中科大新型传感器原理及应用课件05集成传感器

第五章集成传感器将敏感元件、信号调理电路等制作在同一芯片上，使传感器具有很高的性能。如：集成压敏、温敏和磁敏传感器。第一节集成压敏传感器两类：1）硅电容式

2）扩散硅式一、硅电容式集成传感器由硅压力敏感电容器、转换电路和辅助电路构成。1.硅敏感电容器压敏电容器,电容量与极板距离和面积有关.两种极板结构:敏感电容Cx；补偿电容C0(温度影响）圆形膜和环形膜的电容值Cx和C0分别由书中式（5-1）、（5-2）、(5-3)和（5-4）计算。由于受压力电容值变化很小（0.1~10pF),对测量电路的要求高（灵敏度、温漂）。2.测量电路电容变化→电信号1)交流信号激励→整流→电压变化.2)作振荡电容器→频率变化.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(5-5)△Qab=(Up+0.5U0-Ua)C0(5-6)设C,D点寄生电容Cp

2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=--------------------------(5-7)

Cx+C0+2Cp设Up=2V,Ua=0.6V,Cp=2pF,C0=1.7pF,一个大气压（1.33X10-3Pa)下，Cx=2.1pF,则U0=144mV.该传感器性能较好，但由于二极管正相压降，导致降低灵敏度，对激励信号幅值要求也高。3.CP8型集成压敏传感器改进型，增加MOS管控制整流；前后极增加放大电路部分，提高性能，见下图。二、扩散硅压敏传感器将补偿电路和硅压敏元件构成的全桥电路集成到一起，使之体积小、成本低，尤其温度补偿效果好。Uce=Ube(R5+R6)/R6

（5-9）UB=Uc-Uce（5-10）温度↑，Ube↓,Uce↓UB↑,补偿压阻灵敏度的降低若R1=R3=R0+KPR0;

R2=R4=R0-KPR0,则

Uo=UBKP(5-11)

则Uo与外加压力P呈线性关系；其灵敏度由压敏电阻的灵敏度K和相关电路参数决定，见书式5-13特点：补偿简单；效果较好；广泛使用。为进一步提高性能，可以将电桥输出电压的放大电路部分也集成在一个芯片内。

特点：温度补偿效果更加；抗干扰能力更强。第二节集成温敏传感器将温敏晶体管及外围电路集成在同一个芯片上，构成集测量、放大、电源供电于一体的高性能测温传感器。按输出信号分三类：1）电压型：易于直接读出（A/D）。2）电流型：便于远传（变电压后A/D）。3）频率型：便于和数字化器件连接（不用A/D）。一、PTAT核心电路采用差分对管电路（VT1,VT2).由图a),R1上电压：

△Ube=kT/qln(Jc1/Jc2)(5-15)*VT1和VT2完全相同时：

Ic1/Ic2=Jc1/Jc2有(5-14)若使电流密度比（Jc1/Jc2）不变，则：

△Ube正比于热力学温度T.若忽略基极电流，有：△Ube=R1Ic2(5-16)则Ic2正比于T,为使Jc1/Jc2不变，电流源Ic1也应该正比于T，称PTAT电路。供电电源采用电流镜,图b）中VT3、VT4,保证二者基电极电流相等（Ic1=Ic2）。实际制作时，Jc1/Jc2=n,则：

△Ube=kT/qln(n)(5-17)输出电流Io为：

Io=2△Ube/R1(5-18)特点：R1的数值和稳定性是关键。图c）为电压输出型：

R2kTUo=IR2=--------ln(n)(5-19)R1q二、电流输出型集成温度传感器AD590：电压4-30V;测温范围-55~150℃；灵敏度1µ

A/℃;25℃(298.20K)时电流298.20µ

A,线性度好.封装:三端TO和片状封装。VT1,2为温敏晶体管发射极面积比:VT2:VT1=n=8:1电流输出特性曲线：理想的温度灵敏度1µA/℃两种误差：斜率和平移。校正方法：（1）一点校正：0℃或25℃。例如：25℃时，调整RW，使UT=298.2µA(2)二点校正:0℃调RW1,Ut=0V;100℃调RW2,Ut=10V;三、集成温控开关将测温-比较-控制电路集成一体。例：AD22105，-40~150℃，8pins的DIP或SOIC封装。设置温度点电阻Rset见式5-20所示。考虑温度影响，电阻Rset标称阻值选择见式5-21所示。选择金属膜电阻，温漂小。有相似的其他产品可以选用，如Dallas公司的DS系列和Maxim公司的Max系列。第三节集成磁敏传感器两类：1）结构型：根据法拉第电磁感应原理。只能检测变化，不能检测量，难小型化。

2）物性型：利用半导体的磁电转换特型。能检测交直流磁场，灵敏度、可靠性高。功能：开关型和线性型工艺：双极型和MOS型一、开关型集成磁敏传感器1.工作原理由5部分构成图a.霍尔元件:0.1T磁场下,输出20mV(开路)或10mV(负载).UH=KHIB(5-22)差分放大器:放大UH整形电路:施密特触发器,将电压→脉冲输出三极管:单管或双管集电极开路(OC)电源电路:稳压和恒流.工作原理:图5-121)初始状态:B=0;UH=UH1-UH2=0;输出VT7、VT8截止； Uc7,Uc8=UOH≈E.2)1次翻转：B正向磁场;UH=UH1-UH2﹥0;输出VT7、VT8饱和； Uc7,Uc8=UoL﹤0.4V.导通磁感应强度，记为：B(H→L)2)1次翻转：B减小;UH=UH1-UH2↓;输出VT7、VT8截止； Uc7,Uc8=UOH≈E.截止磁感应强度，记为：B(L→H)施密特触发器的滞环效应：

△B=B(H→L)-B(L→H)抗干扰能力强，无振荡。二、开关型集成传感器特性1.磁特性导通B(H→L):0.035~0.075T.截止B(L→H)：0.01T.滞环宽度△B

：一般0.06T.2.电特性输出高电平UOH.输出低电平UOL.负载电流IOL.CS系列磁敏传感器参数见表5-13.温度特性:应用:接近开关;位置开关,键盘开关等特点:非接触，灵敏度高，可靠性好。线性集成磁敏传感器:输出电压与B成线性关系。三部分:

霍尔元件、差分放大器、射极跟随器如：CS835。第四节集成传感器应用实例在液晶显示器中的应用一、液晶显示与背光照明优点：平面、轻薄、低电压、低功耗。应用：电脑、液晶电视、仪表、便携仪器。两种：1）薄膜晶体管（TFT）

2）有源液晶显示器（AMLCD）。有透射式（有背光）、反射式、投影式透射式有源液晶显示器（AMLCD）为例：主要分4个部分：液晶盒均光系统背光源反射板背光模块背光模块中，主要部件：

冷阴极荧光灯（CCFL）。特点：光谱特性适合作背光灯，但易受温度影响。改善CCFL的低温特性方法：1）过功率法：刚启动几秒，加大功率，使灯的温度迅速提高。2）预热法：外部加热使灯管壁的温度升高。此外，为使亮度最大，用辅助温度控制的方法，使灯管温度保持在Topt=40℃附近。图5-16CCFL的电特性：与齐纳二极管的伏安特性相似：启动二、背光模块的温度控制CCFL的最佳温度工作点：Topt=40℃分几段控制灯管壁的温度：1）小于37℃，加热控制在38~42℃。2）大于45℃，风冷控制自身温升。3）大于50℃，半导体制冷器件强制制冷。最终，控制在30~50℃，控制原理框图如下。制冷有风扇和散热器配合，一旦风扇故障，半导体致冷器件应该关闭，以免损坏，用开关磁敏传感器CS837检测。32K0.1ufAD590实现温控电路分析（图b）调节Rw，使Rw+R1=100k,则UT的温度系数为：0.1V/℃.调节Us2，使温度T=10℃时，UT=0；

温度T=60℃时，UT=5V；则：UT=5X(T-10)/(60-10)=(T/10)-1***R3、R4、R5分压，使U1=4V(T=50℃)(书中有误）U2=3.5V(T=45℃)Uout1加热；Uout2制冷；Uout3风扇。风扇状态检测电路分析通过CS837在风扇交流磁场中产生连续脉冲的原理，检测脉冲的丢失，以判断风扇是否正常工作（类似Watchdog）。电路波形：三、CCFL的亮度控制前面的逆变器，即自激推挽式DC-AC生压变换电路。CCFL亮度驱动电路如下：亮度自动调节方法：电流控制或PWM调制法。亮度反馈：一次或二次侧电流，但可信度差。直接测量CCFL的亮度作为反馈用OPT301型集成光敏传感器，TO封装亮度测量与控制电路分析：原理：通过反馈电阻R1,R2进行2档亮度设定，通过比较器和放大器控制逆变器的原边电流，实现亮度控制。作业：1.参见图5-3集成压敏传感器测量电路，根据式5-8计算当Up