集成系統(tǒng)設(shè)計

MEMS溫濕度傳感器集成系統(tǒng)包括三個傳感器配件部分：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溫濕度信號進行測量，處理器將測量數(shù)據(jù)進行存儲與處理。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，在實際測量中，一般將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號的變化，再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 后交由微處理器轉(zhuǎn)換成實際的溫度值。近年來，又發(fā)展出了一種新的測溫技術(shù)，能在火災(zāi)事故預(yù)警中有獨特的應(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)境中的相對濕度對應(yīng)了空氣中的水分子的含量，當(dāng)待測環(huán)境中的相對濕度發(fā)生變化時，空氣中的水汽分子含量也會發(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)的相對介電常數(shù)與待測環(huán)境中的相對濕度相對應(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現(xiàn)數(shù)字接口而BiCMOS技術(shù)成本又很高，而CMOS工藝易于實現(xiàn)數(shù)字和模擬電路的集成，在集成電路設(shè)計中占主導(dǎo)地位，因此大多數(shù)設(shè)計通常采用CMOS。

溫度檢測的研發(fā)與應(yīng)用

對溫度進行檢測的時候一般都采用熱電耦傳感器作為傳感器配件，不但價格比較低，而且檢測的精 準(zhǔn)度非常高，還具有反應(yīng)迅速的良好優(yōu) 勢。不過目前所使用的熱電耦傳感器輸出了較為微弱的電壓信號，識別過程只有幾十毫伏內(nèi)的電壓，轉(zhuǎn)換AID時一定要進行信號的調(diào)節(jié)，再將電路的倍數(shù)放大到AID的轉(zhuǎn)換器上進行實現(xiàn)。通常情況下，可以采用熱電耦的調(diào)節(jié)模板進行操作，此過程非常便捷、簡單。與此同時還需要關(guān)注熱電耦傳感器的冷端補償辦法。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內(nèi)，使熱電偶輸出熱電勢和分數(shù)值。即是說，熱電耦不在0℃時，通過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，就需要進行冷端補償，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)時間快的優(yōu)點，均是作為可穿戴式電子體溫計感溫元件的良好選擇。

集成溫度傳感器廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如食品監(jiān)測、無源無線網(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)點正越來越受到大家的青睞。近幾年來，己陸續(xù)有CMOS溫度傳感器應(yīng)用于人體體溫測量的研究和報道。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，這主要是因為集成溫度傳感器的溫度測量精度不容易達到電子體溫計的行業(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現(xiàn)數(shù)字接口而BiCMOS技術(shù)成本又很高，而CMOS工藝易于實現(xiàn)數(shù)字和模擬電路的集成，在集成電路設(shè)計中占主導(dǎo)地位，因此大多數(shù)設(shè)計通常采用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)計的難點。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、機械應(yīng)力以及工藝偏差等的影響。要實現(xiàn)的溫度測量，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)。目前國內(nèi)外報道的誤差消除技術(shù)主要包括動態(tài)匹配技術(shù)(Dynamic-Element-Matching，DEM)、斬波技術(shù)、非線性的二階曲率補償?shù)?，校?zhǔn)技術(shù)主要分為晶圓級的校準(zhǔn)、封裝進傳感器外殼后的校準(zhǔn)以及校準(zhǔn)。

傳感器的溫度測量

(3)電阻溫度檢測器(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高上作溫度只能達到400℃左右，它們也有很大的TC，且價格昂貴(是熱電偶的4~10倍)，并且需要一個外接參考源。

(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℃)，并且需要一個外部參考源。數(shù)字輸出IC溫度傳感器帶有一個內(nèi)置參考源，它們的響應(yīng)速度也相當(dāng)慢(100ms數(shù)量級)。雖然它們固有地會自身發(fā)熱，但可以采用自動關(guān)閉和單次轉(zhuǎn)換模式使其在需要測量之前將IC設(shè)置為低功耗狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到z低。但是這個研究是無止境的，隨著應(yīng)用的不斷深入和普遍，對其靈敏性的研究還存在著一定的距離，我們必須要更進一步的促進光纖溫度傳感器使用的廉價、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，能夠提供一個數(shù)字輸出，并能夠在一個相當(dāng)有用的范圍內(nèi)進行溫度測量。