新型传感器第五章10

辅助电路：温度补偿电路，由电阻R5、R6和晶体管 构成的温 和晶体管BG构成的温 辅助电路：温度补偿电路，由电阻 度补偿网络。 度补偿网络。 的基极电流比电阻R 的电流小得多， 若BG的基极电流比电阻 5、R6的电流小得多，晶体管的集电 的基极电流比电阻 发射极电压为： 极-发射极电压为： 电桥的实际供电电压V 电桥的实际供电电压 B为
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2、硅敏感电容器原理
C= εs/d
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第5章集成传感器
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圆形膜： 圆形膜：
式中： 式中：g=b/a；L为铝电极板见 ； 为铝电极板见 的极距； 为硅膜厚度 为硅膜厚度； 为外 的极距；H为硅膜厚度；P为外 部压力； 部压力；ν、E为硅膜材料的泊 为硅膜材料的泊 松系数和弹性模量。 松系数和弹性模量。
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第5章集成传感器 2、测量电路 、 转换电路有两类： 转换电路有两类： 电压:采用交流电源激励 ①电容→电压 采用交流电源激励，并通过整流电路来检出电 电容 电压 采用交流电源激励， 容的变化， 容的变化，得到与电容有关的电压信号 ②电容→频率:将压力敏感电容作为振荡电路的电容元件，压 电容→频率:将压力敏感电容作为振荡电路的电容元件， 敏电容的变化引起该电路振荡频率的变化
电流I 上的电压正比于绝对温度。 电流 c2、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 也正比于绝对温度。 也正比于绝对温度 这种电路称为PTAT( Proportional To Absolute Temperature)核心电路。 核心电路。 核心电路
二、扩散硅压敏传感器
第5章集成传感器
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敏感元件：压敏电阻 敏感元件：压敏电阻R1~R4。 测量电路：压敏电阻R 构成的电桥。 测量电路：压敏电阻 1~R4构成的电桥。 设压敏电阻的灵敏度为K， 设压敏电阻的灵敏度为 ， 且R1 = R3 = R0 + KPR0、 R2 = R4 = R0 - KPR0， 则： V0 = VBKP
第一节 集成压敏传感器
一、硅电容式集成传感器 构成: 硅压力敏感电容器、 构成 硅压力敏感电容器、转换电路和辅助电路 1、硅敏感电容器结构 、
硅片薄膜上另一个极板
基底材料金属薄膜为电 容器的一个极板
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硅片边缘与基底材料键合在一起。 硅片边缘与基底材料键合在一起。
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第5章集成传感器
可见，通过适当选取 的比值,可以 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， 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。
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第二节 集成温敏传感器
一、PTAT核心电路 核心电路 1、PTAT基本电路 、 基本电路 基本原理： 基本原理：BG1、BG2结构和性能完全相 在电阻R 上得到的两晶体管BG 同，在电阻 1上得到的两晶体管 1、 BG2的基极 发射极电压差为： 的基极-发射极电压差为 发射极电压差为：
为克服二极管的正向压降对灵敏度有影响， 为克服二极管的正向压降对灵敏度有影响 ， 可以将四个二极管换成MOS晶体管 张红 晶体管。 可以将四个二极管换成 电气工程系 。 晶体管
4、CP8型集成压敏传感器 、 型集成压敏传感器
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振荡器：阻容式自激振荡器，由于 各自处于直流电压负反馈的工作状态， 振荡器：阻容式自激振荡器，由于BG1和BG2各自处于直流电压负反馈的工作状态，由 的耦合作用，电路产生自激振荡。 于C1和C2的耦合作用，电路产生自激振荡。 整形电路： 构成的斯密特触发器进行整形， 整形电路：由BG4和BG5构成的斯密特触发器进行整形，增大波形幅度和改善边沿特 二极管D 用于钳位以防止晶体管BG 进入饱和区而影响电路的响应速度。 性。二极管 7～D10用于钳位以防止晶体管 4、BG5进入饱和区而影响电路的响应速度。 压力敏感元件：包括低通滤波器。 ◆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。 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。 安徽工程科技学院 输出缓冲电路：两级射极跟随器进行阻抗变换。 输出缓冲电路：两级射极跟随器进行阻抗变换。 电气工程系 张红
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第5章集成传感器
New Type Sensor 二、电流输出型集成温敏传感器 AD590传感器为电流输出型集成温敏传感器。 传感器为电流输出型集成温敏传感器。 传感器为电流输出型集成温敏传感器 1、AD590一般介绍 、 一般介绍 时输出电流： 在25℃(298.20K)时输出电流：298.20µA ℃ 时输出电流 µ 供电电压： 供电电压：+4~30V 测量范围： ～ 测量范围：-55～+150℃ ℃ 灵敏度： µ ℃ 灵敏度：0.1µA/℃ 封装形式： 封装形式：TO-52、片状 、 TO-52：三端封装器件，直径ф6.84mm、高 ：三端封装器件，直径ф 、 3.81mm（不含引线），适合对流体（空气、液 ），适合对流体 （不含引线），适合对流体（空气、 体等） 温度测量。 体等）的“点”温度测量。 片状封装： 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。 ），适合于表面温度测量 （不含引线），适合于表面温度测量。
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对转换电路的基本要求： 对转换电路的基本要求： 把压敏电容与传输线有效隔离开来， 把压敏电容与传输线有效隔离开来， 解决办法： 解决办法： 把压敏电容和转换电路集成在一起 在集成电路中，压敏电容器是电路的内部元件， 在集成电路中，压敏电容器是电路的内部元件，它与任 何输入或输出引线之间都是隔离的。 何输入或输出引线之间都是隔离的。
PTAT核心电路的关键在于两管的集电极电流密度之比 核心电路的关键在于两管的集电极电流密度之比 不随温度变化，为此，供电电源采用电流镜。 （Jc1/Jc2）不随温度变化，为此，供电电源采用电流镜。
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2、温度测量电路
电流镜由结构、 电流镜由结构、特性和发射结偏压完 全相同的BG 组成， 全相同的 3、BG4组成，若两只管子 的输出阻抗和电流增益均为无穷大， 的输出阻抗和电流增益均为无穷大， 流过BG 流过 1和BG2的集电极电流在任何温 度下始终相等。 度下始终相等。
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环形膜： 环形膜：
式中： 式中： g1=b1/a； ； g2=b2/a； ； g3=b3/a； ；
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环形膜： 环形膜：
举例： 举例： 设圆形硅膜压敏电容L=2µm， H=20µm， 设圆形硅膜压敏电容 µ ， µ ， b=500µm ， a=350µm ， E=130×103MPa ， µ µ × ν=0.18，P=100kPa。 ， 。 计算得： 计算得 ： C0 = 1.7pF， Cx = 1.285C0 ， ， ∆C=0.415pF。 。
BG1、BG2的发射极面积比为 ， (Jc1/Jc2)=1/n。 的发射极面积比为n， 。 在电路的电源端加上高于2V 的电压， 在电路的电源端加上高于 be的电压，R1上将得 到两管的基极-发射极电压差 发射极电压差： 到两管的基极 发射极电压差：
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式中： 分别是BG 管的集电极电流密度。 式中：Jc1和Jc2分别是 1和BG2管的集电极电流密度。
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由于(J 恒定， 由于 c1/Jc2)恒定，因此电阻 1上的电压∆Vbe 将 恒定 因此电阻R 上的电压∆ 正比于绝对温度T。 正比于绝对温度 。 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 发射极电流 电极电流等于发射极电流， 电极电流等于发射极电流，则： ∆Vbe = R1Ic2
安徽工程科技学院 电桥输出电压为 电桥输出电压为： 输出电压
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：
第5章集成传感器
New 补偿： ↑→ ↓→V ↓→V ↑→V 温度补偿：T↑→ be↓→ ce↓→ B↑，另一方面，T↑→ 0↓。
电桥输出电压的温度系数为： 电桥输出电压的温度系数为：
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BG1、BG2为温敏晶体管，两者的发射结面积比为 为温敏晶体管， 8:1。 。 (BG3-BG4)、(BG5-BG6)构成恒流源，为温敏晶体 构成恒流源， 、 构成恒流源 管提供恒定的集电极电流， 管提供恒定的集电极电流，Ic1 = Ic2。 差分对管BG 作为(BG3-BG4)、(BG5-BG6) 差分对管 9、BG10作为 、 的负反馈器件， 的负反馈器件，起到进一步消除由于制造工艺的 不足造成BG 不对称而对∆ 的影响。 不足造成 1、BG2不对称而对∆Vbe的影响。
扩散硅电容器的电容值很小，受压产生的电容值变化 扩散硅电容器的电容值很小，受压产生的电容值变化(0.1～10pF) 电容值很小 ～ 也很小，这就要求测量电路必须具有相当高的灵敏度和很低的零点 测量电路必须具有相当高的灵敏度和很低的 也很小，这就要求测量电路必须具有相当高的灵敏度和很低的零点 漂移。必须采用集成电路 集成电路。 漂移。必须采用集成电路。