關(guān)系的關(guān)系a a圖：曲線分啟動階段和工作階段，圖中用垂直虛線分開，虛線左邊圖：曲線分啟動階段和工作階段，圖中用垂直虛線分開，虛線左邊 為啟動階段，燈管啟動初期，電流極其微弱，隨著燈管兩端電為啟動階段，燈管啟動初期，電流極其微弱，隨著燈管兩端電 極之間電壓的增大，燈管內(nèi)的汞離子加速增加并定向運(yùn)動，燈極之間電壓的增大，燈管內(nèi)的汞離子加速增加并定向運(yùn)動，燈 管的電流逐步增大，當(dāng)電壓升至一定量時，燈管啟動。管的電流逐步增大，當(dāng)電壓升至一定量時，燈管啟動。b b圖：增大燈管的電流可以提高圖：增大燈管的電流可以提