集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MEMS溫濕度傳感器集成系統(tǒng)包括三個(gè)傳感器配件部分：處理器芯片、溫濕度傳感器以及封裝結(jié)構(gòu)。其中溫濕度傳感器對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，處理器將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。溫濕度傳感器集成系統(tǒng)使用MEMS鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器分別采樣待測(cè)環(huán)境的溫濕度。與導(dǎo)線連接的一端稱為自由端或冷端，導(dǎo)體A、B稱為熱電極，總稱熱電耦。

1)MEMS溫度傳感器

MEMS微加工工藝制備的薄膜結(jié)構(gòu)鉑電阻傳感器。由于鉑的電阻率較高，靈敏度較好，因此經(jīng)常作為溫度傳感器的感溫材料。鉑電阻溫度傳感器利用金屬鉑(PT)的電阻值隨溫度的變化而變化的物理特性制成溫度傳感器，在實(shí)際測(cè)量中，一般將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)的變化，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 后交由微處理器轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度值。近年來(lái)，又發(fā)展出了一種新的測(cè)溫技術(shù)，能在火災(zāi)事故預(yù)警中有獨(dú)特的應(yīng)用。

2)MEMS濕度傳感器采用的濕度傳感器為電容濕度傳感器。兩側(cè)電極構(gòu)成電容極板，中間的電介質(zhì)采用濕度敏感材料。外界環(huán)境中的相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)了空氣中的水分子的含量，當(dāng)待測(cè)環(huán)境中的相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)，空氣中的水汽分子含量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。濕度敏感材料吸收水分子后的混合物的介電常數(shù)由于空氣中的水汽分子含量不同而變化，即混合介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)與待測(cè)環(huán)境中的相對(duì)濕度相對(duì)應(yīng)。研究證明，雙極性晶體管是集成電路技術(shù)中理想的溫度傳感器單元，但雙極性工藝難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字接口而BiCMOS技術(shù)成本又很高，而CMOS工藝易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬電路的集成，在集成電路設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)通常采用CMOS。

溫度檢測(cè)的研發(fā)與應(yīng)用

對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候一般都采用熱電耦傳感器作為傳感器配件，不但價(jià)格比較低，而且檢測(cè)的精 準(zhǔn)度非常高，還具有反應(yīng)迅速的良好優(yōu) 勢(shì)。不過(guò)目前所使用的熱電耦傳感器輸出了較為微弱的電壓信號(hào)，識(shí)別過(guò)程只有幾十毫伏內(nèi)的電壓，轉(zhuǎn)換AID時(shí)一定要進(jìn)行信號(hào)的調(diào)節(jié)，再將電路的倍數(shù)放大到AID的轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通常情況下，可以采用熱電耦的調(diào)節(jié)模板進(jìn)行操作，此過(guò)程非常便捷、簡(jiǎn)單。與此同時(shí)還需要關(guān)注熱電耦傳感器的冷端補(bǔ)償辦法。參考端恒溫法：將熱電偶的基準(zhǔn)端放在帶有冰水混合物的保溫瓶?jī)?nèi)，使熱電偶輸出熱電勢(shì)和分?jǐn)?shù)值。即是說(shuō)，熱電耦不在0℃時(shí)，通過(guò)熱電耦傳感器輸出的溫度數(shù)值偏離了0℃，在此種狀態(tài)下，就需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，將異常情況得以解決和處理，使溫度保持恒定不變。

體溫傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀

在體溫測(cè)量領(lǐng)域，集成溫度傳感器和NTC熱敏電阻相比于其他的溫度傳感器具有體積小、靈敏度高和響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，均是作為可穿戴式電子體溫計(jì)感溫元件的良好選擇。

集成溫度傳感器廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如食品監(jiān)測(cè)、無(wú)源無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及其他熱管理裝置。CMOS工藝下的集成溫度傳感器由于具有易于與其他電路集成、成本低、體積小以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)正越來(lái)越受到大家的青睞。近幾年來(lái)，己陸續(xù)有CMOS溫度傳感器應(yīng)用于人體體溫測(cè)量的研究和報(bào)道。盡管如此，集成CMOS溫度傳感器并未廣泛的應(yīng)用于電子體溫計(jì)，這主要是因?yàn)榧蓽囟葌鞲衅鞯臏囟葴y(cè)量精度不容易達(dá)到電子體溫計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。醫(yī)用中使用傳感器，就好像身體里增加了一個(gè)新的生命系統(tǒng)，讓醫(yī)用世界多了“四肢”。

硅襯底工藝下的半導(dǎo)體集成電路中的感溫器件主要包括集成電阻、MOS晶體管、雙極性晶體管、二極管以及CMOS工藝下的寄生雙極性晶體管等。研究證明，雙極性晶體管是集成電路技術(shù)中理想的溫度傳感器單元，但雙極性工藝難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字接口而BiCMOS技術(shù)成本又很高，而CMOS工藝易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬電路的集成，在集成電路設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)通常采用CMOS。工藝下的縱向寄生PNP晶體管作為集成溫度傳感器的感溫傳感器配件。由于CMOS工藝下縱向寄生雙極型晶體管自身的物理特性受工藝偏差等因素的影響，CMOS溫度傳感器的精度一直是其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。CMOS工藝下的集成溫度傳感器的精度主要受縱向寄生PNP晶體管的電流增益變化、器件失配、機(jī)械應(yīng)力以及工藝偏差等的影響。要實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)量，須采用有效的誤差消除技術(shù)和適當(dāng)?shù)男?zhǔn)技術(shù)。(3)PTC熱敏電阻，以鈦酸鋇摻和稀土元素?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)體陶瓷元件，具有正溫度系數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的誤差消除技術(shù)主要包括動(dòng)態(tài)匹配技術(shù)(Dynamic-Element-Matching，DEM)、斬波技術(shù)、非線性的二階曲率補(bǔ)償?shù)?，校?zhǔn)技術(shù)主要分為晶圓級(jí)的校準(zhǔn)、封裝進(jìn)傳感器外殼后的校準(zhǔn)以及校準(zhǔn)。

傳感器的溫度測(cè)量

(3)電阻溫度檢測(cè)器(RTD)精度極高且具有中等線性度，他們特別穩(wěn)定，并且有多種配置，但他們的z高上作溫度只能達(dá)到400℃左右，它們也有很大的TC，且價(jià)格昂貴(是熱電偶的4~10倍)，并且需要一個(gè)外接參考源。

(4)IC溫度傳感器：包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。模擬輸出IC溫度傳感器具有很高的線性度(如果配合一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC可產(chǎn)生數(shù)字輸出)、低成本、(大約1%)、小尺寸和高分辨率。它們的不足之處在于溫度范圍有限(55℃~ 150℃)，并且需要一個(gè)外部參考源。數(shù)字輸出IC溫度傳感器帶有一個(gè)內(nèi)置參考源，它們的響應(yīng)速度也相當(dāng)慢(100ms數(shù)量級(jí))。雖然它們固有地會(huì)自身發(fā)熱，但可以采用自動(dòng)關(guān)閉和單次轉(zhuǎn)換模式使其在需要測(cè)量之前將IC設(shè)置為低功耗狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到z低。但是這個(gè)研究是無(wú)止境的，隨著應(yīng)用的不斷深入和普遍，對(duì)其靈敏性的研究還存在著一定的距離，我們必須要更進(jìn)一步的促進(jìn)光纖溫度傳感器使用的廉價(jià)、使用和準(zhǔn)確。IC溫度傳感器具有很高的線性，低系統(tǒng)成本，集成復(fù)雜的功能，能夠提供一個(gè)數(shù)字輸出，并能夠在一個(gè)相當(dāng)有用的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)量。