集成传感器(包括压敏、磁敏、温敏、光敏传感器)

第五章集成传感器

集成传感器将敏感元件、信号调理电路（如放大器、滤波电路、整形电路、运算电路）、补偿电路、控制电路（如地址选择、移位寄存电路）或电源（如稳压源、恒流源）等制作在同一芯片上，使传感器具有很高的性能。集成传感器具有抗环境干扰和电源波动的能力强、体积小、可靠性高、易于同外部电路简单连接、无需外接变换电路的优点。5.1集成压敏传感器集成压敏传感器依照敏感元件的不同分为两类：

1）硅电容式集成压敏传感器：敏感元件为电容式元件2）扩散硅集成压敏传感器：敏感元件为电阻式压敏元件一、硅电容式集成传感器

构成：硅压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分构成。

首先由敏感电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由后继信号调理电路处理后输出。1、硅敏感电容器结构在基地材料（如玻璃）上镀制一层金属薄膜（如Al膜），作为电容器的一个极板，另一个极板处在硅片的薄膜上。硅薄膜是由腐蚀硅片的正面和反面形成的厚约十几微米的膜。硅片边缘与基底材料键合在一起。

2、硅敏感电容器原理S——两平行极板所覆盖的面积；d——两平行极板之间的距离；——极板间介质的介电常数；0

——真空介电常数（8.854×10-12F•m-1）r——介质相对真空的介电常数，r空气≈1，其它介质r>1。

d、S、(r)变化C变化U变化两种极板结构敏感电容：Cx；补偿电容：C0(温度影响）圆形膜结构：将敏感电容和参考电容分开，两个电容的硅膜半径均为a，电容极板的半径均为b。环形膜结构：将两种电容器合二为一，它在半径为a的硅膜上镀制半径为b1的圆形电极板，作为测量电容；在测量电容极板的外围镀制内、外径分别为b2和b3的同心圆环，作为参考电容。2、测量电路电容变化→电信号1）电容→电压:采用交流电源激励，并通过整流电路来检出电容的变化，得到与电容有关的电压信号，用电压信号反映出外部压力的变化。2）电容→频率:将压力敏感电容作为振荡电路的电容元件，压敏电容的变化引起该电压力敏感电容作为振荡路振荡频率的变化，这样可以用频率信号的形式反映外部压力的变化。交流信号激励Up通过耦合电容Cc为电路供电（方波、正弦波等）正半周:电荷从B→VD2→Cx充电；从A→VD3→C0充电;负半周:放电Cx→VD1→A;C0→VD4→B无外力作用，Cx=C0,电荷转移量相等。有外力作用，Cx﹥C0，从B转移A的电荷大于从A转移B的电荷,导致A电位高于B电位，减少了从B转移A的电荷，增加了从A转移B的电荷，最终达到平衡。平衡后，A、B点电位差=Uo，Ua=0.5Uo;Ub=-0.5Uo.

△QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx△QAB=(Up+0.5U0-Ua)C0用由Rf、Cf构成的低通滤波器滤去交流的激励的高频电压成分后，输出端就只留下一个直流信号U0设C,D点寄生电容Cp

2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=--------------------------Cx+C0+2Cp在集成电路中Cp数值较小而稳定，它对U0的影响小而且稳定，即Cx可以做的较小而仍能获得较大的信号和分辨率。此外通过选择适当的C0使它与零压力时Cx值相等，在初始状态的输出U0就等于零。

由于二极管的正向压降不仅对灵敏度由影响，对激励信号的幅度也提出了叫较高的要求。改进的方法是，把四个二极管换成为四个MOS晶体管，适当控制四个晶体管的导通和截止可以他们像二极管一样起到整流作用。

3、CP8型集成压敏传感器输出缓冲电路：两级射极跟随器进行阻抗变换。振荡器：阻容式自激振荡器，由于VT1和VT2各自处于直流电压负反馈的工作状态，由于C1和C2的耦合作用，电路产生自激振荡。◆压力敏感元件：包括低通滤波器。放大器：差分放大器。对前面未能完全滤除的共模交流信号有进一步的抑制作用。二、扩散硅压敏传感器特点：将补偿电路与硅压敏元件构成的全桥电路集成在一起，集成之后的传感器不仅体积小、成本低，更主要的是补偿电路中起补偿作用的元件与磁敏元件完全处于同一温度中，因此能够得到较好的温度补偿效果。敏感元件：压敏电阻R1~R4。测量电路：压敏电阻R1~R4构成的电桥。设压敏电阻的灵敏度为K，且R1=R3=R0+KPR0、R2=R4=R0-KPR0，则：V0=VBKP辅助电路：温度补偿电路，由电阻R5、R6和晶体管VT构成的温度补偿网络。若VT的基极电流比电阻R5、R6的电流小得多，晶体管的集电极-发射极电压为：电桥的实际供电电压VB为：电桥输出电压为：温度补偿：T↑→Vbe↓→Vce↓→VB↑，另一方面，T↑→V0↓。电桥输出电压的温度系数为：

可见，通过适当选取R5、R6的比值,可以使输出电压的温度系数为零，也就是说通过电路参数的设定可以补偿电路的温度误差。5、2集成温敏传感器集成温敏传感器将温敏晶体管及其外围电路集成在同一芯片上，构成集测量、放大、电源供电电路于一体的高性能测温传感器。其典型的工作温度范围是（-50~+150）℃，具体数值因型号和封装形式不同而不同。分类：电压输出型：直接输出电压，输出阻抗低，易于同独处或控制电路借口。

电流输出型：输出阻抗极高，可以简单的使用双股绞线传输数百米远。

频率输出型：除电流输出型相似有点外，还便于与数字化器件如计算机相连接。一、PTAT核心电路1、PTAT基本电路

基本原理：BG1、BG2结构和性能完全相同，在电阻R1上得到的两晶体管BG1、BG2的基极-发射极电压差为：式中：Jc1和Jc2分别是BG1和BG2管的集电极电流密度。由上式可知，只要设法保持两管的集电极电流密度之比不变，那么电阻R1上的电压Vbe

将正比于热力学温度T。设两管增益极高，因此基极电流可以忽略，即集电极电流等于发射极电流，则：Vbe=R1Ic2由此可知电流Ic2、Ic1

和R2

上的电压正比于绝对温度。电路总电流(Ic1+Ic2)也正比于绝对温度。这种电路称为PTAT(ProportionalToAbsolute

Temperature)核心电路。2、温度测量电路PTAT核心电路的关键在于两管的集电极电流密度之比（Jc1/Jc2）不随温度变化，为此，供电电源采用电流镜。电流镜由结构、特性和发射结偏压完全相同的BG3、BG4组成，若两只管子的输出阻抗和电流增益均为无穷大，流过BG1和BG2的集电极电流在任何温度下始终相等。实际制作时，有意将温敏对管BG2、BG1的发射极面积制作成不相等的，其面积比为n，这样的集电极电流密度比为面积的反比，这样，在电阻R1上将得到两管的基极-发射极电压差为：

Vbe的温度系数仅取决于n，而n与温度无关。n是可以严格控制的，可以把BG2的发射极设计成条形，而BG1的发射极则为若干同样的条形电极的并联，于是两管的面积比变为简单的条数比。因此，电路输出端的总电流I0为：电流输出型温度传感器的输出电流具有很宽的工作电压范围(4～30V)，电阻R1要选用高稳定的金属膜电阻，对其阻值进行严格控制，从而保证传感器的精度。

电压输出型温度传感器中，BG5的发射结电压与BG3、BG4相同，又具有相同的发射极面积。于是流过BG5和R2支路的电流与另两支路电流相等，所以输出电压为：二、电流输出型集成温敏传感器AD590概述在25℃(298.20K)时输出电流：298.20A供电电压：+4~30V测量范围：-55～+150℃灵敏度：0.1A/℃封装形式：TO-52、片状

TO-52：三端封装器件，直径ф6.84mm、高3.81mm（不含引线），适合对流体（空气、液体等）的“点”温度测量。片状封装：厚1.27mm、宽2.36mm、长6.35mm（不含引线），适合于表面温度测量。BG1、BG2为温敏晶体管，两者的发射结面积比为8:1。(BG3-BG4)、(BG5-BG6)构成恒流源，为温敏晶体管提供恒定的集电极电流，Ic1=Ic2。差分对管BG9、BG10作为(BG3-BG4)、(BG5-BG6)的负反馈器件，起到进一步消除由于制造工艺的不足造成BG1、BG2不对称而对Vbe的影响。BG11与BG2并联，同时又与衬底相连接，使得包含在电路输出总电流中的偏置电流以及衬底的漏电流也变成BG2的发射极电流而同样具有随温度变化而变化的特性。电阻R1、R2采用接近零温度系数的薄膜电阻，通过激光修正。BG8在外加电源反极性接入时起到对电路的保护作用。理想温度灵敏度为1A/℃。实际的温度灵敏度与理论值有所偏离。误差有两种：斜率误差和平移误差。为了提高测温准确度，需要进行校正。外接电源过小时，传感器的温度灵敏度随外加电源电压的上升而上升；当外加电源大于3V以上后，传感器的温度灵敏度随外加电源电压的变化而变化。因此，外加电源必须大于4V，否则，外部电源的波动将对电路的输出产生影响。对于阶跃温度输入，器件的输出响应为一阶系统，时间常数随热交换条件而异，再热交换条件好的情况下一般约2~3s就可达到稳定误差补偿“一点校正法”：仅对某一温度点（0℃或25℃）进行校正。如果AD590在校正点（如25℃）时输出电流并非298.2A，那么，调节Rw使电路输出电压值VT为298.2mV即可。“两点校正法”：电路中AD581是10V的基准电压，先使AD590处在温度为0℃的环境中，调节Rw1，使Ut=0V；再将AD590置于100℃的温度环境中，调节Rw2，使Ut=10.00V。这时输出电压的温度系数为l00mV/℃。集成温度传感器还有一种电压输出型器件，其基本电路与电流型无多大区别，只是将温敏差分对管的两个Vbe之差Vbe引出。电路由温敏晶体管、稳压电路和运算放大电路三部分构成。例如PC616，器件的温度系数为10mV/K，四端T0-5封装。三、集成温控开关定义：对于简单的温度测量与控制场合而言，通常总是需要温度传感器、信号放大电路、比较器、触发器等一系列电路。这一系列电路多少需要占据一定的空间，同时由于电路的相对复杂性而增加了电路调试的工作量。为此，出现了将测温—比较—控制电路集成为一体的温度测量与控制电路，称作集成温控开关。AD22105由AnalogDevice公司开发，集温度测控于一体。是一个单电源半导体固态温控开关，它在一片集成电路中实现了温度传感器、设置点比较器和输出级的功能组合。6脚外接一只预置电阻，可以在-40℃到+150℃的工作温度范围内设置，在环境温度超过所设置的温度点时，电路通过一个集电极开路输出端（2脚）输出开关控制信号。温度控制点设置的外接设置电阻接于6脚与接地引脚（3脚）之间，设置电阻Rset由以下公式决定：其中：RMAX：在TSET下温控点电阻实际的值，

RNOM：最接近理论RSET的标称值。

ε：25℃时的电阻精度（通常1%，5%或10%），

Kt：电阻的温度系数。电路内置一个施密特触发器，使温度控制有大约4℃的迟滞。芯内置一个可选的200k上拉电阻，可直接驱动一个低功耗LED指示灯。外形结构小(包括引脚1.75mm×5mm×6.2mm。)可于工业过程控制、热控制系统、CPU监控、计算机热管理电路、风扇控制、手持/便携电子设备等。温控点电阻精度和热漂移的影响综合考虑后，可以用以下方程计算：RMAX=RNOM×(1+ε)×(1+Kt×(TSET

－25℃)) 5、3集成磁敏传感器分类：按工作原理1)根据法拉第电磁感应原理制成的结构型传感器。这种结构型磁传感器只能检测到磁通或磁场的变化率，不能检测磁通或磁强自身量，而且难以小型化。2）利用导体或半导体的磁电转换特性，将磁场信息变换成相应的电信息的物性型磁传感器，物性型传感器既能检测直流磁场，又能检测交流磁场，而且灵敏度高、可靠性好。

按输出功能1）开关型2）线性型

按工作机构和工艺1）双极型2）MOS型一、开关型集成磁敏传感器1、基本构成霍尔元件：在0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。差分放大器：将VH放大，以便驱动后一级整形电路。整形电路：施密特触发器把放大器输出整形为矩形脉冲。输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。电源电路：包括稳压和恒流，用以改善集成磁敏传感器的温度性能，提高集成磁敏传感器工作电源电压的适用范围。2、工作原理初始状态：

B=0，霍尔元件输出为：VH=VH1-VH2=0。BGl和BG2管导通，Ic2＞Ic1，输出电压Vb3＞Vb4，BG3优先导通。由于集电极电流并有如下的正反馈过程：

Ic3

Vb4Ic4Ve3Vb3Ib3___________________________|正反馈BG3饱和导通、BG4截止Vc4EBG5截止BG6、BG7、BG8截止。输出三极管输出高电平，即Vc7=Vc8=V0HE。初始状态下施密特触发器BG3和BG4的发射极电位Ve3决定于BG3的饱和电流Ices3和BG3、BG4管共用射极电阻Re，即Ve3=Ices3Re。

第一次翻转B≠0，霍尔元件输出为：VH=VH1-VH2

＞0。（Vb1

、Vb2

）（Vb3、Vb4）。Vb3＝Ve3+0.6V时，BG3入放大状态，并且：Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3

____________________|最终，导致BG4饱和导通而BG3截止，BG4的集电极处于低电位，即：Vc4=Ve4+Vces4

式中：Vces4为BG4的饱和压降。Ve4=Ices4Re

，Ices4

即BG4饱和电流，Re即BG3、BG4共用射极电阻。结果，电路输出状态由高电平VOH翻转为低电平：Vc7=Vc8+VOL0.4V。BG4饱和导通BG5导通BG6导通BG7、BG8饱和。电路输出状态由高电平向低电平翻转所需要的正向磁感应强度B称为导通磁感应强度。记为B(HL)，相应的Vb3值记为Vb3(HL)。

第二次翻转

Vb3＝Ve4+0.6V时BG3由截止进入放大状态。且：Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3结果，导致BG3饱和导通、而BG4截止。

BG4集电极恢复初始状态（高电位），

BG7和BG8截止，输出管翻转到高电VOHBVHVc1（Vb3）/Vc2（Vb4）____________________|输出管输出电平由低电平翻转到高电平所需要的磁感应强度B称为截止磁感应强度，记为B(LH)，相应的Vb3值记为Vb3(LH)。施密特触发器存在滞后效应，因此，Vb3(HL)Vb3(LH)，其滞环宽度Vb3为：

Vb3=Vb3(LH)-Vb3(HL)=(Ve4+0.6V)-(Ve3+0.6V)=Ve4-Ve3=(Ices4-Ices3)Re导通磁感应强度和截止磁感应强度之间也存在滞后效应，其滞环宽度B为：B=B(HL)-B(LH)

二、开关型集成磁敏传感器特性1、磁特性

导通磁感应强度B(HL)是指开关型集成磁敏传感器输出状态由高电平向低电平翻转，实现由“关”态到“开“态动作所必须的作用于霍尔元件的磁感应强度。一般B(HL)值为0.035T～0.075T。截止磁感应强度B(LH)是指开关型集成磁敏传感器输出状态由低电平向高电平翻转，实现由“开“态到“关“态动作所必须的作用于霍尔元件的磁感应强度。在参数表给出的B(LH)值一般指它的最小值。磁感应强度滞环宽度B有时也称为磁滞滞环或滞后宽度。这个参数指的是导通磁感应强度与截止磁感应强度的差值，即B=B(HL)-B(LH)。2、电特性

输出高电平VOH：输出端开路时的电平就是电源电压E，输出端接负载电阻RL时，才有输出信号。当输出管截止时，通过负载电阻RL的只是它的漏电流IOH，输出端高电平VOH为：

输出低电平VOL：在B=7.5×10-2T、负载电流IO＝12mA条件下测试；主要决定于输出管的饱和压降，其规范值为VOLmax＝0.4V。

负载电流IOL：在满足输出低电平VOL＜0.4V的条件下，输出管的集电极电流，其规范值为IOL=12mA。CS型开关型集成磁敏传感器的最大负载电流为20mA。VOH=E-IOHRL≈E温度特性导通磁感应强度B(HL)、截止磁感应强度B(LH)和滞环宽度B随温度而变化的特性。由左图可看出，导通磁感应强度的温度系数约为（1.5~2）×10-4T/OC，是正温度系数。从B（H→L）与B（L→H）特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为-0.2%~-0.3%OC，是负温度系数。由右图给出的CS型开关型集成磁敏传感器两个磁特性参数随电源电压E的变化曲线。从图中可以看出，B（H→L）与B（L→H）参数在电源电压E<6V时，随电源电压减小而增加，但滞环宽度随电源电压减小而减小；在电源电压E＞8V时，这三个参数基本上变化不大。5、4集成传感器应用实例一、液晶显示与背光照明按照显示方式的不同，液晶显示器可分为透射式、反射式、投影式等。其中透射式在液晶显示器的背面设置光源（荧光灯或电致发光板），这种显示方式的液晶显示器可以在黑暗的环境下使用，不受环境限制。具体可分为液晶盒、均光系统、背光源、反射板等几个不同的功能模块。1、液晶盒：由前后两块玻璃板（基板）以及板之间的液晶材料组成。基板材料可使用无碱玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、硅基板等，每块基板的厚度一般为1.1mm，此外，还有0.7mm、0.5mm、0.4mm等尺寸的。基板之间的液晶层只有几个微米（µm）厚。前后基板的内侧镀以ITO透明导电膜（白膜）电极、红绿黄三色滤光片、薄膜晶体管（TFT）阵列、行列扫描线等，另外还有液晶分子取向膜、垫片等。2）均光系统：均光系统由透明漫射片和光控膜（LCF）构成。漫射片是一片塑料基片，基片上均匀的沉积着直径只有7（µm）左右的聚酰亚胺微粒。两张漫射片之间夹有一张光控膜以消除背光灯的斑点。3）背光源：背光源通常是U形或W形冷阴极荧光灯（CCFL），目前少数液晶显示器也采用平面发光灯。用于LCD背光源的冷阴极荧光灯具有发光效率高（80lm/W）、寿命长（2×104h）、薄而轻（灯管外径可小到1.8mm）、色温高（8500K）和抗震动抗冲击能力强的特点。液晶显示器结构背光照明

冷阴极荧光灯（ColdCathodeFluorescenceLamp）是最常见的液晶显示器背光组件的光源。

从光学角度看，冷阴极荧光灯的光谱特性与彩色滤光片的光谱透过率几乎完全一致，荧光灯的混合荧光粉发射的三色光峰值波长与彩色滤光片的光谱透过率峰值几乎重合，其色度分布为CIE标准的B光源（R、G、B波长分别为700.00nm、546.00nm、435.80nm，比例关系0.30:0.59:0.11，色坐标x=0.3485，y=0.3518，色温为4870K），因此，十分适合用作液晶显示器的背光灯。

a）启动电压与温度的关系b）发光亮度与温度的关系a图所示为灯管的启动电压Ustart与温度T之间的关系，随着灯管壁温度的降低，灯管需要更高的启动电压才能点亮。而在同等条件的电驱动下，灯管的发光亮度L与温度也有关系，如图b。CCFL存在一个最佳工作点Topt，温度大于或小于Topt，灯管的发光亮度都会下降，尤其是温度小于Topt的情况下，连固定下降很快，同时发光颜色趋于暖色，类似于A光源。当温度过低时，灯管不再发光。

为了改善CCFL的低温特性，目前可行的方法有两种：1）过功率方法2）预热法

a）CCFL端电压V与电流I关系b）发光亮度与电流I的关系a图：曲线分启动阶段和工作阶段，图中用垂直虚线分开，虚线左边

为启动阶段，灯管启动初期，电流极其微弱，随着灯管两端电

极之间电压的增大，灯管内的汞离子加速增加并定向运动，灯

管的电流逐步增大，当电压升至一定量时，灯管启动。b图：增大灯管