第3章 不同集成度智能传感器系统举例课件

1、现代传感器技术现代传感器技术3.1 传感器集成化与智能化的概述传感器集成化与智能化的概述3.2 集成化智能传感器系统的初级形式举例集成化智能传感器系统的初级形式举例3.3 集成化智能传感器系统的中级形式举例集成化智能传感器系统的中级形式举例3.4 集成化智能传感器系统的高级形式举例集成化智能传感器系统的高级形式举例3.1.1 传感器的集成化传感器的集成化3.1.2 不同集成度智能传感器概述不同集成度智能传感器概述 ( (1) )把许多同样的单个传感器按一定规律阵列集把许多同样的单个传感器按一定规律阵列集成化成化, , 目的是为了对空间参数进行测量，如左图所目的是为了对空间参数进行测量，如左图所

2、示。例子：面阵示。例子：面阵CCD传感器，如右图所示。传感器，如右图所示。一、集成化的含义一、集成化的含义 ( (2) )传感器功能的集成化。传感器功能的集成化。 混合式集成压力传感如图所示。混合式集成压力传感如图所示。提高了传感器性能；提高了传感器性能；降低了成本；降低了成本；提高了可靠性；提高了可靠性；促使传感器多功能化，智能化。促使传感器多功能化，智能化。传感器传感器输入输入接口接口微处微处理器理器信信息息接接口口被被测测信信号号总总线线调理调理电路电路 集成传感器的基本框图如图所示。集成传感器的基本框图如图所示。 内部集成有温度补偿及校正电路、线性补偿电内部集成有温度补偿及校正电路、线

3、性补偿电路和信号调理电路，提高了经典传感器的精度和性路和信号调理电路，提高了经典传感器的精度和性能。缺少智能传感器的关键部件能。缺少智能传感器的关键部件微处理器，影微处理器，影响了其性能的进一步改善。响了其性能的进一步改善。 除了具有初级智能传感器的功能外，还具有自除了具有初级智能传感器的功能外，还具有自诊断、自校正、数据通讯接口等功能。诊断、自校正、数据通讯接口等功能。结构上通常结构上通常带有微处理器。该形式传感器系统功能大大增加，带有微处理器。该形式传感器系统功能大大增加，性能进一步提高，自适应性加强，事实上它本身已性能进一步提高，自适应性加强，事实上它本身已是一个基本完善的传感器系统，故

4、称之为智能传感是一个基本完善的传感器系统，故称之为智能传感器系统的中级形式或自立形式。器系统的中级形式或自立形式。二、智能传感器系统的中级形式二、智能传感器系统的中级形式( (自立形式自立形式) ) 除了具有中级智能传感器的功能外，还具有多维除了具有中级智能传感器的功能外，还具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习甚至思维能力等。该传感器系统可具备人类思维能力等。该传感器系统可具备人类“五官五官”的能的能力，能够从复杂的背景信息中提取有用信息，进行智力，能够从复杂的背景信息中提取有用信息，进行智能化处理，从而成为真正意义上的智能传感器。能

5、化处理，从而成为真正意义上的智能传感器。三、智能传感器的高级形式三、智能传感器的高级形式 3.2.1 单片集成式单片集成式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3.2 3.2 集成化智能传感器系统的初级形式举例集成化智能传感器系统的初级形式举例 1、结构、结构 硅盒式集成压力传感器剖面图如图所示。硅盒式集成压力传感器剖面图如图所示。一、具有一、具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器放大器的单片集成压阻式压力传感器 2、硅盒结构加工过程、硅盒结构加工过程 3、硅盒结构的特点、硅盒结构的特点 只需在硅芯片单面进行加工，其工艺与标准只需在硅芯片单面进行加工，其工艺与标准I

6、C工艺完全兼容，从而克服了传统硅杯型压力传感器工艺完全兼容，从而克服了传统硅杯型压力传感器在制作工艺上与在制作工艺上与IC工艺不兼容的缺点，使压敏元件工艺不兼容的缺点，使压敏元件与信号调整电路的单片集成成为现实。与信号调整电路的单片集成成为现实。 4、电路图、电路图 整个集成压力传感器芯片面积为整个集成压力传感器芯片面积为1.5 mm2。其电路。其电路如下图所示。如下图所示。 图中图中R1R4组成的压组成的压阻全桥构成了力敏传感单阻全桥构成了力敏传感单元，每臂电阻阻值约为元，每臂电阻阻值约为5 kW W，信号放大电路由三，信号放大电路由三个个CMOS运算放大器及电运算放大器及电阻网络组成。阻网

7、络组成。 A1、A2构成同相输入放大器，输入电阻很高，共模构成同相输入放大器，输入电阻很高，共模抑制比也很高。抑制比也很高。A3接成基本差动输入放大器形式，整个接成基本差动输入放大器形式，整个放大电路的差模放大倍数为放大电路的差模放大倍数为89W65d1RRRRRA 改变改变RW可以调整差模放大倍数可以调整差模放大倍数Ad。该电路要求。该电路要求A3的外接电阻严格匹配，即的外接电阻严格匹配，即R9R10、R7R8。因为。因为A3放放大的是大的是A1、A2输出之差，电路的失调电压主要是由输出之差，电路的失调电压主要是由A3引起的，故降低引起的，故降低A3的增益有益于减小输出温度漂移。的增益有益于

8、减小输出温度漂移。 89W65d1RRRRRA二、摩托罗拉单片集成压力传感器二、摩托罗拉单片集成压力传感器MPX3100 MPX3100是摩托罗拉公司是摩托罗拉公司X型压力传感器，其量型压力传感器，其量程为程为0100 kPa。按被测量可分为差压、表压和绝对。按被测量可分为差压、表压和绝对压力三种形式，它集应变仪、温度补偿、标准和信号压力三种形式，它集应变仪、温度补偿、标准和信号调理于同一芯片上，且利用了计算机控制的激光修正调理于同一芯片上，且利用了计算机控制的激光修正技术，因而具有精度高、补偿效果好、性能可靠、使技术，因而具有精度高、补偿效果好、性能可靠、使用比较方便等特点。用比较方便等特点

9、。 1、摩托罗拉硅压力传感器的特点、摩托罗拉硅压力传感器的特点 摩托罗拉的专利技术是采用单个摩托罗拉的专利技术是采用单个X型压敏电阻元型压敏电阻元件，而不是电桥结构。件，而不是电桥结构。 该该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜上，型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜上，并采用计算机控制的激光修正技术和温度补偿技术，使并采用计算机控制的激光修正技术和温度补偿技术，使得在非常宽的温度范围内压力传感器的精度都很高。得在非常宽的温度范围内压力传感器的精度都很高。 其模拟输出电压正比于输入压力值和电源偏置电其模拟输出电压正比于输入压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。压，具有

10、极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。2、敏感元件结构、敏感元件结构X型压力传感器芯片俯视图如图所示。型压力传感器芯片俯视图如图所示。1243VsUoUo 3、X型敏感元件工作原理型敏感元件工作原理MXP3100的敏感元件为单个的敏感元件为单个X型型的压敏电阻，共有四个引出头，的压敏电阻，共有四个引出头，即：电源、地、正输出及负输出，即：电源、地、正输出及负输出，其符号如图所示。其符号如图所示。 它的工作原理是，当受到压力时原子结构中的导它的工作原理是，当受到压力时原子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率发生变

11、化，从而使电阻率发生变化，和载流子的迁移率发生变化，从而使电阻率发生变化，这就是半导体材料的压阻效应。单片硅压敏电阻产生这就是半导体材料的压阻效应。单片硅压敏电阻产生随压力而变化的输出电压，从而使输出电压产生与所随压力而变化的输出电压，从而使输出电压产生与所加压力成正比的变化。加压力成正比的变化。 在数学上，压阻效应可以用一组电场分量在数学上，压阻效应可以用一组电场分量Ei和电流和电流密度分量密度分量ii及应力分量及应力分量ij的关系式来描述。在晶轴坐标的关系式来描述。在晶轴坐标系下，这种关系式具有简单的式，即系下，这种关系式具有简单的式，即)()(1 )()(1 )()(1 23213144

12、1122123311332331214433111222112213312244332212111111iiiEiiiEiiiE 对于对于P型硅，剪切压阻系数型硅，剪切压阻系数 44具有最大值。当具有最大值。当i1i30时，由时，由122441iE 得得)()(1 13312244332212111111iiiE122441iE 当有剪切应力作用时，将会产生一个垂直于电源电流当有剪切应力作用时，将会产生一个垂直于电源电流i2之之方向的电场变化，于是将产生输出电压。方向的电场变化，于是将产生输出电压。X型压力传感器的剖面图如图所示。型压力传感器的剖面图如图所示。 若用激光微加工方法在底层晶片上钻

13、一个小孔，若用激光微加工方法在底层晶片上钻一个小孔，作为压力到达空腔的通道，则构成差压或表压传感器；作为压力到达空腔的通道，则构成差压或表压传感器；如不在底层晶片上钻孔，腔内封闭的为基准真空，则如不在底层晶片上钻孔，腔内封闭的为基准真空，则构成绝对压力传感器。构成绝对压力传感器。 这种这种X型压敏电阻结构的压力传感器与通常的惠斯型压敏电阻结构的压力传感器与通常的惠斯登电桥结构压力传感器不同，它避免了惠斯登电桥的登电桥结构压力传感器不同，它避免了惠斯登电桥的四只电阻不匹配而产生的误差，且简化了进行校准和四只电阻不匹配而产生的误差，且简化了进行校准和温度补偿所需要的硬件线路。这是因为温度补偿所需要

14、的硬件线路。这是因为X型压敏元件失型压敏元件失调误差仅仅由横向电压抽头调误差仅仅由横向电压抽头( (2、4脚脚) )的对准度决定，的对准度决定，这很容易在一次光刻工序中得到控制。这很容易在一次光刻工序中得到控制。 MPX3100内部线路图如下图所示。内部线路图如下图所示。R13R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12RGRSVCCUoU2U1U4Vs-Vs+-OA4+-OA1-+OA2-+OA312U3RSVCC1342 4、温度补偿、温度补偿 1) )满量程温漂补偿满量程温漂补偿 X型压力传感器输出电压随温度升高型压力传感器输出电压随温度升高而降低，典型的温度系数为而降低，典型

15、的温度系数为0.19 %/ /。由于固定压力下传感器的输出与所加的电由于固定压力下传感器的输出与所加的电压成正比，所以补偿的方法是随温度升高压成正比，所以补偿的方法是随温度升高而加大激励电压，如而加大激励电压，如串联具有负温度系数串联具有负温度系数的电阻的电阻RS。另一方面，传感器本身的电阻另一方面，传感器本身的电阻具有正温度系数，也有一定的补偿作用。具有正温度系数，也有一定的补偿作用。 实际应用中有一种简单情况，即在室实际应用中有一种简单情况，即在室温下，温下，RS可可采用零温度系数的电阻，一般采用零温度系数的电阻，一般按下式计算按下式计算式中，式中，RS需要串联的需要串联的电阻；电阻； R

16、X25 时时X型型传感器的电阻。传感器的电阻。 设设25 时时X型型传感器电阻为传感器电阻为494 W W，则，则理想的满量程补偿电阻为理想的满量程补偿电阻为1 767 W W。实践证。实践证明，这种方法可得到明，这种方法可得到0.5 %补偿精度。补偿精度。577. 3XS RRRSVCC1324 2) )零位温漂补偿零位温漂补偿 在制造过程中，通过光刻工艺的控制，可使在制造过程中，通过光刻工艺的控制，可使X型型压力传感器的零位失调和漂移做得很小。通常在压力传感器的零位失调和漂移做得很小。通常在3 V激激励电压下，典型的零位失调电压为励电压下，典型的零位失调电压为020 mV，温度漂，温度漂移

17、为移为15 m mV/ / 。但在宽温度范围、精度要求较高的。但在宽温度范围、精度要求较高的情况下，必须考虑对零位失调温漂的补偿。前面电路情况下，必须考虑对零位失调温漂的补偿。前面电路中，用中，用OA1通过周围电阻网络可实现传感器的零位温通过周围电阻网络可实现传感器的零位温漂补偿，漂补偿，OA1的加入也提高了输入阻抗。的加入也提高了输入阻抗。R1R3R4R5RSU1U4OA1R2OA2U2U3+-+R6-+ OA1及其周围电路如图所及其周围电路如图所示。由于传感器的电阻具有示。由于传感器的电阻具有正温度系数，因此图中正温度系数，因此图中U3将将随温度上升而增加，随温度上升而增加，U1也随也随之

18、增大。由于传感器的零位之增大。由于传感器的零位温漂典型值为温漂典型值为15 m mV/ /，则需要计算选择则需要计算选择R3的阻值。的阻值。只要只要R3选择合适，通过选择合适，通过OA1和和OA2，U1随温度的漂移可在随温度的漂移可在OA2输出端被抵消。输出端被抵消。21215213RRRRRUUR R3的取值可按下式计算的取值可按下式计算式中，式中， U1开关断开时开关断开时最高温最高温 度下的度下的U1室温下的室温下的U1； U2开关断开时开关断开时最高温最高温 度下的度下的U2室温下的室温下的U2。R1R3R4R5RSU1U4OA1R2OA2U2U3+-+R6-+ 如果如果R18 kW

19、W，R21 kW W，R510 kW W， U1/ / U20.5，则由上式得，则由上式得 R34 112 W W( (取取4.2 kW W电阻电阻) )。这样，如。这样，如果知道了果知道了 U1/ / U2，可很快计算出应选择的，可很快计算出应选择的R3阻值。阻值。 3) )信号调理和校准电路信号调理和校准电路 MPX3100的零位输出典型的零位输出典型值为值为0.5 V，满量程输出电压典，满量程输出电压典型值为型值为2.5 V，故应将其零位失，故应将其零位失调电压定在调电压定在0.5 V，为此加入精，为此加入精密电压基准密电压基准OA3。R13R7R8R9R10R11R12RGVCCUo-

20、+OA3+-OA4R6U2-+OA2 OA3的电压基准由的电压基准由R7和和R8的分压来决定，此电压基准加的分压来决定，此电压基准加至至OA4的信号输入端，用于校的信号输入端，用于校准整个系统的零位失调电压至准整个系统的零位失调电压至0.5 V。R13R7R8R9R10R11R12RGVCCUo-+OA3+-OA4R6U2-+OA2R13R7R8R9R10R11R12RGVCCUo+-OA3+-OA4R6U2+-OA2 信号放大由信号放大由OA2和和OA4完完成。成。OA2将差分输入转换为单将差分输入转换为单端对地输出，并提高共模抑制端对地输出，并提高共模抑制比，也起阻抗转换作用。信号比，也起

21、阻抗转换作用。信号的放大主要由的放大主要由OA4完成。调整完成。调整经激光修正的电阻经激光修正的电阻RG，可将满，可将满量程输出校准到量程输出校准到2.5 V。 硅集成压力传感器目前主要有两种形式：扩散硅压硅集成压力传感器目前主要有两种形式：扩散硅压阻式和硅电容式。这两种形式的传感机理不同，相比之阻式和硅电容式。这两种形式的传感机理不同，相比之下，硅电容式的许多性能指标优于扩散硅压阻式。下，硅电容式的许多性能指标优于扩散硅压阻式。 在敏感膜片尺寸和测量范围类同的条件下，硅电在敏感膜片尺寸和测量范围类同的条件下，硅电容式灵敏度高过扩散硅压阻式容式灵敏度高过扩散硅压阻式10倍以上，而功耗却要低倍以

22、上，而功耗却要低两个数量级。两个数量级。三、带三、带C/ /U转换电路的硅电容单片集成压力传感器转换电路的硅电容单片集成压力传感器 因扩散硅压阻式的压阻系数随温度变化，而硅因扩散硅压阻式的压阻系数随温度变化，而硅电容式的传感机理则避开了压阻温度效应，故硅电容电容式的传感机理则避开了压阻温度效应，故硅电容式压力传感器随温度的变化要小得多。式压力传感器随温度的变化要小得多。 硅电容式传感器输出的重复性和长期稳定性也硅电容式传感器输出的重复性和长期稳定性也明显优于扩散硅压阻式传感器。明显优于扩散硅压阻式传感器。 硅电容式的缺点之一是输出特性的非线性。硅电容式的缺点之一是输出特性的非线性。 单片集成的

23、单片集成的CMOS电电容压力传感器电路框图容压力传感器电路框图如图所示。如图所示。信号调理信号调理C/ /U转换转换带隙电带隙电压基准压基准1、信号调理电路、信号调理电路传感器的开关传感器的开关电容调理电路如图所示。电容调理电路如图所示。)63(12)(S1S1R2b1bg432UCCUUCCUg 电路最后的输出电路最后的输出Uout与与U2相等，因为相等，因为U2与与Uo之间是之间是一个低通滤波器一个低通滤波器( (LPF) )，并未改变，并未改变U2的值。的值。推导得推导得 假设将传感电容和参考电容视为平板电容器，则假设将传感电容和参考电容视为平板电容器，则传感电容和参考电容分别为传感电容

24、和参考电容分别为 0R1R0S1S ,)(XACPXXAC式中，式中，AS为传感电容器极板面积；为传感电容器极板面积；AR为参考电容器极为参考电容器极板面积；板面积； 为介电常数；为介电常数；X0为传感电容器和参考电容器为传感电容器和参考电容器极板间距；极板间距；X( (P) )为传感电容器在压力作用下极板间距为传感电容器在压力作用下极板间距的减小量。的减小量。 )93()()(S02bg1bg43oUXPXUUCCU 在没有压力时比值在没有压力时比值AR/ /AS被设计为被设计为1/ /2，则比值，则比值CR1/ /CS1也为也为1/ /2， 可得可得 带隙电压基准电路如图所示，图中的电阻链

25、可实现带隙电压基准电路如图所示，图中的电阻链可实现温度补偿和校正。通过选择三温度补偿和校正。通过选择三八译码器的控制端，可八译码器的控制端，可使其温度系数与灵敏度的温度系数等值反号。使其温度系数与灵敏度的温度系数等值反号。 2、传感器结构设计、传感器结构设计 传感器的剖面结构简图如图所示，它的敏感元件是传感器的剖面结构简图如图所示，它的敏感元件是经微加工而成的方型膜片，膜片为带有一个中凸硬台的经微加工而成的方型膜片，膜片为带有一个中凸硬台的单岛型。膜片上下为两片硼酸玻璃，通过阳极键合工艺单岛型。膜片上下为两片硼酸玻璃，通过阳极键合工艺将膜片与硼酸玻璃键合为一体。将膜片与硼酸玻璃键合为一体。 两

26、个传感电容器位于硅膜片的上方，而参考电容器两个传感电容器位于硅膜片的上方，而参考电容器则位于压力敏感区之外，不感受压力。通过将传感电容则位于压力敏感区之外，不感受压力。通过将传感电容和参考电容各分为两部分，由金属化的玻璃表面进行连和参考电容各分为两部分，由金属化的玻璃表面进行连接，从而避免了在玻璃罩上连接电极。接，从而避免了在玻璃罩上连接电极。 整个集成芯片除上述的传感单元及电路外，还包括整个集成芯片除上述的传感单元及电路外，还包括一个时钟发生器和一个位于信号输出端的三阶低通滤波一个时钟发生器和一个位于信号输出端的三阶低通滤波器，整个芯片尺寸为器，整个芯片尺寸为8.46.2 mm。 四、具有频

27、率或数字输出的单片集成传感器四、具有频率或数字输出的单片集成传感器 目前，集成传感器产生频率或数字输出的方法如目前，集成传感器产生频率或数字输出的方法如下下 硅微结构谐振式；硅微结构谐振式； 声表面波式声表面波式( (SAW) )； 电子振荡式；电子振荡式； 触发器式。触发器式。 1、硅微结构谐振式、硅微结构谐振式 将硅微机械加工技术和谐振传感器技术结合可制将硅微机械加工技术和谐振传感器技术结合可制作多种硅微结构谐振式传感器，其特点如下作多种硅微结构谐振式传感器，其特点如下 微型化；微型化； 功耗低；功耗低； 响应快；响应快； 易集成化。易集成化。 激励方式有热激励、光激励、电磁激励等。激励方

28、式有热激励、光激励、电磁激励等。 1) )电阻热激励电阻热激励 ( (1) )原理原理 方形硅膜片如图所示。方形硅膜片如图所示。 硅膜片上扩散电阻的位置如图所示。硅膜片上扩散电阻的位置如图所示。R为热激励为热激励电阻，电阻，R1R4以惠斯登电桥形式构成检测源。以惠斯登电桥形式构成检测源。R2RR1R4R3U1234tuuucosacdc产生热量产生热量RtutuuuuRutPc2cos5 . 0cos25 . 0)(2acacd2ac2dc2 在热激励电阻上加载电压在热激励电阻上加载电压RuuP2ac2dcS5 . 0恒定分量恒定分量将使膜片产生恒定的温度差分布场将使膜片产生恒定的温度差分布场

29、 Tav，这时膜片的，这时膜片的正应变与应力的关系为正应变与应力的关系为av122av211)(1)(1TETEmmav1222av21211)(11)(1TEETEEmmmmmm式中，式中， 1、 2为正应变；为正应变； 1、 为正应力；为正应力；E、m m分别为分别为材料的弹性模量和泊松比，材料的弹性模量和泊松比， 为线膨胀系数为线膨胀系数。 上式表明：上式表明： Tav将引起初始应力将引起初始应力 10和和 20( (因它们与因它们与振动位移无关振动位移无关) )，且，且 即即av20101TEm 在膜片上加上均匀压力后，它将影响膜片谐振子的在膜片上加上均匀压力后，它将影响膜片谐振子的谐

30、振频率，使谐振频率有确定的变化。这个影响是确定谐振频率，使谐振频率有确定的变化。这个影响是确定的，取决于的，取决于R在膜片上的位置、恒定分量在膜片上的位置、恒定分量PS的大小、膜的大小、膜片自身的热惯性及边界结构等。片自身的热惯性及边界结构等。RtuutPcos2)(acdc1d基频分量基频分量使膜片产生一个交变的温度应力，当其频率使膜片产生一个交变的温度应力，当其频率 和膜片的和膜片的自激频率一致时，膜片将发生谐振。通过自激频率一致时，膜片将发生谐振。通过R1R4组成组成的电桥检测到含的电桥检测到含cos t的输出信号，经处理、放大，在的输出信号，经处理、放大，在满足一定幅值、相位条件下，将

31、它反馈到满足一定幅值、相位条件下，将它反馈到R上，便可以上，便可以构成微结构谐振式传感器的闭环自激系统，由它实现构成微结构谐振式传感器的闭环自激系统，由它实现“电电热热机机”的转换。的转换。RtutP2cos5 . 0)(2ac2d二倍频分量二倍频分量是热激励特有的干扰信号，可适当选择交直流分量，使是热激励特有的干扰信号，可适当选择交直流分量，使udc uac。RtutuuuuRutPc2cos5 . 0cos25 . 0)(2acacd2ac2dc2 由由R1R4及及R构成的自激闭环系统如图所示。构成的自激闭环系统如图所示。谐振子谐振子拾振拾振激振激振差分放大器差分放大器带通滤波器带通滤波器

32、移相器移相器电桥检测电路如图所示。电桥检测电路如图所示。032414231)(uRRRRRRRRu式中，式中，u0为电桥的恒压源电压。由上式可知，为获得为电桥的恒压源电压。由上式可知，为获得理想输出，应使理想输出，应使R1、R3对膜片振动的敏感程度一致，对膜片振动的敏感程度一致，R2、R4对膜片振动的敏感程度一致，同时对膜片振动的敏感程度一致，同时R1、R3的敏的敏感程度应与感程度应与R2、R4的敏感程度有显著的差异。为此，的敏感程度有显著的差异。为此，根据热激励电阻的位置及膜片的振动特性，可将根据热激励电阻的位置及膜片的振动特性，可将R1R4按下图所示位置设置。按下图所示位置设置。 其输出为

33、其输出为R2RR1R4R3U1234)cos(1 )cos(1 20421031tRRRtRRR 可以假定可以假定4个电阻的初值个电阻的初值R10 = R20 = R30 = R40 = R0。由压阻特性，当膜片振动时由压阻特性，当膜片振动时 032414231)(uRRRRRRRRu代入代入)193()cos(2)cos()cos()(202102121tututu u正比于电桥直流电压正比于电桥直流电压u0，u0也产生热量，将引起膜片也产生热量，将引起膜片的恒定温度差分布场，前面给出的判据没有考虑电桥所的恒定温度差分布场，前面给出的判据没有考虑电桥所加电压加电压u0，在实际中应综合考虑。，

34、在实际中应综合考虑。得得 2) )光激励光激励 ( (1) )光激励的优点。此类传感器通常采用光纤作为光激励的优点。此类传感器通常采用光纤作为激励光和检测光信号的传光光路，因此实际上也是一种激励光和检测光信号的传光光路，因此实际上也是一种光纤传感器，它也具有抗电磁干扰、防爆、便于遥测遥光纤传感器，它也具有抗电磁干扰、防爆、便于遥测遥控等光纤传感器固有的优点。控等光纤传感器固有的优点。 带尾纤的全光型微机械谐振式传感器如下图所示。带尾纤的全光型微机械谐振式传感器如下图所示。 它采用的是悬臂梁结构形式。悬臂梁尺寸约为：长它采用的是悬臂梁结构形式。悬臂梁尺寸约为：长2500 m mm，宽，宽20 m

35、 mm。在悬臂梁上制作了脊型波导，波导。在悬臂梁上制作了脊型波导，波导在悬臂梁的悬空端中断，中断间距为在悬臂梁的悬空端中断，中断间距为3040 m mm。 悬臂梁的两端各有一条悬臂梁的两端各有一条V型槽，输入、输出光纤型槽，输入、输出光纤就埋在就埋在V型槽中，光纤的中心正对着脊型波导的端面，型槽中，光纤的中心正对着脊型波导的端面，激励光纤由带孔的静电封接玻璃固定在脊型波导的上激励光纤由带孔的静电封接玻璃固定在脊型波导的上方。方。 当激励光信号为零时，悬臂梁处于平衡位置，输当激励光信号为零时，悬臂梁处于平衡位置，输入、输出波导在同一水平面上，由输入端进入光波导入、输出波导在同一水平面上，由输入端

36、进入光波导的检测光束可以在输出端由光探测器接收，此时探测的检测光束可以在输出端由光探测器接收，此时探测到的光信号应为最大，且为恒值。当加上光激励信号，到的光信号应为最大，且为恒值。当加上光激励信号，且激励信号频率且激励信号频率 与悬臂梁的谐振频率相等时，悬臂与悬臂梁的谐振频率相等时，悬臂梁会出现谐振现象，在输出端由光探测器检测到的光梁会出现谐振现象，在输出端由光探测器检测到的光信号是频率为信号是频率为 的交变信号，将此输出信号经过放大、的交变信号，将此输出信号经过放大、移相等处理正反馈到光激励信号上，可维持悬臂梁的移相等处理正反馈到光激励信号上，可维持悬臂梁的闭环自激谐振。闭环自激谐振。 (

37、(2) )光激励微机械结构谐振子的基本形式。谐振子光激励微机械结构谐振子的基本形式。谐振子的基本形式有：的基本形式有：悬臂式，如左图所示；悬臂式，如左图所示；桥式，如桥式，如右图所示；右图所示；薄膜式薄膜式( (圆膜、方膜等圆膜、方膜等) )。 ( (3) )光激励方式光激励方式 调制光激励。这种形式是将激励光的强度用调制光激励。这种形式是将激励光的强度用正弦信号或方波信号进行调制，当激励光调制在硅正弦信号或方波信号进行调制，当激励光调制在硅谐振子谐振频率上时，硅谐振子将发生谐振，输出谐振子谐振频率上时，硅谐振子将发生谐振，输出频率信号。从目前报道的文献看，这是一种采用最频率信号。从目前报道的

38、文献看，这是一种采用最多的光激励方法。多的光激励方法。 光脉冲激励。这种形式是采用一定强度的光脉光脉冲激励。这种形式是采用一定强度的光脉冲对硅谐振子进行激励。由于光脉冲的频谱覆盖了谐冲对硅谐振子进行激励。由于光脉冲的频谱覆盖了谐振子的频率范围，故一定强度的光脉冲也能使硅谐振振子的频率范围，故一定强度的光脉冲也能使硅谐振子发生谐振。这种激励方式由于不需要对激励光进行子发生谐振。这种激励方式由于不需要对激励光进行调制，从而简化了传感器系统的设计。调制，从而简化了传感器系统的设计。 噪声调制光激励。这种形式是将激励光由一定带噪声调制光激励。这种形式是将激励光由一定带宽的噪声源调制后对硅谐振子进行激励

39、。由于硅谐振子宽的噪声源调制后对硅谐振子进行激励。由于硅谐振子的谐振频率包含在噪声源的频带中，因此经噪声源调制的谐振频率包含在噪声源的频带中，因此经噪声源调制的激励光同样可使硅谐振子发生谐振。这种噪声光激励的激励光同样可使硅谐振子发生谐振。这种噪声光激励方法尤其适用于对多谐振传感器网络的激励，不必再为方法尤其适用于对多谐振传感器网络的激励，不必再为每一谐振传感器单独提供一个激励光源，从而大大简化每一谐振传感器单独提供一个激励光源，从而大大简化了系统的设计。了系统的设计。 自谐振激励。自谐振激励是一种最有实用前景的自谐振激励。自谐振激励是一种最有实用前景的激励方式，它采用非调制的单色光源对硅谐振

40、子进行激激励方式，它采用非调制的单色光源对硅谐振子进行激励，使硅谐振子发生谐振。励，使硅谐振子发生谐振。 ( (4) )光信号检测方法光信号检测方法 硅微机械谐振子的光信号检测方法分为如下两种硅微机械谐振子的光信号检测方法分为如下两种 光强度调制检测方法；光强度调制检测方法； 光干涉调制检测方法。光干涉调制检测方法。这两种方法与经典的光纤传感器的光信号检测方这两种方法与经典的光纤传感器的光信号检测方法基本相同。光强度调制检测方法与光干涉调制方法法基本相同。光强度调制检测方法与光干涉调制方法相比，后者具有更高的精度和灵敏度。由于硅微机械相比，后者具有更高的精度和灵敏度。由于硅微机械谐振子的振幅一

41、般为几十到几百谐振子的振幅一般为几十到几百nm，因此使用更多，因此使用更多的是后者。但当硅微谐振子的谐振振幅比较大时，可的是后者。但当硅微谐振子的谐振振幅比较大时，可优先考虑采用前者以简化系统结构并提高可靠性。优先考虑采用前者以简化系统结构并提高可靠性。 ( (5) )起振机理起振机理 一般认为主要是光与硅晶体之间相互作用的光压、一般认为主要是光与硅晶体之间相互作用的光压、光热效应和光生电致张力效应的结果。光热效应和光生电致张力效应的结果。 3) )电磁激励电磁激励 如图所示为日本横河电机株式会社研制的一种硅如图所示为日本横河电机株式会社研制的一种硅微结构谐振式压力传感器。微结构谐振式压力传感

42、器。 其核心部分由感受压力的硅膜片其核心部分由感受压力的硅膜片( (44 mm) )和在和在硅膜表面上制作的两个硅膜表面上制作的两个H型两端固定的硅谐振梁型两端固定的硅谐振梁( (1200 125 m mm) )构成，其中一个硅梁制作在硅膜片中央，构成，其中一个硅梁制作在硅膜片中央， 另一个则制作在硅膜边缘部位，如图所示。另一个则制作在硅膜边缘部位，如图所示。 两个硅梁被封闭在真空腔内，振动时不受空气阻两个硅梁被封闭在真空腔内，振动时不受空气阻尼的影响，尼的影响， Q值高，又不与被测介质接触。值高，又不与被测介质接触。 压力传感器结构如图所示。压力传感器结构如图所示。 电磁激励方式如图所示。永

43、久磁铁提供磁场，通过电磁激励方式如图所示。永久磁铁提供磁场，通过激励线圈激励线圈A的交变电流激发硅梁发生谐振，并由拾振线圈的交变电流激发硅梁发生谐振，并由拾振线圈B感应硅梁的谐振，感应信号送入自动增益放大器，一方感应硅梁的谐振，感应信号送入自动增益放大器，一方面输出频率，另一方面将交变电流信号反馈给激励线圈面输出频率，另一方面将交变电流信号反馈给激励线圈A，形成一个闭环的正反馈自激系统。形成一个闭环的正反馈自激系统。 当被测压力通入硅膜片内腔时，膜片产生形变。当被测压力通入硅膜片内腔时，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，边缘中心处和边缘处的应力方向相反，中心处受拉，边缘处

44、受压，使两个硅谐振梁感受不同的应力作用，导致处受压，使两个硅谐振梁感受不同的应力作用，导致中心处硅谐振梁的频率增加，边缘处的频率则下降。中心处硅谐振梁的频率增加，边缘处的频率则下降。 谐振频率的变化受被测压力调制，两个硅谐振谐振频率的变化受被测压力调制，两个硅谐振梁的频率差即对应不同的压力值，如图所示。梁的频率差即对应不同的压力值，如图所示。图中图中虚线与对应实线所对应的温差为虚线与对应实线所对应的温差为 t ，最高精度可，最高精度可达达0.01 %FS。 用测量频率差的方法检测相应压力，其优点是可用测量频率差的方法检测相应压力，其优点是可以抑制环境温度等外界因素造成的误差以抑制环境温度等外界

45、因素造成的误差( (相加误差相加误差) )。理想情况下，当环境温度变化时，两个谐振梁的频率理想情况下，当环境温度变化时，两个谐振梁的频率和幅值的变化应是相同的，所以计量频率差时该变化和幅值的变化应是相同的，所以计量频率差时该变化量相互抵消。量相互抵消。 谐振式传感器还可以用来测量许多其他物理量。例谐振式传感器还可以用来测量许多其他物理量。例如，如，微悬臂梁谐振式温度传感器。环境温度变化时，悬微悬臂梁谐振式温度传感器。环境温度变化时，悬臂梁谐振器材料的杨氏模量和密度、梁的长度和厚度等臂梁谐振器材料的杨氏模量和密度、梁的长度和厚度等发生变化，因而谐振频率变化。对于发生变化，因而谐振频率变化。对于3

46、00507 m mm的的硅硅/ /二氧化硅双层微悬臂梁谐振器，其谐振频率的温度二氧化硅双层微悬臂梁谐振器，其谐振频率的温度灵敏度为灵敏度为1.5 Hz/ /。2、声表面波、声表面波( (SAW) )式式声表面波传感器具有下述特点声表面波传感器具有下述特点( (1) )精度高、灵敏度高；精度高、灵敏度高；( (2) )与微处理器相连的接口简单；与微处理器相连的接口简单；( (3) )便于大批量生产；便于大批量生产；( (4) )体积小、重量轻、功耗低；体积小、重量轻、功耗低；( (5) )结构工艺性好。结构工艺性好。 声表面波声表面波( (SAW) )谐振传感器不是基于弹性谐振谐振传感器不是基于

47、弹性谐振元件的固有频率，而是基于超声表面波振荡器的频率元件的固有频率，而是基于超声表面波振荡器的频率随着被测物理量的变化而改变实现对被测量检测的。随着被测物理量的变化而改变实现对被测量检测的。 例如声表面波力传感器，当基片受到外力作用时，例如声表面波力传感器，当基片受到外力作用时，外力在声表面波传播方向上产生应变，引起基片长度外力在声表面波传播方向上产生应变，引起基片长度变化，由此引起声表面波传播速度发生变化，使得声变化，由此引起声表面波传播速度发生变化，使得声表面波振荡器的频率随着所加外力而改变。适当地设表面波振荡器的频率随着所加外力而改变。适当地设计声表面波振荡器，使其对被测力的微扰敏感，

48、通过计声表面波振荡器，使其对被测力的微扰敏感，通过对频率的测量，即可实现对被测力的测量。对频率的测量，即可实现对被测力的测量。 声表面波声表面波( (SAW) )传感器的核心部分是声表面波传感器的核心部分是声表面波振荡器，它由声表面波谐振器振荡器，它由声表面波谐振器( (SAWR) )、放大器及匹、放大器及匹配网络组成。配网络组成。而在甚高频和超高频段能实现高而在甚高频和超高频段能实现高Q值的值的唯一器件就是唯一器件就是SAWR。SAWR由由叉指换能器叉指换能器( (IDT) )及及金属栅条反射器组成，如图所示。金属栅条反射器组成，如图所示。 IDT的的基本结构形式如图所示，基本结构形式如图所

49、示，由若干淀积在压由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成。它的形状如同交叉电衬底材料上的金属膜电极组成。它的形状如同交叉平放的两排手指，故称为叉指电极。平放的两排手指，故称为叉指电极。 电极宽度电极宽度a和间距和间距b皆相等的皆相等的IDT称均匀称均匀IDT( (或非或非色散色散IDT) )，叉指周期，叉指周期T2a2b。两相邻电极构成一。两相邻电极构成一电极对，其相互重叠的长度为有效指长，也称为换能电极对，其相互重叠的长度为有效指长，也称为换能器的孔径，记为器的孔径，记为W。若换能器的各电极对重叠长度相。若换能器的各电极对重叠长度相等，则称等孔径等，则称等孔径( (等指长等指长) )换能

50、器。换能器。 IDT是利用压电材料的逆压电与正压电效应来激是利用压电材料的逆压电与正压电效应来激励或接收励或接收SAW的，它既可用作发射换能器，用来激励的，它既可用作发射换能器，用来激励SAW，又可用作接收换能器，用来接收，又可用作接收换能器，用来接收SAW。 工作原理如图所示。工作原理如图所示。当发射器的两电极上加有当发射器的两电极上加有交变电压时，因逆压电效交变电压时，因逆压电效应产生相同频率的声表面应产生相同频率的声表面波，沿压电基片的表面传波，沿压电基片的表面传播，直至接收器，并因正播，直至接收器，并因正压电效应而转换为相同频压电效应而转换为相同频率的电信号。率的电信号。 由由SAWR

51、、放大器及移相器组成的振荡器结构原、放大器及移相器组成的振荡器结构原理如图所示。理如图所示。SAWR输出的信号经放大、移相，输出的信号经放大、移相，在满在满足一定的放大增益及相位条件下，正反馈到足一定的放大增益及相位条件下，正反馈到SAWR的的输入端，可使振荡器起振，起振后的振荡频率会随温输入端，可使振荡器起振，起振后的振荡频率会随温度、压电基底材料的变形等因素而变化。度、压电基底材料的变形等因素而变化。 如图所示为测量压力的如图所示为测量压力的SAW传感器。传感器。 其基底采用一圆形石英薄膜片，并在其上制备两其基底采用一圆形石英薄膜片，并在其上制备两个完全相同的声表面波谐振器，以便进行有效的

52、温度个完全相同的声表面波谐振器，以便进行有效的温度补偿，并提高传感器的抗干扰能力。两个声表面波谐补偿，并提高传感器的抗干扰能力。两个声表面波谐振器分别连接到放大器的反馈回路中，构成具有一定振器分别连接到放大器的反馈回路中，构成具有一定输出频率的振荡器。两路输出的频率经混频、低通滤输出频率的振荡器。两路输出的频率经混频、低通滤波和放大，得到一个与外加压力有确定对应关系的差波和放大，得到一个与外加压力有确定对应关系的差频信号输出。频信号输出。 该结构采用了差动结构进行温度补偿。由于敏感该结构采用了差动结构进行温度补偿。由于敏感膜片上的两个谐振器相距很近，环境温度变化对两个膜片上的两个谐振器相距很近

53、，环境温度变化对两个振荡器的影响所引起的频率偏移近似相等，经混频器振荡器的影响所引起的频率偏移近似相等，经混频器以后，可以减小温度变化引起的误差。以后，可以减小温度变化引起的误差。但是，被测量但是，被测量对两个谐振器谐振频率的影响是不同的。对两个谐振器谐振频率的影响是不同的。起振条件起振条件2)(ERSAnfLG式中，式中，GA放大器增益；放大器增益； LS( ( f ) )谐振器的插入损耗；谐振器的插入损耗； R谐振器的相移；谐振器的相移； E放大器的相移；放大器的相移； n正整数。正整数。谐振频率谐振频率/Ef式中，式中， 声波在压电基底表面内的传播速度；声波在压电基底表面内的传播速度；

54、E材料的弹性模量；材料的弹性模量； 材料的密度；材料的密度； 声波的波长。声波的波长。 被测压力不仅能够使叉指电极的中心距发生变被测压力不仅能够使叉指电极的中心距发生变化化( (导致导致 变化变化) )，还能够使，还能够使E和和 发生变化。发生变化。 3、电容控制的方波振荡器式、电容控制的方波振荡器式 如图所示为一个电容控制的方波振荡器式压力传如图所示为一个电容控制的方波振荡器式压力传感器。它包括两个电流源、一个切换开关、压力传感感器。它包括两个电流源、一个切换开关、压力传感器器Cx和一个斯密特触发器。和一个斯密特触发器。 其工作过程为：首先切换开关闭合在其工作过程为：首先切换开关闭合在1点，

55、对点，对CX充充电。当电。当UC达到施密特触发器的上限阈值时，触发器翻达到施密特触发器的上限阈值时，触发器翻转，切换开关也跟着闭合到转，切换开关也跟着闭合到2点，对点，对CX放电。当放电。当UC降降至下限阈值时，触发器再次翻转，重复以上过程。至下限阈值时，触发器再次翻转，重复以上过程。波形图如图所示。方波频率为波形图如图所示。方波频率为HX0X2UCIf式中，式中，UH为施密特触发器的上为施密特触发器的上、下、下阈值之差。阈值之差。 为解决各种干扰因素如温度漂移、时间漂移、各为解决各种干扰因素如温度漂移、时间漂移、各种杂散电容等的影响，引进参考电容种杂散电容等的影响，引进参考电容Cr，如图所示

56、。，如图所示。Cr同样感受各种干扰因素的影响，但不受被测量的影同样感受各种干扰因素的影响，但不受被测量的影响。测量输出频率响。测量输出频率fX与与fr之差可以消除干扰的影响。之差可以消除干扰的影响。 4、环形振荡器式压力传感器、环形振荡器式压力传感器环形振荡器最基本的形式是由奇数个首尾相连成环形振荡器最基本的形式是由奇数个首尾相连成闭环的反相器组成，如图所示。输出频率与每个门的闭环的反相器组成，如图所示。输出频率与每个门的平均延迟时间及门的数目成反比。平均延迟时间及门的数目成反比。 环形振荡器式压力传感器的工作机理：将环形振荡环形振荡器式压力传感器的工作机理：将环形振荡器集成在硅膜片上，当待测

57、压力作用在膜片上时，膜片器集成在硅膜片上，当待测压力作用在膜片上时，膜片内产生机械应力，由于应力的压阻效应，环形振荡器中内产生机械应力，由于应力的压阻效应，环形振荡器中场效应管的载流子迁移率发生变化，从而使它的漏极电场效应管的载流子迁移率发生变化，从而使它的漏极电流改变，导致环形振荡器的反相门延迟时间发生变化，流改变，导致环形振荡器的反相门延迟时间发生变化，最终使输出频率为待测压力的函数。最终使输出频率为待测压力的函数。 1) )环形振荡器环形振荡器由由7个双输入的或非门组成。个双输入的或非门组成。在在273 K的温度及的温度及5 V供电电压下，频率范围供电电压下，频率范围2030 MHz。

58、2) )硅膜片硅膜片 硅压力传感器的单岛型方形硅膜片的俯视及剖面图硅压力传感器的单岛型方形硅膜片的俯视及剖面图如下图所示。如下图所示。 两个环形振荡器集成在两个环形振荡器集成在 晶向膜片上，晶向膜片上，RO1在单岛的边缘，在单岛的边缘，RO2在靠近框架的膜片边缘，两者受在靠近框架的膜片边缘，两者受到的应力方向相反。到的应力方向相反。 3) )压力灵敏度压力灵敏度 环形振荡器频率相对变化与压差的关系如图所示。环形振荡器频率相对变化与压差的关系如图所示。RO2具有负的压力灵敏度，具有负的压力灵敏度，RO1具有正的压力灵敏度，具有正的压力灵敏度，且都具有一定的非线性。且都具有一定的非线性。 4) )

59、信号处理信号处理 ( (1) )频率比频率比( ( ) )。消除温度和电源电压的影响。消除温度和电源电压的影响( (共模共模干扰干扰) )，还可以提高灵敏度。，还可以提高灵敏度。 ( (2) )频率比与频率比倒数的差频率比与频率比倒数的差( ( 1/1/ ) )。新信号形。新信号形式的优点如下式的优点如下 非线性比非线性比 大大降低；如果零压力频率比等于大大降低；如果零压力频率比等于1，非线性几乎为非线性几乎为0； 灵敏度为灵敏度为 的的2倍，为单个环形振荡器的倍，为单个环形振荡器的4倍。倍。 如果零压力频率比等于如果零压力频率比等于1，零位输出几乎为，零位输出几乎为0。 5、具有数字输出的触

60、发器型集成压力传感器、具有数字输出的触发器型集成压力传感器 触发器型集成压力传感器是一类新型半导体集成触发器型集成压力传感器是一类新型半导体集成传感器。它具有很高的灵敏度和较宽的测量范围，比传感器。它具有很高的灵敏度和较宽的测量范围，比常规扩散硅压力传感器要提高一个数量级。传感器的常规扩散硅压力传感器要提高一个数量级。传感器的制作采用集成电路工艺和微机械加工技术，具有广阔制作采用集成电路工艺和微机械加工技术，具有广阔的应用前景。的应用前景。 ( (1) )电子触发器电子触发器 电子触发器是非稳态系统，它对任何不平衡都非电子触发器是非稳态系统，它对任何不平衡都非常敏感。当触发器不对称时，输出的常