《电气测试技术第5版》 课件 第4章 微型化和智能化传感器

03December2024第4章微型化和智能化传感器03December2024第4章微型化和智能化传感器4.1概述4.2微型温度传感器4.3硅压阻式微型压力传感器4.4电容式微型传感器4.5智能化变送器03December20244.1概述随着微电子技术、微计算机技术和网络通信技术的发展，传感器也步入了微型化和智能化的发展时代。由于大规模和超大规模集成电路的发展，可将组成传感器的多个单元集成在一块芯片上，包括检测元件、信号的调制、解调电路、信号放大和转换电路、线性化处理、输入、输出电路和通信功能等模块集成在一块或二块芯片上，从而极大地缩小了传感器的体积，为传感器的微型化创造了条件。微计算机（尤其是单片机）在传感器中的应用，利用其强大的控制与信号处理能力，传感器的功能更加强大。例如，自动零点和增益校正、非线性校正、温度自动补偿、自动消除交叉灵敏度的影响、量程自动切换、自检和自诊断等，给传感器赋予了智能化功能。随着网络通信技术的发展，传感技术的发展已进入崭新的发展阶段。各种现场总线在传感器中的应用，传感器已实现了网络化。03December2024微型化与智能化传感器的特点精度高高可靠性与高稳定性高信躁比与高分辨率

功能更强大自适应能力强体积小性能价格比高

微型传感器与智能传感器是当前世界传感技术发展的重要趋势。03December2024Thankyou！03December20244.2微型温度传感器4.2.1热释电温度传感器4.2.2PN结温度传感器4.2.3集成（IC）温度传感器4.2.4石英振子温度传感器4.2.5微型温度传感器应用实例03December20244.2.1热释电温度传感器热释电晶体具有自发的电极化能力，电极化强度与温度有关，晶体的这种性质称为热释电效应。常温下，虽然晶体也产生热释电效应，在与自发极化强度垂直的两端面出现极性相反、密度等于的面束缚电荷，但是该电荷被晶体内部和外部的自由电荷中和，故对外呈现中性。由此可见，不能在静态条件下测量热释电晶体的自发极化电荷。图4-1热释电温度传感器原理a）热释电效应b）等效电路c）极化强度与温度的关系03December20244.2.2PN结温度传感器

利用PN结的温度特性可做成各种测温传感器。二极管PN结温度传感器基本原理

如前所述，PN结电流与电压

的关系为：式中，A为PN结横截面积；q为流过PN结的电荷量（

）；

为玻尔兹曼常数（

）；T为热力学温度。在载流子注入情况下，流过PN结反向饱和电流

可表示为：03December2024对硅单晶

（4-5）式中，；

为禁带宽度。联立求解式（4-3）～式（4-5）得：

一般情况下，上式括号内的两项与温度的关系可忽略。因此

（4-6）式中，

为常数。

由此可见，PN结两端电压与温度成线性关系。03December2024基本特性

正向电流一定时，二极管PN结温度传感器PN结两端电压与温度之间的关系在相当宽的温域内具有良好的线性，见图4-2a。图4-2PN结温度传感器的特性a）二极管PN结的温度特性b）晶体三极管PN结的温度特性03December2024晶体管PN结温度传感器

1.基本原理

硅晶体三极管的

约有2mV/℃的温度系数。利用这一性质可制成小型的晶体三极管温度传感器。

由晶体管原理可知，

、与热力学温度T有下列关系：

式中，

为与基极偏压有关的常数；

为由基区少数载流子特性决定的常数。

2.基本特性

由式（4-7）可见，

一定时，

基本上与温度T成线性关系。但温度较高时，非线性误差较严重，见图4-2b。03December20244.2.3集成（IC）温度传感器集成（IC）温度传感器是指把温度敏感元件与后续放大器集成于一片芯片上，组成传感与放大为一体的功能器件的传感器。温度敏感元件的原理与晶体管PN结温度传感器相似。电压输出型IC温度传感器

其电路原理见图4-3。电流输出型IC温度传感器

见图4-4。03December2024电压输出型IC温度传感器图4-3电压输出型IC温度传感器a）温度敏感元件b）IC温度传感器原理电流输出型IC温度传感器图4-4电流输出型IC温度传感器a）内部电路b）I－U转换运用等效电路03December20244.2.4石英振子温度传感器利用石英晶体切片构成振子，其谐振频率

随温度变化而变化的特性构成测温传感器。其谐振频率

为：

式中，

为谐波次数；

为晶片厚度；

为晶体密度；

为常数。在一般情况下，

、

、

均与温度有关，其中

、

与晶片切割方向有关。选择某一切割方向，可使

、

、

三者的变化互相抵消，则

随温度t的变化极小；若选择另一切割方向，可使三者随温度的变化互相加强，则

随温度的变化就十分明显，此法可用于测温。03December2024频率与温度之间的关系为：

（4-11）式中，

、

分别为温度

、

时的振荡频率；

、

、

分别为一次、二次、三次频率温度系数。由式（4-11）可见，选择某一切割方向切下的晶片，能使

、

、随温度变化引起频率的变化量相互抵消，即温度变化后，

仍等于

，故此方向切下的晶片可作为频率基准源的振子，如石英晶体振荡器的振子。但是，也可选择另一切割方向，使

、随温度的变化几乎为零，而

为最大，那么，式（4-11）可写成

（4-12）

式中，

为频率系数；

。由上式可见，

与

成线性关系。用于测温元件的石英振子是按LC方向切割的。03December20244.2.5微型温度传感器应用实例具有温度自动补偿的红外测温仪本测温仪采用LN-206P或IRA001S热释电传感器，该传感器在调制光的频率为7Hz以下工作，在1Hz获得最高频响灵敏度可达1100V/W（在温度500K时）。因此，必须把被测物体发射的连续红外光调制成1Hz的脉冲光。该仪器组成框图见图4-5。图4-5传感器与测温仪组成框图1－调制盘2－传感器3－电动机4－温度补偿二极管03December2024集成红外探测报警器本红外探测/报警器选用SD02型热释电传感器，该传感器内含敏感元件、滤光片和场效应晶体管，其外型见图4-6a。其中，1脚为漏极；2脚为源极；3脚为地。当采用源极输出接法时，源极电压0.4~1.0V。该传感器的峰值波长9.4µm，当人体体温为36～37℃时，发出的红外线波长为9～10µm。因此，该传感器对移动的人体具有峰值频响，作为人体探测/报警器的传感元件极为合适。图4-6集成红外探测/报警器原理a）SD02传感器结构b）报警器原理电路03December202415路巡回红外探测报警器该巡回红外探测器可对15路进行人体移动探测和声光报警，适用仓库的防盗报警。该装置选用HN911系列热释电集成传感器，其内部含有热释电检测元件，选频放大器，信号处理电路，延迟电路，温度补偿电路和高低电平输出电路等，其管脚排列见图4-7a。图中，6脚为地；3脚为VDD；4与5脚间接100变阻器调节传感器的灵敏度；1与2脚为输出，静态时，1脚输出低电平，2脚输出高电平；当有移动人体进入探测区域时，1脚由低电平变高电平，2脚由高电平变低电平。单片HN911的探测距离达15m。03December2024数字体温表体温表以晶体管PN结作为温度敏感元件，见图4-8。由图可见，敏感元件V的

随被测温度的增加而负向变化，经运算放大器后为

。调节后RP2便调节了A的闭环放大倍数，使满足0～50℃时，

。调节RP1可调节体温计的零点。数字体温计的精度可达0.05℃。数字体温计亦可用于测量电气元件、设备及电子元件表面某点的温度。图4-8数字体温表原理03December2024高精度温度测量仪原理框图见图4-9。由图可见，利用石英振子作为温度敏感元件，它作为热敏振荡器的振荡元件。基准振荡器的输出信号为稳定度极高的2.8MHz，经10倍频后，与热敏振荡器的振荡元件的输出信号

混频，其差频为

。28MHz为对应于被测温度T=0℃时的频率。随着T的变化，

变化，

也变化。2.8MHz信号经时基选择（见虚线框）后为

信号，作为门电路的开门信号，开门期间计数器对

计数值为N，由式（4-12）得：可见，计数器得计数值N正比于被测温度的变化量

。精密温度测量仪的精度为±0.075℃，月稳定度为±0.007℃。图4-9高精度温度测量仪原理框图03December2024Thankyou!03December20244.3硅压阻式微型压力传感器4.3.1硅盒制作工艺简述4.3.2普通型单片集成压力传感器4.3.3具有温度补偿功能集成压力传感器4.3.4频率输出型压阻式集成压力传感器4.3.5集成压力传感器MPX31004.3.6MPX7000系列压力变送器4.3.7扩散硅差压变送器03December20244.3.1硅盒制作工艺简述

图4-10为硅盒式集成压力传感器芯片剖面图，采用硅盒结构将压敏元件与CMOS信号调理电路集成在同一硅芯片上制作微型压力传感器。其制作工艺简述如下：（1）首先在下层硅片表面通过掩蔽腐蚀方法形成深10，长和宽各60的凹坑。

图4-10硅盒结构集成压力传感器剖面（2）将上层硅片与下层硅片在1150℃高温下烧结键合在一起便形成一个参照压力空腔。（3）将上层硅片减薄至30，并将便面抛光，通过光刻对中方法在参照压力空腔上方的硅膜片上用离子注入工艺形成压敏全桥。

（4）用标准CMOS工艺在参照压力空腔周围的上层硅片上制作具有各种功能的信号调理电路。最后将引脚引出和封装，形成单片集成微型压力传感器。03December20244.3.2普通型单片集成压力传感器整个压力传感器芯片面积为1.5mm2，其原理电路见图4-11。图4-11集成压力传感器原理03December20244.3.3具有温度补偿功能集成压力传感器上述单片集成压力传感器由于没有补偿功能，零点漂移和灵敏度漂移在所难免。因此，传感器的精度和温度特性难以得到大幅度的提高。这里介绍一种具有零点漂移和灵敏度漂移补偿功能的集成压力传感器，其组成框图见图4-12。图4-12具有补偿功能的集成压力传感器03December20244.3.4频率输出型压阻式集成压力传感器图4-14频率输出型压阻集成传感器03December20244.3.5集成压力传感器MPX3100该传感器将压敏电阻、补偿电路、基准电压源和信号调理电路集成在同一芯片上，其剖面图见图4-15a；敏感元件的符号和引脚功能见图4-15b。该传感器的敏感元件为单个X型压敏电阻，它的工作原理是利用单片硅压敏电阻产生随被测压力而变化的输出电压。图b中，3、1脚接激励电压；2、4脚为输出电压。图4-15MPX3100传感器的结构a）剖面图b）敏感元件的符号03December2024MPX3100传感器电路原理该传感器的电路原理见图4-16。图中，A1用于补偿压力传感器的零位温漂，并起提高输入阻抗作用。A2将差分输入转换成单端对地输出，并起阻抗变换作用。A3为精密基准电压源，其作用是校准传感器零位输出电压。A4是电压放大器，其增益由经激光修整的精密电阻

来校准。该传感器的测量范围为0~0.1MPa，输出电压为（0.5~2.5）V。图4-16MPX3100传感器电路原理03December20244.3.6MPX7000系列压力变送器该系列压力变送器为DC4~20mA输出的二线制变送器，传输距离达50m以上，负载电阻为150～400，可与DDZ-III调节器组成自动控制系统。该系列变送器具有温度自动补偿，线性度好，灵敏度高，重复性好和精度高的特点。该变送器采用X型压敏电阻作为压力检测元件，其符号及引脚功能见图4-15b，再配接运放A组成。其电路原理见图4-17。图4-17MPX7000系列压力变送器原理图03December20244.3.7扩散硅差压变送器扩散硅差压变送器检测元件的结构见图4-18a。整个检测元件由两片研磨后胶合而成（即硅杯）的硅片组成。在硅杯上制作压阻元件，利用金属丝将压阻元件引接到印刷电路板上。再穿过玻璃密封引出。硅杯两面浸在硅油中，硅油与被测介质间有金属隔离膜分开。被测差压

引入测量元件后，通过金属膜片和硅油传递到硅杯上，压阻元件的电阻值发生变化。图4-18扩散硅差压变送器原理a）传感器结构b）电路原理03December2024Thankyou！4.4电容式微型传感器4.4.1集成（IC）电容式加速度传感器ADXL504.4.2电容式数字输出压力变送器4.4.1集成（IC）电容式加速度传感器ADXL50该传感器是由AD公司生产的单片集成电路ADXL50组成。其内部集成了电容传感器、振荡器、解调器、前置放大器、缓冲放大器和基准电源等。仅需在外部接些阻容元件就能用于测量加速度。测量范围±50g，耐冲击可达2000g。具有体积小、精度高、方向性好等优点。ADXL50内部框图见图4-19。振荡器产生1MHz的脉冲信号供给电容传感器进行调制。传感器是在弹簧片上并联42个差动电容敏感元件，以便提高灵敏度。图4-19ADXL50内部框图ADXL50的基本接线用ADXL50构成加速度测试仪的基本接线见图4-20。图中，RP1作用是零点调整，RP2作用是量程调整。图4-20ADXL50的基本接线根据测量范围的大小，改变外接阻容即可，量程与外界阻容的关系见表4-1。图4-21为±10g加速速度测试仪的实用电路。A/D转换器采用具有译码、并可直接驱动LCD的

位转换器ICL7106。由于加速度变化非常迅速，显示器跟不上其变化，因此在A/D转换器前加了TA75358和场效应管2SK363组成的正向峰值保持电路，这样，显示的是最大加速度值。量程灵敏度/(mV/g-1)RP2/kΩR1/kΩR2/kΩ±10g200521.52490.0022±20g100523.71370.0039±40g5010341050.0056±50g401043.31050.0056图4-21±10g加速度测试仪实用电路

4.4.2电容式数字输出压力变送器该压力变送器是利用CMOS技术和机械微加工技术制作的，它由一个传感器芯片和一个数字电路集成芯片组成，然后将两个芯片经混合集成工艺封装在28个管脚的塑料外壳上，封装成双列直插式的芯片。其内部组成原理框图见图4-22a。由图可见，传感器芯片由一个参考电容、一个传感器电容和两个完全相同的电容－频率（

）转换器组成。图4-22电容式数字输出压力变送器a）组成框图b）集成芯片剖面图Thankyou！03December20244.5智能化变送器4.5.1ST-3000系列智能变送器4.5.2LD302智能压力变送器4.5.33051型智能压力变送器4.5.4EJA型差压（压力）智能变送器4.5.5阵列式智能气敏传感器4.5.6阵列式智能压力图像传感器03December20244.5.1ST-3000系列智能变送器ST-3000系列智能变送器由美国霍尼韦尔（Honeywell）公司首先推出，它在14.7的硅片上配置了差压

、静压

和温度

三种传感元件，有效地解决了差压、静压和温度之间交叉灵敏度的影响，从而具有精度高、宽量程比和高稳定性的特点。ST-3000系列智能变送器的组成框图见图4-24。图4-24ST-3000智能变送器组成框图03December20244.5.2LD302智能压力变送器通过变送器内部不同功能软件模块的组态，该变送器可用于测量差压、绝对压力、表压、液位和流量等工艺参数，是一台现场总线智能变送器。它由传感器组件板、主电路板和显示板三部分组成，见图4-26。图4-26LD302智能变送器组成框图03December20244.5.33051型智能压力变送器3051型系列智能变送器可用于测量差压、压力、液位和流量等工艺参数。可在恶劣的环境下工作保持高精度和良好的工作稳定性，其精度可达±0.075%，其稳定性可做到工作5年不需调整零点漂移和量程。其输出信号为DC4~20mA和带有遵循HART协议的数字通信接口。图4-27为3051系列变送器的组成框图，它由传感器部分和数据处理部分组成。图4-273051智能变送器组成框图03December20244.5.4EJA型差压（压力）智能变送器EJA型差压（压力）智能变送器由于体积小、重量轻、不受安装场所的限制、能有效地克服静压、温度等环境因素的影响，长期连续运行仍保持优于±0.075%的精度和高的可靠性与稳定性，以及具有完善的自诊断功能和通信功能的特点，自1994年投放市场以来，深受广大用户的好评。图4-28是EJA智能差压（压力）变送器组成原理图，它由膜片组件与智能转换组件两部分组成。图4-28EJA智能压力变送器组成框图03December20244.5.5阵列式智能气敏传感器在生产实际或日常生活中，对某种化学气体的浓度随时间和空间位置而变化感兴趣（例如，煤气管道的泄漏），显然利用前述的单个传感器已无法满足检测要求。因为单个传感器的输出信号只能反映空间某一特定点的待测信息，而不能检测气体浓度在空间和时间的分布信息。将多个单传感器连成多维阵列式便可检测气体的浓度随时间和空间分布的信息。多维阵列式传感器的输出信号经信号处理后送入CRT显示器，便能显示化学气体浓度的随时间和空间分布的实时图象，将不可见的信息显形化。这类阵列式气敏智能传感器在工业生产和日常生活中已得到了广泛应用。图4-31气体多维检测智能传感器系统原理03December20244.5.6