集成传感器(包括压敏、磁敏、温敏、光敏传感器)

1、第五章第五章 集成传感器集成传感器 集成传感器集成传感器将将敏感元件敏感元件、信号信号调理电路调理电路（如放大器、（如放大器、滤波电路滤波电路、整形电路整形电路、运算电路）、运算电路）、补偿电路补偿电路、控制电路控制电路（如地址选择、移位寄存（如地址选择、移位寄存电路）或电路）或电源电源（如稳压源、恒流源）（如稳压源、恒流源）等制作在同一芯片上，使传感器具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简

2、单连接、无需外接变换电路的优点。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集成压敏传感器依照敏感元件的不同分为两类：同分为两类： 1 1）硅电容式集成压敏传感器：敏）硅电容式集成压敏传感器：敏感元件为电容式元件感元件为电容式元件 2 2）扩散硅集成压敏传感器：敏感）扩散硅集成压敏传感器：敏感元件为电阻式压敏元件元件为电阻式压敏元件一、硅电容式集成传感器一、硅电容式集成传感器 构成：构成：硅压力敏感电容器硅压力敏感电容器、转换电、转换电路和辅助电路三部分构成。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，再由信号

3、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。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在基地材料（如玻璃）上镀制一层金属薄膜（如（如Al膜），作为电容器的一个极板，另一个极膜），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。基底材料键合在一起。2、硅敏感电容器原理dSdSCr0S 两平行极板所覆盖的面积；两平行极板所覆盖的面积；d 两平行极板之间的距离；两平行极板之

4、间的距离； 极板间介质的介极板间介质的介电常数；电常数； 0 真空介电常数（真空介电常数（8.85410-12 Fm-1） r 介质相对真空的介电常数，介质相对真空的介电常数， r空气空气1，其它介质其它介质 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）圆形膜结构圆形膜结构：将敏感电容和参：将敏感电容和参考电容分开，两个电容的硅膜考电容分开，两个电容的硅膜半径均为半径均为a，电容极板的半径，电容极板的半径均为均为b。环形膜结构环形膜结构：将两种电容器合：将两种电容器合二为一，它在半径为二为一，它在半径为a的硅膜的硅膜上镀制半径为上镀制半径为b

5、1的圆形电极的圆形电极板，作为测量电容；在测量电板，作为测量电容；在测量电容极板的外围镀制内、外径分容极板的外围镀制内、外径分别为别为b2和和b3的同心圆环，作的同心圆环，作为参考电容。为参考电容。2、测量电路电容变化电容变化电信号电信号 1 1）电容电容电压电压: :采用交流电源激励，并通过采用交流电源激励，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关的电压信号，用电压信号反映出外部压力的变化。的变化。 2 2）电容电容频率频率: :将压力敏感电容作为振荡电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

6、电压路的电容元件，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样可以用频率信号的形式反映外部压力的变化。化。交流信号激励Up通过耦合电容通过耦合电容Cc为电路供电（方波、正弦为电路供电（方波、正弦波等）波等）正半周正半周: :电荷从电荷从B VD2 CxB VD2 Cx充电；充电； 从从A VD3 C0A VD3 C0充电充电; ;负半周负半周: : 放电放电 Cx VD1A; C0VD4BCx VD1A; C0VD4B无外力作用无外力作用，Cx=C0,Cx=C0,电荷电荷转移量相等转移量相等。有外力

7、作用有外力作用， CxCxC0C0，从，从B B转移转移A A的电荷大于从的电荷大于从A A转转移移B B的电荷的电荷, ,导致导致A A电位高电位高于于B B电位，减少了从电位，减少了从B B转移转移A A的电荷，增加了从的电荷，增加了从A A转移转移B B的电荷，最终达到平衡的电荷，最终达到平衡。平衡后平衡后，A A、B B点电位差点电位差=Uo=Uo，Ua=0.5Uo;Ub=-Ua=0.5Uo;Ub=-0.5Uo.0.5Uo. QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx QAB=(Up+0.5U0-QAB=(Up+0.5U0-Ua)C0 Ua)C0 用

8、由用由Rf、Cf构成的低通滤波器滤构成的低通滤波器滤去交流的激励的高频电压成分后，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输出端就只留下一个直流信号U0设设C,D点寄生电容点寄生电容Cp 2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=- Cx+C0+2Cp 在集成电路中在集成电路中CpCp数值较小而稳定，它对数值较小而稳定，它对U0U0的影响小而且稳定，即的影响小而且稳定，即CxCx可以做的较小可以做的较小而仍能获得较大的信号和分辨率。此外通过而仍能获得较大的信号和分辨率。此外通过选择适当的选择适当的C0C0使它与零压力时使它与零压力时CxCx值相等，在值相等，在初始状态的输出初始状态的

9、输出U0U0就等于零。就等于零。 由于二极管的正向压降不仅对灵敏度由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要求。改进的方法是，把四个二极管换成为四个四个MOSMOS晶体管，适当控制四个晶体管的导晶体管，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通和截止可以他们像二极管一样起到整流作用。用。 3、CP8型集成压敏传感器u输出缓冲电路：输出缓冲电路：两级射极跟随器进行阻抗变换。两级射极跟随器进行阻抗变换。u振荡器：振荡器：阻容式自激振荡器，由于阻容式自激振荡器，由于VT1

10、和和VT2各自处于直流电压负反馈的工作各自处于直流电压负反馈的工作状态，由于状态，由于C1和和C2的耦合作用，电路产生自激振荡。的耦合作用，电路产生自激振荡。压力敏感元件：压力敏感元件：包括低通滤波器。包括低通滤波器。u放大器：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。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，更主要的是补器不仅体积小、成本低，更主要的是补偿电路中起补

11、偿作用的元件与磁敏元件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，因此能够得到较完全处于同一温度中，因此能够得到较好的温度补偿效果。好的温度补偿效果。敏感元件：压敏电阻压敏电阻R R1 1RR4 4。测量电路：压敏电阻压敏电阻R1R4R1R4构成的电桥。构成的电桥。设压敏电阻的灵敏度为设压敏电阻的灵敏度为K K， 且且R1 = R3 = R0 + KPR0R1 = R3 = R0 + KPR0、 R2 = R4 R2 = R4 = R0 - KPR0= R0 - KPR0，则：，则：V0 = VBKP辅助电路：温度补偿电路，由电阻温度补偿电路，由电阻R5R5、R6R6和晶体管和晶体管

12、VTVT构成的温度补偿网络。构成的温度补偿网络。若若VTVT的基极电流比电阻的基极电流比电阻R5R5、R6R6的电的电流小得多，晶体管的集电极流小得多，晶体管的集电极- -发射极电发射极电压为：压为：电桥的实际供电电压电桥的实际供电电压VBVB为：为：电桥电桥输出电压输出电压为：为：温度补偿：T TV VbebeV VceceV VB B，另一方，另一方面，面，T TV V0 0。电桥输出电压的温度系数为： 可见，通过适当选取可见，通过适当选取R R5 5、R R6 6的的比值比值, ,可以使输出电压的温度系可以使输出电压的温度系数为零，也就是说通过电路参数为零，也就是说通过电路参数的设定可以

13、补偿电路的温度数的设定可以补偿电路的温度误差。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。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（其典型的工作温度范围是（-50+150-50+150） ，具体数值因型号和封装形式不同而不同。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。抗低，易于同独处或控制电路借口。 电

14、流输出型：输出阻抗极高，可以简电流输出型：输出阻抗极高，可以简单的使用双股绞线传输数百米远。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。外，还便于与数字化器件如计算机相连接。一、PTAT核心电路1 1、PTATPTAT基本电路基本电路 基本原理：基本原理：BGBG1 1、BGBG2 2结构和性能完全结构和性能完全相同，在电阻相同，在电阻R R1 1上得到的两晶体管上得到的两晶体管BGBG1 1、BGBG2 2的基极的基极- -发射极电压差为：发射极电压差为： 式中：式中：J Jc1c1和和J Jc2c2分

15、别是分别是BGBG1 1和和BGBG2 2管的管的集电极电流密度。集电极电流密度。由上式可知，只要设法保持两管的集电极由上式可知，只要设法保持两管的集电极电流密度之比不变，那么电阻电流密度之比不变，那么电阻R R1 1上的电压上的电压 V Vbebe 将正比于热力学温度将正比于热力学温度T T。设两管增益极高，因此基极电流可以忽略，设两管增益极高，因此基极电流可以忽略，即集电极电流等于即集电极电流等于发射极发射极电流，则：电流，则： V Vbe be = R= R1 1I Ic2c2 由此可知电流由此可知电流I Ic2c2、I Ic1c1 和和R R2 2 上的电压正比上的电压正比于绝对温度。

16、电路总电流于绝对温度。电路总电流(I (Ic1c1+I+Ic2c2) )也正比也正比于绝对温度。这种电路称为于绝对温度。这种电路称为PTAT( Proportional To AbsolutePTAT( Proportional To Absolute Temperature)Temperature)核心电路。核心电路。2 2、温度测量电路、温度测量电路 PTAT PTAT核心电路的关键在于核心电路的关键在于两管的集电极电流密度之比两管的集电极电流密度之比（J Jc1c1/J/Jc2c2）不随温度变化）不随温度变化，为此，为此，供电电源采用电流镜。供电电源采用电流镜。 电流镜由结构、特性和发射

17、电流镜由结构、特性和发射结偏压完全相同的结偏压完全相同的BGBG3 3、BGBG4 4组组成，若两只管子的输出阻抗和成，若两只管子的输出阻抗和电流增益均为无穷大，流过电流增益均为无穷大，流过BGBG1 1和和BGBG2 2的集电极电流在任何温度的集电极电流在任何温度下始终相等。下始终相等。实际制作时，有意将温敏实际制作时，有意将温敏对管对管BGBG2 2 、BGBG1 1的发射极面的发射极面积制作成不相等的，其面积制作成不相等的，其面积比为积比为n n，这样的集电极电，这样的集电极电流密度比为面积的反比，流密度比为面积的反比，这样，在电阻这样，在电阻R R1 1上将得到上将得到两管的基极两管的

18、基极- -发射极电压差发射极电压差为为： V Vbe be 的温度系数仅取决于的温度系数仅取决于n n，而，而n n与温度无关。与温度无关。 n n是可以严格控是可以严格控制的，可以把制的，可以把BGBG2 2的发射极设计成条形，而的发射极设计成条形，而BGBG1 1的发射极则为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数比。因此，电路输出端的总电流I I0 0为为：电流输出型电流输出型温度传感器的输出电流具温度传感器的输出电流具有很宽的工作电压范围有很宽的工作电压范围 (430V)，电

19、，电阻阻R1要选用高稳定的金属膜电阻，对要选用高稳定的金属膜电阻，对其阻值进行严格控制，从而保证传感其阻值进行严格控制，从而保证传感器的精度。器的精度。 电压输出型电压输出型温度传感器中，温度传感器中，BG5的发射结电压与的发射结电压与BG3、BG4相同，相同，又具有相同的发射极面积。于是流过又具有相同的发射极面积。于是流过BG5和和R2支路的电流与另两支路的电流与另两支路电流相等，所以输出电压为：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AD590AD590概述概述u在在2525(298.20K)(298.20K)时输出电流：时输出电流：298.20298.20 A Au供电

20、电压：供电电压：+430V+430Vu测量范围：测量范围：-55-55+150+150u灵敏度：灵敏度：0.10.1 A/A/u封装形式：封装形式：TO-52TO-52、片状、片状 TO-52TO-52：三端封装器件，直径：三端封装器件，直径6.84mm6.84mm、高、高3.81mm3.81mm（不含引（不含引线），适合对流体（空气、液体等）线），适合对流体（空气、液体等）的的“点点”温度测量。温度测量。 片状封装：厚片状封装：厚1.27mm1.27mm、宽、宽2.36mm2.36mm、长长6.35mm6.35mm（不含引线），适合于表（不含引线），适合于表面温度测量。面温度测量。 BG B

21、G1 1、BGBG2 2为温敏晶体管，两者的发射为温敏晶体管，两者的发射结面积比为结面积比为8:18:1。 (BG (BG3 3-BG-BG4 4) )、(BG(BG5 5-BG-BG6 6) )构成恒流源，为构成恒流源，为温敏晶体管提供恒定的集电极电流，温敏晶体管提供恒定的集电极电流，I Ic1 c1 = I= Ic2c2。 差分对管差分对管BGBG9 9、BGBG1010作为作为(BG(BG3 3-BG-BG4 4) )、(BG(BG5 5-BG-BG6 6) )的负反馈器件，起到进一步的负反馈器件，起到进一步消除由于制造工艺的不足造成消除由于制造工艺的不足造成BGBG1 1、BGBG2

22、2不对称而对不对称而对 V Vbebe的影响。的影响。 BG11与与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的发射极电流而同样具有随温度变化而变化的特性。温度变化而变化的特性。 电阻电阻R1、R2采用接近零温度系数的薄膜电阻，通过激光修正。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。在外加电源反极性接入时起到对电路的保护作用。理想温度灵敏度为理想温度灵敏度为1 1 A/A/。实际的

23、温度灵敏度与实际的温度灵敏度与理论值有所偏离。理论值有所偏离。误差有两种：斜率误误差有两种：斜率误差和平移误差。差和平移误差。为了提高测温准确度，为了提高测温准确度，需要进行校正需要进行校正。外接电源过小时，传外接电源过小时，传感器的温度灵敏度随感器的温度灵敏度随外加电源电压的上升外加电源电压的上升而上升；当外加电源而上升；当外加电源大于大于3V以上后，传以上后，传感器的温度灵敏度随感器的温度灵敏度随外加电源电压的变化外加电源电压的变化而变化。因此，外加而变化。因此，外加电源必须大于电源必须大于4V，否则，外部电源的波否则，外部电源的波动将对电路的输出产动将对电路的输出产生影响。生影响。对于阶

24、跃温度输入，对于阶跃温度输入，器件的输出响应为器件的输出响应为一阶系统，时间常一阶系统，时间常数数 随热交换条件而随热交换条件而异，再热交换条件异，再热交换条件好的情况下一般约好的情况下一般约23s就可达到稳定就可达到稳定误差补偿误差补偿n“一点校正法”：仅对某一温仅对某一温度点（度点（0或或25）进行校正。）进行校正。如果如果AD590在校正点（如在校正点（如2 5 ） 时 输 出 电 流 并 非） 时 输 出 电 流 并 非298.2 A，那么，调节，那么，调节Rw使使电 路 输 出 电 压 值电 路 输 出 电 压 值 VT为为298.2mV即可。即可。n“两点校正法”：电路中电路中AD

25、581是是10V的基准电压，先使的基准电压，先使AD590处在温度为处在温度为0的环境中，调节的环境中，调节Rw1，使，使Ut = 0V；再；再将将AD590置于置于100的温度环境中，调的温度环境中，调节节Rw2，使，使Ut = 10.00V。这时输出电压。这时输出电压的温度系数为的温度系数为l00mV/。集成温度传感器还有一种集成温度传感器还有一种电压输出型电压输出型器器件，其基本电路与电流型无多大区别，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只是将温敏差分对管的两个V Vbebe之差之差 V Vbebe引出。电路由引出。电路由温敏晶体管温敏晶体管、稳压电稳压电路路和和运

26、算放大电路运算放大电路三部分构成。例如三部分构成。例如 PC616PC616，器件的温度系数为，器件的温度系数为10mV/K10mV/K，四端四端T0-5T0-5封装。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，出现了将测温路调试的工作量。为此，出

27、现了将测温比较比较控控制电路集成为一体的温度测量与控制电路，称作集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。成温控开关。AD22105AD22105由由 Analog DeviceAnalog Device公司开发，集公司开发，集温度测控温度测控于一体。是一个单电源半导体固态温控开关，它在于一体。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。和输出级的功能组合。6 6 脚外接一只脚外接一只预置电阻预置电阻，可以在，可以在- -4040到到+150+150的工作温度范围的工作温度范围内

28、设置，在环境温度超过所设置内设置，在环境温度超过所设置的温度点时，电路通过一个集电的温度点时，电路通过一个集电极开路输出端（极开路输出端（2 2 脚）输出脚）输出开关开关控制信号控制信号。温度控制点设置的外接设置电阻温度控制点设置的外接设置电阻接于接于6 6脚与接地引脚（脚与接地引脚（3 3脚）之间，脚）之间，设置电阻设置电阻R Rsetset由以下公式决定：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。 ：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，使温电路内置一个施密特触发器，使温度

29、控制有大约度控制有大约4 4的迟滞。的迟滞。芯内置一个可选的芯内置一个可选的200k200k上拉电阻，上拉电阻，可直接驱动一个低功耗可直接驱动一个低功耗LEDLED指示灯。指示灯。外形结构小外形结构小( (包括引脚包括引脚1.75mm1.75mm5mm5mm6.2mm6.2mm。) )可于可于工业过程控制、热控制系统、工业过程控制、热控制系统、 CPUCPU监控、计算机热管理电路、监控、计算机热管理电路、风扇控制、手持风扇控制、手持/ /便携电子设备等。便携电子设备等。温控点电阻精度和热漂移的影响综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：合考虑后，可以用以下方程计算：R R

30、MAX MAX = R= RNOMNOM (1+) (1+) (1+(1+ K Kt t(T(TSETSET 2525) )5、3 集成磁敏传感器分类：按工作原理分类：按工作原理1)1)根据根据法拉第电磁感应原理法拉第电磁感应原理制成的制成的结构型结构型传感器。这种结构型磁传感器只能检测到磁传感器。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，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。而且难以小型化。2 2）利用）利用导体或半导体的磁电转换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特性，将磁场信息变换成相应的电信息的的物性型物性型磁磁

31、传感器，物性型传感器既能检测直流磁场，又能检传感器，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。测交流磁场，而且灵敏度高、可靠性好。 按输出功能按输出功能1 1）开关型）开关型 2 2）线性型）线性型 按工作机构和工艺按工作机构和工艺1 1）双极型）双极型 2 2）MOSMOS型型一、开关型集成磁敏传感器1 1、基本构成、基本构成霍尔元件霍尔元件：在：在0.1T0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20 mV20 mV左右的霍尔电压，当有负载时输出左右的霍尔电压，当有负载时输出10 mV10 mV左右的霍尔电压。左右的霍尔电压。差分

32、放大器差分放大器：将：将V VHH放大，以便驱动后一级整形电路。放大，以便驱动后一级整形电路。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。：施密特触发器把放大器输出整形为矩形脉冲。输出管输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开：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。，使用方便。电源电路电源电路：包括稳压和恒流，用以改善集成磁敏传感器的温度：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。性能，提高

33、集成磁敏传感器工作电源电压的适用范围。2 2、工作原理、工作原理初始状态：初始状态： B = 0B = 0，霍尔元件输出为：，霍尔元件输出为：V VHH = V = VH1H1 - - V VH2H2 = 0 = 0。 BG BGl l和和BGBG2 2管导通，管导通， I Ic2c2I Ic1c1，输出电压，输出电压V Vb3b3V Vb4b4，BGBG3 3优先导通优先导通。由于集电极电流并有如下的正反馈过程：由于集电极电流并有如下的正反馈过程： uIc3 Vb4Ic4Ve3Vb3Ib3 _|u正反馈正反馈BG3饱和导通、饱和导通、BG4截止截止Vc4 EBG5截止截止BG6、BG7、BG

34、8截止。截止。u输出三极管输出高电平，即输出三极管输出高电平，即Vc7=Vc8=V0H E。 u初始状态下施密特触发器初始状态下施密特触发器BG3和和BG4的发射极电位的发射极电位Ve3决定于决定于BG3的饱和电流的饱和电流Ices3和和BG3、BG4管共用射极电阻管共用射极电阻Re，即，即Ve3 = Ices3Re。第一次翻转第一次翻转B B 0 0，霍尔元件输出为：，霍尔元件输出为：V VHH = V = VH1H1 - V- VH2H2 0 0。（V Vb1b1 、 V Vb2b2 ）（ V Vb3b3 、V Vb4b4 ）。V Vb3b3V Ve3e3+0.6V+0.6V时，时，BGB

35、G3 3入放大状态入放大状态，并且：，并且：V Vb3b3I Ic3c3V Vb4b4I Ic4c4V Ve3e3 _|最终，导致最终，导致BG4饱和导通而饱和导通而BG3截止，截止，BG4的集电极处于低电位，即：的集电极处于低电位，即：V c4 = Ve4+Vces4式中：式中：Vces4为为BG4的饱和压降。的饱和压降。Ve4=Ices4Re ， Ices4 即即BG4饱和电流，饱和电流， Re即即BG3、BG4共用射极电阻。共用射极电阻。结果，电路输出状态由高电平结果，电路输出状态由高电平VOH翻转为低电平：翻转为低电平：Vc7=Vc8+VOL 0.4V。BG4饱和导通BG5导通BG6导

36、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称为导通称为导通磁感应强度。记为磁感应强度。记为B(HL)，相应的，相应的Vb3值记为值记为Vb3(H L)。 第二次翻转第二次翻转 V Vb3b3V Ve4e4+0.6V+0.6V时时BGBG3 3由截止进入放大由截止进入放大状态。且：状态。且： Vb3Ic3Vb4Ic4Ve3 结果，导致结果，导致BGBG3 3饱和导通、而饱和导通、而BGBG4 4截止。截止。 BGBG4 4集电极恢复初始状态（高电位），集电极恢复初始状态（高电位）， BGBG7 7和和BGB

37、G8 8截止截止，输出管翻转到高电，输出管翻转到高电V VOHOHBVHVc1（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称为称为截止截止磁感应强度磁感应强度，记为，记为B(L H)，相应的，相应的Vb3值记为值记为Vb3(L H)。施密特触发器存在滞后效应，因此，施密特触发器存在滞后效应，因此，Vb3(HL) Vb3(LH)，其滞环宽度，其滞环宽度 Vb3为：为：Vb3=Vb3(LH) - Vb3(HL)=(Ve4 + 0.6V) - (Ve3 + 0.6V) =Ve4 - Ve3=(Ices4

38、 - 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：为： B = B(HL) - B(LH)二、开关型集成磁敏传感器特性1、磁特性磁特性 导通磁感应强度导通磁感应强度 B(HB(HL)L)是是指开关型集成磁敏传感器输出状态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，实现由由高电平向低电平翻转，实现由“关关”态到态到“开开“态动作所必须的作态动作所必须的作用于霍尔元件的磁感应强度。一般用于霍尔元件的磁感应强度。一般B(HB(H L) L)值为值为0.035T0.035T0.075T0.07

39、5T。截止磁感应强度截止磁感应强度B(L H)是指开关型集成磁敏传感器输出状态由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，实现由低电平向高电平翻转，实现由“开开“态到态到“关关“态动作所必须的作用态动作所必须的作用于霍尔元件的磁感应强度。在参数表给出的于霍尔元件的磁感应强度。在参数表给出的B(L H)值一般指它的最值一般指它的最小值。小值。磁感应强度滞环宽度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(L H)

40、。2 2、电特性、电特性 输出高电平输出高电平V VOHOH：输出端开路时的电平就是电源电压输出端开路时的电平就是电源电压E E，输出端接负载电阻，输出端接负载电阻 R RL L时，才有输出信号。当输时，才有输出信号。当输出管截止时，通过负载电阻出管截止时，通过负载电阻R RL L的只是它的漏电流的只是它的漏电流I IOHOH，输出端高电平，输出端高电平 V VOHOH为：为： 输出低电平输出低电平V VOLOL：在在B=7.5B=7.51010-2-2T T、负载电流、负载电流I IO O12mA12mA条件下测试；主要决定于输出管的饱和压降，条件下测试；主要决定于输出管的饱和压降，其规范值

41、为其规范值为 V VOLmaxOLmax0.4V0.4V。 负载电流负载电流I IOLOL：在满足输出低电平在满足输出低电平V VOLOL0.4V0.4V的条件下的条件下，输出管的集电极电流，其规范值为，输出管的集电极电流，其规范值为 I IOLOL=12mA=12mA。 CSCS型开关型集成磁敏传感器的最大负载电流为型开关型集成磁敏传感器的最大负载电流为20mA20mA。VOH = E - IOHRLE温度特性温度特性导通磁感应强度导通磁感应强度 B(HB(HL)L)、截止磁感应强度、截止磁感应强度 B(LB(LH)H)和滞环宽和滞环宽度度 B B随温度而变化的特性。随温度而变化的特性。由左

42、图可看出，导通磁感应强度的温度系数约为（由左图可看出，导通磁感应强度的温度系数约为（1.521.52）1010-4-4T/T/O OC C，是正温度系数。从，是正温度系数。从B B（H LH L）与）与B B（L HL H）特）特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为-0.2 %-0.3 -0.2 %-0.3 %O OC C，是负温度系数。，是负温度系数。由右图给出的由右图给出的CSCS型开关型集成磁敏传感器两个磁特性参数随电型开关型集成磁敏传感器两个磁特性参数随电源电压源电压E E的变化曲线。从图中可以看出，的变化曲线。从图中可以看出， B B（H

43、LH L）与）与B B（L L H H）参数在）参数在 电源电压电源电压E 6V E 6V 时，随电源电压减小而增加，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；在电源电压但滞环宽度随电源电压减小而减小；在电源电压E E 8V8V时，这时，这三个参数基本上变化不大。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、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），这种显示方面设置

44、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，不受环式的液晶显示器可以在黑暗的环境下使用，不受环境限制。境限制。具体可分为液晶盒、均光系统、背光源、反射板等具体可分为液晶盒、均光系统、背光源、反射板等几个不同的功能模块。几个不同的功能模块。 1 1、液晶盒：由前后两块玻璃板（基板）以及板之间、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玻璃、石英玻璃、硅基板等，每块基板的厚度一般为为1.1mm1.1mm，此外，还有，此外，还有0.7mm

45、0.7mm、0.5mm0.5mm、0.4mm0.4mm等等尺寸的。基板之间的液晶层只有几个微米（尺寸的。基板之间的液晶层只有几个微米（mm）厚）厚。前后基板的内侧镀以。前后基板的内侧镀以ITOITO透明导电膜透明导电膜（白膜）电极、红绿黄三色滤光片、薄膜晶体管（白膜）电极、红绿黄三色滤光片、薄膜晶体管（TFTTFT）阵列、行列扫描线等，另外还有液晶分子取）阵列、行列扫描线等，另外还有液晶分子取向膜、垫片等。向膜、垫片等。 2 2）均光系统：均光系统由透明漫射片和光控膜（）均光系统：均光系统由透明漫射片和光控膜（LCFLCF）构成。漫射片是一片塑料基片，基片上均匀）构成。漫射片是一片塑料基片，基

46、片上均匀的沉积着直径只有的沉积着直径只有7 7 （mm）左右的聚酰亚胺微粒。）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两张漫射片之间夹有一张光控膜以消除背光灯的斑点。点。 3 3）背光源：背光源通常是）背光源：背光源通常是UU形或形或WW形冷阴极荧光灯形冷阴极荧光灯（CCFLCCFL），目前少数液晶显示器也采用平面发光灯），目前少数液晶显示器也采用平面发光灯。用于。用于LCDLCD背光源的冷阴极荧光灯具有发光效率高背光源的冷阴极荧光灯具有发光效率高（80lm/W80lm/W）、寿命长（）、寿命长（2 2 10 104 4h h）、薄而轻（灯管）、薄而轻（灯管外径可小到外

47、径可小到1.8mm1.8mm）、色温高（）、色温高（8500K8500K）和抗震动）和抗震动抗冲击能力强的特点。抗冲击能力强的特点。液晶显示器结构液晶显示器结构背光照明背光照明 冷阴极荧光灯（冷阴极荧光灯（Cold Cathode Fluorescence Cold Cathode Fluorescence LampLamp）是最常见的液晶显示器背光组件的光源。）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

48、长与彩色滤光片的光谱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，其色度分布为透过率峰值几乎重合，其色度分布为CIECIE标准的标准的B B光光源（源（R R、G G、B B波长分别为波长分别为700.00nm700.00nm、546.00nm546.00nm、435.80nm435.80nm，比例关系，比例关系0.30:0.59:0.110.30:0.59:0.11，色坐标，色坐标x=0.3485x=0.3485，y=0.3518y=0.3518，色温为，色温为4870K4870K），因此，十），因此，十分适合用作液晶显示器的背光灯。分适合用作液晶显示器的背光灯。 a a）

49、启动电压与温度的关）启动电压与温度的关系 b）发光亮度与温度的关系 a a图所示为灯管的启动电压图所示为灯管的启动电压UUstartstart与温度与温度T T之间的关系，随着灯管之间的关系，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，灯管的发光亮度条件的电驱动下，灯管的发光亮度L L与温度也有关系，如图与温度也有关系，如图b b。CCFLCCFL存在一个最佳工作点存在一个最佳工作点T Toptopt，温度大于或小于，温度大于或小于T Toptopt，灯管的，灯管的发光亮度都会下降，尤其是温度小于发光亮度都

50、会下降，尤其是温度小于T Toptopt的情况下，连固定下的情况下，连固定下降很快，同时发光颜色趋于暖色，类似于降很快，同时发光颜色趋于暖色，类似于A A光源。当温度过低光源。当温度过低时，灯管不再发光。时，灯管不再发光。 为了改善为了改善CCFLCCFL的低温特性，目前可行的方法有两种：的低温特性，目前可行的方法有两种： 1 1）过功率方法）过功率方法 2 2）预热法）预热法 a a）CCFLCCFL端电压端电压V V与电流与电流I I关系关系 b b）发光亮度与电流）发光亮度与电流I I的关系的关系a 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。管的电流逐步增大，当电压升至一定量时，灯管启动。b b图：增大灯管的电流可以提高图：增大灯管的电流可以提