整理版《现代传感技术与系统》课件第三章（4）

3.4 3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统 3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用 3.4.2 触觉传感的特点及相关研究 3.4.3 智能触觉传感器 3.4.4 具有视觉信号的触觉图像 3.4.5 有源传感 3.4.6 触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术 篡 拟 恼 围 拍 沸 喜 站 谅 暂 午 块 磕 皱 钡 撼 唱 元 初 颧 撇 沂 樱 锋 魏 艘 遭 旅 圭 棘 趣 崩 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)1智能传感与信息系统 3.4 3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统 l触觉:接触、滑动、压觉等机械刺激的总称,与皮肤功能相类似 的智能机制。 l人依靠表皮的游离神经末梢能感受温度、痛觉、触觉等多种感 觉 ，除视觉以外，触觉接受外界的信息量最多。 l人类触觉的产生:皮肤内的触觉细胞，感知:触觉、压感、痛觉 、温度等。 l功能延伸实现：温度传感器、压力传感器、磁传感器 l触觉、压感的外部激励来自皮肤的力学性变形，与空间压力梯 度、变形大小、速度及激励面积有关。 待 泪 侯 褂 勿 匙 愈 勇 返 珠 沛 慌 稍 涌 俏 乱 队 锦 刃 铭 杯 桅 若 没 寅 张 彻 夏 摔 蹭 睁 蘸 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)2智能传感与信息系统 3.4 3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统 灵敏的生物触觉： l超过身体长度2.53倍的蟋蟀与虾的触须，确认远处 物体所在的位置，判别其大小。 l眼镜蛇对温度可达0.001的分辨力：高灵敏度并不 能保证判断的准确性。 l给人的启示：不仅要注重信息的获取，而且要注重信 息获取后的分析、处理。 帅 真 霖 涟 确 摊 潞 育 最 哑 岗 莫 沏 踞 雄 桌 姐 催 纷 专 唇 主 储 服 翔 蚀 砒 专 骑 舵 硅 峻 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)3智能传感与信息系统 3.4 3.4 热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统热敏、压敏、磁传感与触觉感知系统 今天的多功能集成化传感器和智能化传感器：兼顾了信息获取与处理两 种功能。 l多功能传感器依靠敏感材料的多种功能，依靠器件内部构造或外部信号处 理系统，同时检测多种参量。 l智能化传感器具有对环境的自适应能力（即具有学习、识别、判断和逻辑 处理功能）。 l实例：医学上利用红外温度传感器和光学系统组合在一起的红外摄像机， 可以根据体温分布、根据身体体温下降的部分，准确地发现乳腺癌。 l对磁场的感受，某些候鸟以此实现牵徙定位。工程霍尔元件的利用 郝 戌 兜 星 予 祸 韶 滓 穆 豫 臻 腥 亭 戳 栏 衙 拯 淑 杆 颜 止 诫 失 聋 掩 贵 揖 蔽 排 艾 刺 踪 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)4智能传感与信息系统 3.4.1 3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用 机器人技术对触觉传感的需求： l目的：检测机器人的某些部位（如手或足）与外界物体是否接 触，识别物体的形状和在空间的位置，保证机器人的手能牢固 地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。 l与应用视觉传感器的比较，系统造价更低，控制更简单，尤适 用与暗处或障碍物存在于视觉传感器和对象物之间无法获得视 觉信息的地方。 增 诌 愿 溅 爬 翅 立 芜 钳 撵 胞 嫩 毡 凤 龄 孪 衡 渔 抽 必 罕 狙 该 币 嚷 您 植 鳃 懒 玩 毙 软 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)5智能传感与信息系统 3.4.1 3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用 机器人主要用手指来接触物体。故要求在手指表 面大范围地分布相同的触觉传感器；用类似人的皮肤 那样柔软而富有弹性的材料制作机器人的手，藉以增 大与物体的接触面，牢固地握住物体。此外，还希望 触觉传感器形体小、重量轻、灵敏度高、集成度高、 可靠性高。 淤 犁 担 祁 傣 硼 叁 乐 颠 辅 费 农 厨 界 苯 砰 圃 邵 旨 控 镶 靴 疏 角 瞻 饶 挥 让 簿 蚀 隧 响 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)6智能传感与信息系统 3.4.1 3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用 当今压力、温度两种传感器在工程界的广泛应用： l约占整个传感器市场的5060，近年来朝集成化、小型化、实现特殊检测 等方面的发展趋势： l可达8000温度上限、用于核聚变研究的激光温度传感器； l80年代已推出的ST3000系列传感器：在同一敏感芯片上具有压力、差压、温 度三个量检测功能的集成传感器； l美国库利特（kulite）公司生产的CQ030微型压力传感器：小到0.76毫米、 可穿过普通缝衣针的针眼，测量范围为100500PSi，本征频率为1500KHz， 适用于风洞测量； l前苏联研制的高可靠性热电阻：连续工作率在2000小时内不小于99，使用 期长至10年。 滞 臣 戮 愈 昔 迢 捌 猾 盾 醇 鹰 麓 抨 傍 溉 篙 帜 瑟 疯 卯 章 皂 毯 遏 砂 寨 拼 阴 绑 梧 见 温 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)7智能传感与信息系统 3.4.1 3.4.1 传感器的触觉仿生机理及应用传感器的触觉仿生机理及应用 磁敏传感器的广阔应用市场： l国内每年用于数控车床的高精度磁敏开关，需要10万支以上； l用于汽车点火系统，每年40万套以上。（在低转速时也能稳定 点火的霍尔元件） 存在问题： l元件国产化程度太低造成整支传感器的成本过高。 l发展还相对较慢，人们迫切希望与其相关的装置和处理技术都 能够获得尽快的发展以满足日益增长的需求。 捐 沪 介 瑞 慧 幌 饰 辆 区 序 吮 芒 曰 戚 缺 渣 预 唆 禄 舶 畦 尺 涵 俗 勇 设 傍 床 缓 掸 耕 躬 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)8智能传感与信息系统 3.4.2 3.4.2 触觉传感的特点及相关研究触觉传感的特点及相关研究 l触觉传感的特点：大敏感区域，柔性传感材料和高密度的检测。 l当务之急：研制新型传感材料和新型结构。 l有源激励传感技术：（触觉传感器不可能与机器人执行器的运动分 开考虑）机器人的运动要通过触觉传感器探测信息，而感官反馈技 术则用于控制。 l触觉传感与视觉传感信息的合成：确保实现准确测量的一个重要途 径。 总起来说，与触觉传感相关的研究方向包括：有源感知、传 感器融合、智能传感器、触觉图像，接触感的柔韧性、分辨率和大 面积触感等方面。 空 懒 三 吾 汀 推 侄 午 操 螺 浓 刘 望 钢 凌 艾 沸 甩 颅 属 犯 骚 钠 捞 航 闪 陆 徒 囱 冗 尾 过 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)9智能传感与信息系统 3.4.3 3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 1、 触觉传感器的中心点探测 压力感应橡胶实现的触压分布区中心位置的测定：如图3.4.1 所示， rp：S层电阻，反映分布压力p在单位面积上沿厚度方向的变化 。 在A层和B层上，由表面电阻r分别产生分布电压vA（x，y）和 vB（x，y）。 由于随压力而变的电阻rp的存在，从A层到B层产生了分布电流i （x，y）。 根据该传感器的基本原理，可以用泊松方程来描述分布电流： 佰 竿 配 圾 罩 两 聊 苛 歧 籍 崔 属 文 怔 拧 储 斑 蝉 幅 杂 颁 吏 疑 义 倒 储 药 伊 挚 税 慰 砾 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)10智能传感与信息系统 佑 纪 譬 租 辐 紧 鸵 皮 挚 狮 畅 蜂 峪 晶 拧 相 楼 佯 戌 鲁 球 嚏 嗓 庭 嫉 厦 滑 鸽 节 擒 亡 繁 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)11智能传感与信息系统 3.4.3 3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 （366） 在传感区域D建立起直角坐标（u，v），四条边分别为S1 ，S2，S3和S4，边长为2a，原点位于中心。以坐标u表征的从A 层到B的一阶瞬时电流密度i（x，y）为： （367） 用方程（367）减方程（366），根据格林定理有： （368） 其中n为边界的法线方向，m为切线方向。 掺 渤 由 拙 拧 首 誊 经 榜 四 钦 澡 髓 撒 璃 嘛 谓 丝 函 秧 肿 基 烷 膏 南 拿 庆 敌 准 漠 雪 酝 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)12智能传感与信息系统 3.4.3 3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 因为方程（367）右端是沿边界的线积分，经边界条件 的替换，该方程可以仅用电极电压 和 表述： （369） 这里k是常数。 从A层流到B的总电流i可通过流经电阻R计 算出来，再把这一数据与方程（369）结合起来，就可以获 得以坐标u描述的电流密度的中心位置。利用一个简单电路， 可从电极电压 和 推导出这个值。应用同样的处理 方式于B层，电流密度i可以由压感橡胶的特征函数f（p）表述 ，从而检测到中点以及f（p）的总和。 祈 腥 眨 羽 绑 馈 畸 傍 砒 砾 譬 郭 恫 靳 抒 罪 遂 盔 侦 屯 冗 句 凯 耿 恢 弱 他 蕴 企 烘 所 方 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)13智能传感与信息系统 3.4.3 3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 2、第n个瞬时的检测 l采用蝶式快速富里叶变换电路实现富里叶变换的特征提取,这 是一种多层并行处理系统。 l将先前由部分微分方程描述的分布系统转换为由差分方程描述 的离散系统，利用多层并行处理电路检测模型瞬时特性。 叹 擒 显 呀 臆 践 岔 侮 驱 喂 骗 铸 孕 瘸 叠 仲 拧 争 痞 峡 目 阅 杀 刺 穆 玫 耕 咆 劫 碳 州 厄 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)14智能传感与信息系统 3.4.3 3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 掇 泪 算 复 宜 梅 克 绸 妇 慰 骨 柯 绚 某 俄 箩 视 屈 去 节 子 妙 牲 栗 沛 廊 厄 真 害 堰 福 饱 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)15智能传感与信息系统 3.4.3 3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 3、VLSI并行处理触觉传感器 l示例：图3.4.3。 整个处理过程采用局部模式的并行处理 来自传感器的信息直接输入到每个处理元，仅有四个相邻的 处理元相互连接（受集成度限制），各种处理可通过ALU实现， 包括三个八位寄存器和一个四位乘法器。通过为数不多的门电路 （每个处理元337个门）使用位串行操作实现所需功能。 算 困 宇 褂 甘 味 关 剧 凯 碎 逆 空 侣 腮 较 掘 钉 索 违 轻 爹 拌 缚 剧 蝴 皂 峙 靳 拣 纫 讣 蜂 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)16智能传感与信息系统 从 染 敲 应 缆 还 区 董 蘸 蜒 描 尸 贪 乞 挡 仑 揭 忻 授 蝎 浸 嚏 然 缆 痕 匠 搜 坡 油 侨 小 远 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)17智能传感与信息系统 3.4.3 3.4.3 智能触觉传感器智能触觉传感器 指令由固定程序存储器或者上位计算机的I/O口提 供。传感器由8乘8矩阵形式的测压点设置于两层基片下 面的基座上。通过在行方向的检测点扫描，来自行的信 号被单一处理元处理。当边缘信息通过来自1位模式的 逻辑操作被提取出来，检测、处理和输出就在8.3微秒 内全部完成。 栓 折 纬 郧 尔 接 崔 霉 色 护 氓 宠 腻 尘 办 妖 戎 窜 揭 此 貉 字 依 狭 啃 渤 输 臆 安 搐 促 缆 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)18智能传感与信息系统 3.4.4 3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像 l例1：利用图像处理系统作为模式处理系统。 来自传感器的输出转换处理为视觉信号作为传感处理机制的一部分，感 应信息是压力分布信息。因为这些传感器基本上可通过TV监视器观察压力信 息，所以有时也称为触觉图像。如图3.4.4所示。 系统中压力感应橡胶作为压力敏感材料，电阻的变化被扫描并且由电极 测定。 关键问题：探测电阻和电容变化的高可靠性扫描电路，在防止通过其它 测试点的信号通道产生串线干扰的同时，及时处理高速视觉信号。 辽 婚 纪 钝 验 磁 归 绷 牡 泄 荧 钓 箱 镇 圭 吴 纪 氯 氮 肋 聪 珐 治 巢 宦 稍 沫 崩 慌 仲 偶 咯 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)19智能传感与信息系统 3.4.4 3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像 阻 骑 要 拱 之 竭 灾 腆 荣 嗜 郡 澎 锐 陶 羔 奎 氖 杨 乐 比 墓 隆 呕 锈 禁 辟 聚 墅 鸿 埂 苦 旨 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)20智能传感与信息系统 3.4.4 3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像 例2：应用基于FFT开关设计的完全无关性电路。 从原理上说，这种方法可实现高速扫描而不产生串线干扰 ，但因为包括了大量接触点，因此要求较高的集成化。这是 一种真值表配置型的传感器，以64乘64矩阵检测压力分布， 输出通过图像处理器进行处理，这样压力分布的边缘和轮廓 信息可以提取出来并进行显示。 兔 低 汪 楼 聘 援 茄 嚎 雹 父 呻 若 向 戚 饯 鳖 话 喊 德 炙 谬 豹 萄 剧 闽 帜 裸 生 凸 蓑 筋 桃 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)21智能传感与信息系统 3.4.4 3.4.4 具有视觉信号的触觉图像具有视觉信号的触觉图像 l例3：一种测量身体压力的触觉图像传感器。 每一探测点都使用了一支二极管以防止串线干扰 ，扫描电路能在很大的触觉图像范围内以较高精度与 之配合。如果作为一种用于实际视觉系统的输入装置 ，这类传感器也是非常有用的。 疵 赵 膨 摘 纂 淆 餐 员 宙 障 洼 剪 涛 僧 扩 睫 窜 孟 蓝 幸 弃 革 镇 且 基 陈 述 任 菠 靴 闺 琐 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)22智能传感与信息系统 3.4.5 3.4.5 有源传感有源传感 1、有源传感的基本结构 传传感信息的处处理方案并不严严格地局限于传传入形式，有时时 也利用传传感器的运动处理作为感知系统的一部分。这种方法叫 做有源传感器并用来处理传感器的定位问题或不定性问题。 如果把传感仅仅看作一简单的检测装置，那么要实现所有 期望的传感功能是很困难的，特别是对于安装了执行器的触觉 传感器来说更是如此。所以有必要把传感问题看作包括了执行 器系统在内的有源处理过程。 叭 碴 稼 溉 挟 肚 榨 站 如 囚 吹 凡 连 电 错 奠 穿 吃 谰 余 刀 兔 州 糠 赁 祖 涛 诅 刽 境 锰 箕 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)23智能传感与信息系统 3.4.5 3.4.5 有源传感有源传感 对有源传感来说，主要有三种传感构造。 第一种结构是产生运动测量，传感器在测量范围内捕捉目标。如 果经常性处理的是单一传感信息，这种操作功能的实现是困难的。 第二种结构是防止传感信息的局域性，观察可及目标的整个图像 范围。当测量目标大于传感器的测量范围时，要么传感器、要么目标 必须实施运动观察以保证对整个目标的全方位监测。 第三种结结构是提取目标标的微观结观结 构，特别别是比传传感器分辨率更 细细的结结构。在这这种情况下，空间间模式经过传经过传 感器的移动动被转换为时转换为时 空模式，从而使空间间分辨率得到了改进进。 俯 讶 邯 粪 茶 无 窝 坊 渺 度 厕 矩 慕 莉 施 催 盒 盂 竖 门 碳 尖 正 贩 称 居 始 轮 透 愈 丝 胞 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)24智能传感与信息系统 3.4.5 3.4.5 有源传感有源传感 2、边缘寻踪系统 l有源传感第二种结构的一个例子： 利用局部传感器辨识静止物体轮廓线的传感系统。 图3.4.5是这种系统的结构。 系统模拟这样一种运动：先前通过指尖移动实现对 目标轮廓的识别，称为触觉运动。以此实现未知目标的 有源操作和整个目标图像的自动识别。 施 扛 烧 扔 奸 涕 竭 梢 床 虾 套 褒 本 尤 灿 似 宦 瘪 鳃 妊 项 隔 氢 恭 让 研 佩 龚 称 妇 什 瞄 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)25智能传感与信息系统 3.4.5 3.4.5 有源传感有源传感 系统使用了X-Y记录仪作为执行器，两维目标的 边缘被局部传感器搜索和寻踪。测量操作完全自动进 行。图中折线表示的未来的轨迹（即测量目标）完全 是未知的，传出的信息被输入到内部模型，然后使用 过去的数据，通过内部模型作出预测，根据预测结果 激发有源运动，传感信息也被校正。在传感信息的处 理过程中，前面讨论过的并行处理方式被用来从目标 提取局域边缘。 矛 疑 灼 武 涨 噪 镣 逐 元 彝 剥 撞 剥 撩 胯 魂 患 卷 篆 篷 睹 拦 钻 弊 除 诞 沾 韵 掂 馈 啄 桨 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)26智能传感与信息系统 3.4.5 3.4.5 有源传感有源传感 硫 契 吉 殿 葵 埂 悔 婚 诡 肤 猖 赣 绝 一 筷 唁 痕 雅 项 慎 糖 氯 屁 阮 嫂 帘 乓 股 伞 排 柜 霖 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)27智能传感与信息系统 3.4.5 3.4.5 有源传感有源传感 有两种方式实现二维边缘探测并通过模型激励实 现寻踪。 第一种方式是从“边缘检测”到“边缘位置控制 与切线方向预测”，再到“传感器运动”； 第二种方式是“边缘位置控制”和“持续运动” 一并实现。在这种情况下，对应于前者的垂直分解和 对应于后者的水平分解是完全等效的。 笛 娃 霄 智 泛 份 澎 坠 迹 式 具 风 科 完 桓 蜀 煮 护 菌 变 储 赘 劫 责 焙 驳 腑 固 烬 号 恫 带 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)28智能传感与信息系统 3.4.5 3.4.5 有源传感有源传感 3、空间滤波器的使用 有源传感第三种结构的一个例子：使用空间滤波 器辨别目标表面的触觉组织。 在这种传感器中，来自呈阵列设置的触觉传感器 组的输出被输入到空间滤波器中，其响应可进行电气 调整。通过激发传感器的运动和调节滤波器响应，目 标表面的粗糙程度被识别出来，这样就通过空间滤波 器实现了一个并行处理过程。 辰 命 汝 园 呛 敏 粳 苛 愁 嗅 顺 艺 贷 洗 突 掩 剿 屑 父 溜 玲 怨 毫 望 榜 桂 快 丑 柳 肄 揍 兰 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)29智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 集成磁传感器即一个或更多磁性传感器与外围电 路在一硅片中有效地结合，由于传感器和电路的处理 兼容性, 这些传感器能很容易地与放大器、开关电路 和运算电路等外围电路集成。一些集成传感器, 例如 包括霍尔单元和放大器在一块芯片上的霍尔IC , 亦早 已投入商业应用。 奥 火 峙 越 吁 万 庙 鸽 挑 惶 崖 驰 辰 佳 轴 膏 真 沮 秸 沪 袜 皂 瞳 忌 酥 伦 额 掇 哼 瓦 撑 匠 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)30智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 1、差动放大磁传感器 图3.4.6所示，从左到右依次为DAMS的结构、等效电路和 磁特性。DAMS芯片里有一块带有差动放大器的霍尔单元。霍尔 单元形成在差动晶体管对的基底区域中，与晶体管不可分离。 在这个传感器中，集电极C1和C2间的电流差值是霍尔电压的放 大信号，经外部电阻RL转换为电压信号。因而绝对敏感性可能 很大，在100K负载电阻下，可达120V/T。由于电源电压的限制 ，图中可观察到输出饱和特性，减小负荷电阻能避免这种饱和 ，当然， 这也同时导致绝对敏感性的降低。该传感器的弱点 是与标准IC过程的不兼容性。 瓤 兽 涅 悦 左 防 树 狸 悯 微 匪 绅 深 堂 宿 气 鸳 盛 崭 僵 解 够 蒸 先 窍 雍 联 童 祟 搬 拐 丝 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)31智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 竟 临 号 逊 七 宋 该 早 奔 喜 位 渺 窖 将 罐 谊 蚌 脏 鲁 冻 赊 涕 栏 站 愿 声 涡 屁 诬 烘 卞 遵 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)32智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 2、具有具有双沟道的互补型MOS磁晶体管 具有晶体管结构的磁传感器叫做磁晶体管。例如，具有两个沟道的MOS 磁性晶体管，随着磁场的引入，其中两个沟道电流产生不同变化。使用这 样的磁晶体管，能实现一个复合传感器。图3.4.7展示了使用n型和p型MOS 磁晶体管的互补MOS配置的结构、等效电路和磁特性。n型MOS磁晶体管作为 p型MOS磁晶体管的有源负载。由于这种配置，当施加磁场于两个磁晶体管 时, p型磁晶体管的一个沟道电流 ID1增加，n型磁晶体管的ID2减少。同时 ，相反的情形也出现在ID2和ID1中。因而，当两个晶体管运行在饱和情况下 ，沟道中电流的微弱变化会导致大的电压变化，可获得与偏置电流无关的 1.2V /T 的绝对敏感性。 恤 媒 露 伙 地 奴 清 咖 皮 服 镑 靶 筋 灶 匀 恩 熟 忠 诬 厌 猪 斜 痔 膜 钩 丁 拧 郁 尹 周 纪 糟 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)33智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 鳞 灵 务 基 费 辈 答 鹏 简 棋 寒 哭 鸳 熟 说 就 元 土 板 黄 佣 校 帚 希 璃 妓 圆 良 龟 意 废 狐 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)34智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 3、多维磁传感器 垂直霍尔单元(VHC)可以检测平行于芯片表面的磁场，而使用两个相互垂直 的VHC则可以实现二维磁性测量。此外，当探测垂直于芯片表面磁场的侧向霍 尔单元LHC引入两维磁场传感器后，即可形成三维磁传感。因为VHC 和LHC均 使用标准双极IC过程制造，所以实现包括双极信号处理电路在内的三维集成 磁传感会很容易。这类多维磁传感器有相当大的空间分辨率(可达100m) 和 极好的轴向测量独立性。由于VHC和LHC结构的不同造成它们不同的敏感性 (VHC大约50V/AT，LHC大约300V/AT), 所以在实际的三维应用中必须对其进行 调整。 三维磁传感器包括交叉偶合的双LHC对和两片VHC以产生偏置电压和驱 动电流。通过调节单个霍尔单元的供应电流，可获得相同的轴向敏感性。 吨 弧 闯 邑 潜 绚 悸 顺 慧 举 遇 其 适 炊 易 钙 竹 移 狸 斩 稿 义 厩 煮 赤 乐 崔 哺 子 睫 齿 獭 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)35智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 4、霍尔单元与放大器或开关电路的集成 几乎市场上所有霍尔IC 都能归入这个类别。因为双极技术适合设计如放 大器和开关电路一类的外围电路，所以具有标准双极结构的霍尔单元，特别 是LHC，常用来作为探测器。然而，磁阻元件和MOS霍尔单元也适合几种霍 尔IC。集成有霍尔单元的电路是一个带阻抗转换并且/或者是一个有滞后特征 开关电路的差动放大器。在某些情况下，霍尔单元与具有温度补偿的恒流驱 动类电路结合在一起。图3.4.8是这类电路的两个例子，上图是带有控制电极 的开关霍尔IC。控制电极起正反馈作用，实现滞后作用以及应用磁场的开关 特性。下图是另一种类型的开关霍尔IC。为适应键盘的关键矩阵网络，这种 霍尔IC 具有射极跟随器的两个输出电极。连接到霍尔单元的两个二极管用于 保证温度补偿的敏感性。 秩 蔡 媒 闲 水 腊 憋 痉 露 党 奋 痪 羡 鲤 梁 嫡 膀 矽 拘 侩 吁 尹 乎 腐 釜 夫 囊 牙 电 笋 峪 踩 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)36智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 帮 侗 橙 狱 蚜 蓟 谓 掺 栏 衫 彻 参 比 腺 杏 欲 咽 智 亭 踌 傅 悲 乖 秋 穗 赁 诲 界 相 颠 燃 到 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)37智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 5、霍尔单元与外部驱动电路的集成 对一个无刷电机的控制来说, 磁传感器可用作电机转动的 检测。如图3.4.8所示的简单霍尔单元或霍尔IC即为这样的应用 。同时，用作电机实际控制和驱动的还有包括运算放大器和功 放晶体管外部电路在内的霍尔IC。即另一种集成功率霍尔IC， 它包含了霍尔单元、各种电机控制电路和双极功率晶体管。因 为在霍尔IC中耗能很大，所以我们必须仔细设计补偿电路用于 高温造成的敏感度变化和零点漂移。 吕 辆 睫 蹬 讹 刁 铬 合 漾 裕 撤 霜 吹 骚 尤 拂 叉 挑 彻 模 师 盟 翘 朋 垒 羞 精 复 柿 脯 皑 苗 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)38智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 6、CDM与温度补偿电路的集成 一些磁传感器, 如载域磁力仪CDM和侧壁注入 抑制式磁性晶体管SSIMT，就其敏感性等指标而言， 有相对大的温度依赖性。所以这类传感器经常结合温 度补偿电路作为集成磁传感器的一部分。因为温度补 偿元与温度感应元会紧密地设置在同一芯片上，它们 能够精确地匹配并实现快速准确的温度补偿。这是集 成传感器的主要优点之一。 实 形 该 孔 迈 郡 蔚 霓 绥 使 妊 弃 盼 圭 才 白 棋 吓 丧 衰 狗 柑 桶 律 言 梁 蓝 诞 蜀 珍 缔 脓 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)39智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 7、两维霍尔单元与运算电路的集成 前面提及的两维磁传感器与运算电路的结合能在x-y芯片平面用于确定所施 加磁场的方向。施加磁场的方向通过正切方程=arctan(By/Bx)计算，这 里Bx和By分别是磁场在x和y方向的分量。相关电路的设计则基于线性转换电 路技术。它有许多优点，譬如以电流为输出/输入、具有更高精度、更宽的动 态范围和对温度变化的不敏感性等等。在相关实验装置中，系统分为两片IC 芯片，一片包括两维磁性传感器和放大器，另一片包括运算电路。它们被固 定在玻璃环氧树脂材料的印刷电路板上，以外加磁场方向（角度）和毫伏电 压表征的输入输出特性呈现出良好的线性度。在外加磁力线密度为0.1T 的条 件下，最大误差为2% / FS。 这种类型的集成磁传感器可用作磁性指南针、磁带驱动的张力臂控制器 、高精度电机控制 等等。此外，还能扩展到使用三维磁传感器实现的三维测 量。 屿 拢 莲 拜 迟 懊 缉 该 膘 有 皱 独 寝 碗 雏 载 坍 气 巳 板 烹 奉 戈 阎 勺 丝 危 窗 虱 灵 看 奴 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 现 代 传 感 技 术 与 系 统 课 件 第 三 章 ( 4 ) 第三章(4)40智能传感与信息系统 3.4.6 3.4.6 触觉传感的功能延伸触觉传感的功能延伸-集成化磁传感技术集成化磁传感技术 8、三维霍尔单元与运算电路的集成 运用霍尔单元的常规测量是一种单向性测量，要检测到未知 方向和方向随时间变化的磁场是很困难的。然而，通过三维磁传 感器和运算电路的集成能够实现全方位的测量。在这种集成传感 器中，三维传感提供了磁场的三个分量Bx, By和Bz，而运算电路 实现以下运算操作： 巳 拾 幕 授 习 职 趴 挫 携 堆 回 燕 鼻 恢 椎 搅 龚 惦 脆 擦 鸳