集成傳感器(包括壓敏、磁敏、溫敏、光敏傳感器)

第五章集成傳感器

集成傳感器將敏感元件、信號調(diào)理電路（如放大器、濾波電路、整形電路、運算電路）、補償電路、控制電路（如地址選擇、移位寄存電路）或電源（如穩(wěn)壓源、恒流源）等制作在同一芯片上，使傳感器具有很高的性能。集成傳感器具有抗環(huán)境干擾和電源波動的能力強、體積小、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)點。5.1集成壓敏傳感器集成壓敏傳感器依照敏感元件的不同分為兩類：

1）硅電容式集成壓敏傳感器：敏感元件為電容式元件2）擴散硅集成壓敏傳感器：敏感元件為電阻式壓敏元件一、硅電容式集成傳感器

構(gòu)成：硅壓力敏感電容器、轉(zhuǎn)換電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信號經(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。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（如Al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。

2、硅敏感電容器原理S——兩平行極板所覆蓋的面積；d——兩平行極板之間的距離；——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；0

——真空介電常數(shù)（8.854×10-12F?m-1）r——介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)，r空氣≈1，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；補償電容：C0(溫度影響）圓形膜結(jié)構(gòu)：將敏感電容和參考電容分開，兩個電容的硅膜半徑均為a，電容極板的半徑均為b。環(huán)形膜結(jié)構(gòu)：將兩種電容器合二為一，它在半徑為a的硅膜上鍍制半徑為b1的圓形電極板，作為測量電容；在測量電容極板的外圍鍍制內(nèi)、外徑分別為b2和b3的同心圓環(huán)，作為參考電容。2、測量電路電容變化→電信號1）電容→電壓:采用交流電源激勵，并通過整流電路來檢出電容的變化，得到與電容有關(guān)的電壓信號，用電壓信號反映出外部壓力的變化。2）電容→頻率: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電壓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化。交流信號激勵Up通過耦合電容Cc為電路供電（方波、正弦波等）正半周:電荷從B→VD2→Cx充電；從A→VD3→C0充電;負半周:放電Cx→VD1→A;C0→VD4→B無外力作用，Cx=C0,電荷轉(zhuǎn)移量相等。有外力作用，Cx﹥C0，從B轉(zhuǎn)移A的電荷大于從A轉(zhuǎn)移B的電荷,導致A電位高于B電位，減少了從B轉(zhuǎn)移A的電荷，增加了從A轉(zhuǎn)移B的電荷，最終達到平衡。平衡后，A、B點電位差=Uo，Ua=0.5Uo;Ub=-0.5Uo.

△QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx△QAB=(Up+0.5U0-Ua)C0用由Rf、Cf構(gòu)成的低通濾波器濾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U0設(shè)C,D點寄生電容Cp

2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=--------------------------Cx+C0+2Cp在集成電路中Cp數(shù)值較小而穩(wěn)定，它對U0的影響小而且穩(wěn)定，即Cx可以做的較小而仍能獲得較大的信號和分辨率。此外通過選擇適當?shù)腃0使它與零壓力時Cx值相等，在初始狀態(tài)的輸出U0就等于零。

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要求。改進的方法是，把四個二極管換成為四個MOS晶體管，適當控制四個晶體管的導通和截止可以他們像二極管一樣起到整流作用。

3、CP8型集成壓敏傳感器輸出緩沖電路：兩級射極跟隨器進行阻抗變換。振蕩器：阻容式自激振蕩器，由于VT1和VT2各自處于直流電壓負反饋的工作狀態(tài)，由于C1和C2的耦合作用，電路產(chǎn)生自激振蕩?！魤毫γ舾性喊ǖ屯V波器。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一步的抑制作用。二、擴散硅壓敏傳感器特點：將補償電路與硅壓敏元件構(gòu)成的全橋電路集成在一起，集成之后的傳感器不僅體積小、成本低，更主要的是補償電路中起補償作用的元件與磁敏元件完全處于同一溫度中，因此能夠得到較好的溫度補償效果。敏感元件：壓敏電阻R1~R4。測量電路：壓敏電阻R1~R4構(gòu)成的電橋。設(shè)壓敏電阻的靈敏度為K，且R1=R3=R0+KPR0、R2=R4=R0-KPR0，則：V0=VBKP輔助電路：溫度補償電路，由電阻R5、R6和晶體管VT構(gòu)成的溫度補償網(wǎng)絡(luò)。若VT的基極電流比電阻R5、R6的電流小得多，晶體管的集電極-發(fā)射極電壓為：電橋的實際供電電壓VB為：電橋輸出電壓為：溫度補償：T↑→Vbe↓→Vce↓→VB↑，另一方面，T↑→V0↓。電橋輸出電壓的溫度系數(shù)為：

可見，通過適當選取R5、R6的比值,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)的設(shè)定可以補償電路的溫度誤差。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。其典型的工作溫度范圍是（-50~+150）℃，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，輸出阻抗低，易于同獨處或控制電路借口。

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。

頻率輸出型：除電流輸出型相似有點外，還便于與數(shù)字化器件如計算機相連接。一、PTAT核心電路1、PTAT基本電路

基本原理：BG1、BG2結(jié)構(gòu)和性能完全相同，在電阻R1上得到的兩晶體管BG1、BG2的基極-發(fā)射極電壓差為：式中：Jc1和Jc2分別是BG1和BG2管的集電極電流密度。由上式可知，只要設(shè)法保持兩管的集電極電流密度之比不變，那么電阻R1上的電壓Vbe

將正比于熱力學溫度T。設(shè)兩管增益極高，因此基極電流可以忽略，即集電極電流等于發(fā)射極電流，則：Vbe=R1Ic2由此可知電流Ic2、Ic1

和R2

上的電壓正比于絕對溫度。電路總電流(Ic1+Ic2)也正比于絕對溫度。這種電路稱為PTAT(ProportionalToAbsolute

Temperature)核心電路。2、溫度測量電路PTAT核心電路的關(guān)鍵在于兩管的集電極電流密度之比（Jc1/Jc2）不隨溫度變化，為此，供電電源采用電流鏡。電流鏡由結(jié)構(gòu)、特性和發(fā)射結(jié)偏壓完全相同的BG3、BG4組成，若兩只管子的輸出阻抗和電流增益均為無窮大，流過BG1和BG2的集電極電流在任何溫度下始終相等。實際制作時，有意將溫敏對管BG2、BG1的發(fā)射極面積制作成不相等的，其面積比為n，這樣的集電極電流密度比為面積的反比，這樣，在電阻R1上將得到兩管的基極-發(fā)射極電壓差為：

Vbe的溫度系數(shù)僅取決于n，而n與溫度無關(guān)。n是可以嚴格控制的，可以把BG2的發(fā)射極設(shè)計成條形，而BG1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數(shù)比。因此，電路輸出端的總電流I0為：電流輸出型溫度傳感器的輸出電流具有很寬的工作電壓范圍(4～30V)，電阻R1要選用高穩(wěn)定的金屬膜電阻，對其阻值進行嚴格控制，從而保證傳感器的精度。

電壓輸出型溫度傳感器中，BG5的發(fā)射結(jié)電壓與BG3、BG4相同，又具有相同的發(fā)射極面積。于是流過BG5和R2支路的電流與另兩支路電流相等，所以輸出電壓為：二、電流輸出型集成溫敏傳感器AD590概述在25℃(298.20K)時輸出電流：298.20A供電電壓：+4~30V測量范圍：-55～+150℃靈敏度：0.1A/℃封裝形式：TO-52、片狀

TO-52：三端封裝器件，直徑ф6.84mm、高3.81mm（不含引線），適合對流體（空氣、液體等）的“點”溫度測量。片狀封裝：厚1.27mm、寬2.36mm、長6.35mm（不含引線），適合于表面溫度測量。BG1、BG2為溫敏晶體管，兩者的發(fā)射結(jié)面積比為8:1。(BG3-BG4)、(BG5-BG6)構(gòu)成恒流源，為溫敏晶體管提供恒定的集電極電流，Ic1=Ic2。差分對管BG9、BG10作為(BG3-BG4)、(BG5-BG6)的負反饋器件，起到進一步消除由于制造工藝的不足造成BG1、BG2不對稱而對Vbe的影響。BG11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溫度變化而變化的特性。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。BG8在外加電源反極性接入時起到對電路的保護作用。理想溫度靈敏度為1A/℃。實際的溫度靈敏度與理論值有所偏離。誤差有兩種：斜率誤差和平移誤差。為了提高測溫準確度，需要進行校正。外接電源過小時，傳感器的溫度靈敏度隨外加電源電壓的上升而上升；當外加電源大于3V以上后，傳感器的溫度靈敏度隨外加電源電壓的變化而變化。因此，外加電源必須大于4V，否則，外部電源的波動將對電路的輸出產(chǎn)生影響。對于階躍溫度輸入，器件的輸出響應(yīng)為一階系統(tǒng)，時間常數(shù)隨熱交換條件而異，再熱交換條件好的情況下一般約2~3s就可達到穩(wěn)定誤差補償“一點校正法”：僅對某一溫度點（0℃或25℃）進行校正。如果AD590在校正點（如25℃）時輸出電流并非298.2A，那么，調(diào)節(jié)Rw使電路輸出電壓值VT為298.2mV即可。“兩點校正法”：電路中AD581是10V的基準電壓，先使AD590處在溫度為0℃的環(huán)境中，調(diào)節(jié)Rw1，使Ut=0V；再將AD590置于100℃的溫度環(huán)境中，調(diào)節(jié)Rw2，使Ut=10.00V。這時輸出電壓的溫度系數(shù)為l00mV/℃。集成溫度傳感器還有一種電壓輸出型器件，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Vbe之差Vbe引出。電路由溫敏晶體管、穩(wěn)壓電路和運算放大電路三部分構(gòu)成。例如PC616，器件的溫度系數(shù)為10mV/K，四端T0-5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?？偸切枰獪囟葌鞲衅鳌⑿盘柗糯箅娐?、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)一定的空間，同時由于電路的相對復雜性而增加了電路調(diào)試的工作量。為此，出現(xiàn)了將測溫—比較—控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)。AD22105由AnalogDevice公司開發(fā)，集溫度測控于一體。是一個單電源半導體固態(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)置點比較器和輸出級的功能組合。6腳外接一只預置電阻，可以在-40℃到+150℃的工作溫度范圍內(nèi)設(shè)置，在環(huán)境溫度超過所設(shè)置的溫度點時，電路通過一個集電極開路輸出端（2腳）輸出開關(guān)控制信號。溫度控制點設(shè)置的外接設(shè)置電阻接于6腳與接地引腳（3腳）之間，設(shè)置電阻Rset由以下公式?jīng)Q定：其中：RMAX：在TSET下溫控點電阻實際的值，

RNOM：最接近理論RSET的標稱值。

ε：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，使溫度控制有大約4℃的遲滯。芯內(nèi)置一個可選的200k上拉電阻，可直接驅(qū)動一個低功耗LED指示燈。外形結(jié)構(gòu)小(包括引腳1.75mm×5mm×6.2mm。)可于工業(yè)過程控制、熱控制系統(tǒng)、CPU監(jiān)控、計算機熱管理電路、風扇控制、手持/便攜電子設(shè)備等。溫控點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：RMAX=RNOM×(1+ε)×(1+Kt×(TSET

－25℃)) 5、3集成磁敏傳感器分類：按工作原理1)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理制成的結(jié)構(gòu)型傳感器。這種結(jié)構(gòu)型磁傳感器只能檢測到磁通或磁場的變化率，不能檢測磁通或磁強自身量，而且難以小型化。2）利用導體或半導體的磁電轉(zhuǎn)換特性，將磁場信息變換成相應(yīng)的電信息的物性型磁傳感器，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。

按輸出功能1）開關(guān)型2）線性型

按工作機構(gòu)和工藝1）雙極型2）MOS型一、開關(guān)型集成磁敏傳感器1、基本構(gòu)成霍爾元件：在0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出20mV左右的霍爾電壓，當有負載時輸出10mV左右的霍爾電壓。差分放大器：將VH放大，以便驅(qū)動后一級整形電路。整形電路：施密特觸發(fā)器把放大器輸出整形為矩形脈沖。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路輸出，集電極輸出的優(yōu)點是可以跟很多類型的電路直接連接，使用方便。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性能，提高集成磁敏傳感器工作電源電壓的適用范圍。2、工作原理初始狀態(tài)：

B=0，霍爾元件輸出為：VH=VH1-VH2=0。BGl和BG2管導通，Ic2＞Ic1，輸出電壓Vb3＞Vb4，BG3優(yōu)先導通。由于集電極電流并有如下的正反饋過程：

Ic3

Vb4Ic4Ve3Vb3Ib3___________________________|正反饋BG3飽和導通、BG4截止Vc4EBG5截止BG6、BG7、BG8截止。輸出三極管輸出高電平，即Vc7=Vc8=V0HE。初始狀態(tài)下施密特觸發(fā)器BG3和BG4的發(fā)射極電位Ve3決定于BG3的飽和電流Ices3和BG3、BG4管共用射極電阻Re，即Ve3=Ices3Re。

第一次翻轉(zhuǎn)B≠0，霍爾元件輸出為：VH=VH1-VH2

＞0。（Vb1

、Vb2

）（Vb3、Vb4）。Vb3＝Ve3+0.6V時，BG3入放大狀態(tài)，并且：Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3

____________________|最終，導致BG4飽和導通而BG3截止，BG4的集電極處于低電位，即：Vc4=Ve4+Vces4

式中：Vces4為BG4的飽和壓降。Ve4=Ices4Re

，Ices4

即BG4飽和電流，Re即BG3、BG4共用射極電阻。結(jié)果，電路輸出狀態(tài)由高電平VOH翻轉(zhuǎn)為低電平：Vc7=Vc8+VOL0.4V。BG4飽和導通BG5導通BG6導通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)強度B稱為導通磁感應(yīng)強度。記為B(HL)，相應(yīng)的Vb3值記為Vb3(HL)。

第二次翻轉(zhuǎn)

Vb3＝Ve4+0.6V時BG3由截止進入放大狀態(tài)。且：Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3結(jié)果，導致BG3飽和導通、而BG4截止。

BG4集電極恢復初始狀態(tài)（高電位），

BG7和BG8截止，輸出管翻轉(zhuǎn)到高電VOHBVHVc1（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)強度B稱為截止磁感應(yīng)強度，記為B(LH)，相應(yīng)的Vb3值記為Vb3(LH)。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Vb3為：

Vb3=Vb3(LH)-Vb3(HL)=(Ve4+0.6V)-(Ve3+0.6V)=Ve4-Ve3=(Ices4-Ices3)Re導通磁感應(yīng)強度和截止磁感應(yīng)強度之間也存在滯后效應(yīng)，其滯環(huán)寬度B為：B=B(HL)-B(LH)

二、開關(guān)型集成磁敏傳感器特性1、磁特性

導通磁感應(yīng)強度B(HL)是指開關(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“關(guān)”態(tài)到“開“態(tài)動作所必須的作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強度。一般B(HL)值為0.035T～0.075T。截止磁感應(yīng)強度B(LH)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“開“態(tài)到“關(guān)“態(tài)動作所必須的作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強度。在參數(shù)表給出的B(LH)值一般指它的最小值。磁感應(yīng)強度滯環(huán)寬度B有時也稱為磁滯滯環(huán)或滯后寬度。這個參數(shù)指的是導通磁感應(yīng)強度與截止磁感應(yīng)強度的差值，即B=B(HL)-B(LH)。2、電特性

輸出高電平VOH：輸出端開路時的電平就是電源電壓E，輸出端接負載電阻RL時，才有輸出信號。當輸出管截止時，通過負載電阻RL的只是它的漏電流IOH，輸出端高電平VOH為：

輸出低電平VOL：在B=7.5×10-2T、負載電流IO＝12mA條件下測試；主要決定于輸出管的飽和壓降，其規(guī)范值為VOLmax＝0.4V。

負載電流IOL：在滿足輸出低電平VOL＜0.4V的條件下，輸出管的集電極電流，其規(guī)范值為IOL=12mA。CS型開關(guān)型集成磁敏傳感器的最大負載電流為20mA。VOH=E-IOHRL≈E溫度特性導通磁感應(yīng)強度B(HL)、截止磁感應(yīng)強度B(LH)和滯環(huán)寬度B隨溫度而變化的特性。由左圖可看出，導通磁感應(yīng)強度的溫度系數(shù)約為（1.5~2）×10-4T/OC，是正溫度系數(shù)。從B（H→L）與B（L→H）特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%OC，是負溫度系數(shù)。由右圖給出的CS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E的變化曲線。從圖中可以看出，B（H→L）與B（L→H）參數(shù)在電源電壓E<6V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??；在電源電壓E＞8V時，這三個參數(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面設(shè)置光源（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)境限制。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。1、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?；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為1.1mm，此外，還有0.7mm、0.5mm、0.4mm等尺寸的。基板之間的液晶層只有幾個微米（μm）厚。前后基板的內(nèi)側(cè)鍍以ITO透明導電膜（白膜）電極、紅綠黃三色濾光片、薄膜晶體管（TFT）陣列、行列掃描線等，另外還有液晶分子取向膜、墊片等。2）均光系統(tǒng)：均光系統(tǒng)由透明漫射片和光控膜（LCF）構(gòu)成。漫射片是一片塑料基片，基片上均勻的沉積著直徑只有7（μm）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點。3）背光源：背光源通常是U形或W形冷陰極熒光燈（CCFL），目前少數(shù)液晶顯示器也采用平面發(fā)光燈。用于LCD背光源的冷陰極熒光燈具有發(fā)光效率高（80lm/W）、壽命長（2×104h）、薄而輕（燈管外徑可小到1.8mm）、色溫高（8500K）和抗震動抗沖擊能力強的特點。液晶顯示器結(jié)構(gòu)背光照明

冷陰極熒光燈（ColdCathodeFluorescenceLamp）是最常見的液晶顯示器背光組件的光源。

從光學角度看，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CIE標準的B光源（R、G、B波長分別為700.00nm、546.00nm、435.80nm，比例關(guān)系0.30:0.59:0.11，色坐標x=0.3485，y=0.3518，色溫為4870K），因此，十分適合用作液晶顯示器的背光燈。

a）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圖所示為燈管的啟動電壓Ustart與溫度T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亮。而在同等條件的電驅(qū)動下，燈管的發(fā)光亮度L與溫度也有關(guān)系，如圖b。CCFL存在一個最佳工作點Topt，溫度大于或小于Topt，燈管的發(fā)光亮度都會下降，尤其是溫度小于Topt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A光源。當溫度過低時，燈管不再發(fā)光。

為了改善CCFL的低溫特性，目前可行的方法有兩種：1）過功率方法2）預熱法

a）CCFL端電壓V與電流I關(guān)系b）發(fā)光亮度與電流I的關(guān)系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

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動，燈

管的電流逐步增大，當電壓升至一定量時，燈管啟動。b圖：增大燈管