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    2020-11-20 15:41
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    13 传感器和电路中的噪 声 传感器和电路中的噪声可能成为误差的大量来源,需要认真考虑。有专家指出:“就像疾病一样,噪声从来无法消除,只能预防、治愈或容忍,取决于其性质、严重性和治疗的成本 / 难度”。对于给定电路,噪声的基本分类有两种:固有噪声,即由电路内部产生的噪声;干扰(传输)噪声,即由电路外部获得的噪声。 任何传感器,无论如何精心设计,都无法产生完美表示输入激励的电信号。通常给信号的良好度下定义是个如何作出判断的问题。其标准基于对精度和可靠性的特定要求。输出信号的畸变可能是系统性的或是随机的。前者与传感器的传递函数及其线性度、动态特性等等有关。所有这些都是传感器设计、制造公差、材料质量和校准的结果。在适当的短时间内,这些因素或者不发生变化,或者发生相对缓慢的漂移。它们能够明确定义、表征和指定。在很多应用中,这样的规定可被用于误差量的因子,能够加以说明。另一方面,随机干扰常常是无规律的,某种程度上是无法预知的,且可能快速变化。通常它们也被称作噪声,而不管其本质和统计特征。需要注意的是,与音频设备的杂音相关联的字噪声,常常被误认为是无规律的、一定程度上快速变化的信号。我们以相当宽泛的理解对所有干扰使用噪声一词,既有来自激励和环境中的,也有来自传感器和从直流至较高工作频率的电路组件的。 13.1 固有噪 声 来自传感器并被放大和转换成数字形式的信号,不应只注重其大小和频谱特性,还要关注其数字分辨率。当转换系统采用增强的数字分辨率时,最低有效位( LSB )的值减小。例如,具有 5V 满量程的 10 位系统的 LSB 大约为 5mV , 16 位的 LSB 则是 77 V 。这就直接带来一个重大问题。如果组合噪声比如是 300 V ,这就使采用 16 位分辨率系统变得毫无意义。在现实世界中,情况通常会更糟糕。几乎没有传感器能够产生 5V 满量程输出信号。其中大多数需要放大器。举例来说,如果传感器产生满量程 5mV 的输出,在进行 16 位转换时会对应于 77nV 的 LSB ,这个极小的信号使得放大成为艰巨的任务。无论是否需要高分辨率的转换,所有噪声来源都必须认真考虑。在电路中,噪声可以产生于单片放大器和其它用于反馈、偏置、带宽限制等等的组件。 输入补偿电压和偏置电流会漂移。在直流电路中,该漂移无法与传感器产生的小幅信号加以区别。这些漂移通常变化较慢(在数十和数百 Hz 带宽之内),所以常常称其为超低频噪声。它们等同于随机(或可预测的,比如随温度)变化的电压和电流补偿和偏置。为了把其与高频噪声加以区分,等效电路(图 3 )包含两个附加发生源。一个是电压补偿发生源 e 0 ,另一个是电流偏置发生源 i 0 。噪声信号(电压和电流)由用于制造电路的电阻和半导体内部的物理机制产生。有几种噪声源,其联合影响表现为噪声电压和噪声电流发生器。 噪声产生的一个原因,是电流的离散性质,因为电流由移动电荷构成,每个电荷载流子传输确定数值的电荷(一个电子的电荷为 1.6 × C )。在原子层次,电流非常不稳定。载流子的移动类似于爆米花的爆开。人们已经选此作为电流的不错类比,但与“爆米花(跳跃)噪声”无关,这点将在下面讨论。就像爆米花,电子运动可以用统计术语描述。所以无法确定关于电流的十分微小的细节。载流子的运动与温度有关,因而噪声功率也和温度有关。在电阻器中,这些热运动导致约翰逊噪声的产生。噪声电压的均方值(该值代表了噪声功率)可由下式计算 , ( 50 ) 其中 k=1.38 × J/K (玻耳兹曼常数), T 是单位为 K 的温度, R 是单位为 的电阻, D f 是进行测量时的带宽,单位为 Hz 。 实际上,室温下由电阻器产生的每 噪声密度可由简化公式 估算,其单位为 nV 。举例来说,如果噪声带宽是 100Hz ,涉及的电阻为 10M ( ),平均噪声电压估算为 。 甚至一个简单的电阻也是噪声源。其表现为一个恒定的电流信号发生器。显然相对较小的电阻器只产生极小的噪声,不过在一些传感器中,必须考虑约翰逊噪声。例如,热电探测器使用 50G 量级的偏压电阻。如果室温下在 100Hz 带宽内使用传感器,可以预期电阻两端的平均噪声电压为 0.3mV 量级,这是相当高的值。为了抑制噪声,接口电路的带宽必须维持在较小范围,仅宽于足够通过最小所需信号。需要注意的是,噪声电压正比于带宽的平方根。这意味着如果我们减少带宽 100 倍,噪声电压将减少 10 倍。在很宽的频率范围,约翰逊噪声的幅度是常数。因此经常称其为白噪声,因为类似于白光,包含了可见光谱的所以频率。 另一种类型的噪声是由于直流电流在半导体中流动产生的。这叫做散粒噪声( shot noise ),这个由肖特基提议的名字其实与他本人的名字无关,而是因为这种噪声听起来像是“射出的散弹打在目标上”(不过散粒噪声也经常称为肖特基噪声)。散粒噪声也是白噪声。其值随着偏置电流的增加而变大。这就是为什么在 FET 和 CMOS 半导体器件中电流噪声相当小的原因。对于 50pA 的偏置电流,其值大约等于 4fA/ ,这是极小的电流,相当于每秒钟移动了大约 6000 个电子。用于散粒噪声的一个实用方程为 , ( 51 ) 其中 I 是以微微安培为单位的半导体结电流, D f 是单位为 Hz 的相关带宽。 低频时存在一种附加的交流噪声机理(图 43 )。噪声电压源和噪声电流源两者具有大致正比于 1/f 的频谱密度,这种噪声被称为粉红噪声,因为较高的噪声成分位于较低的频率(较低频率也是位于可见光光谱的红色一侧)。这种 1/f 噪声出现在所有导电材料中,因而也与电阻有关。在极低的频率,不可能把 1/f 与直流漂移影响区分开来。 1/f 噪声有时称为闪烁噪声。该噪声主要在低于 100Hz 的频率时凸显出来,而很多传感器正是工作在这个频段。其有可能取代约翰逊噪声和肖特基噪声,成为在这些频率时误差的主要来源。粉红噪声的大小取决于通过电阻类或半导体类材料的电流。如今半导体技术的进步使半导体中的 1/f 噪声显著减小,不过在设计电路时,在任何有明显电流流过电阻和在低频时确实需要低噪声的场合,在传感器和接口电路的前置级中采用金属膜或线绕电阻,是一个很好的工程实践。 图 43. 1/f “粉红”噪声的频谱分布 当观察运算放大器——很多传感器接口电路的主要构建模块——的输出时,一种独特的交流噪声机理有时会在示波器的屏幕上看到。其看起来像是从外太空传输来的数字信号;该噪声具有矩形脉冲的形状,变化周期为若干毫秒。这种突变类型的噪声称为跳跃噪声( popcorn noise ),因为其在扬声器中产生的声音就像爆米花。跳跃噪声产生于与集成电路生产技术有关的缺陷。得益于先进制造技术,在现代半导体器件中这种类型的噪声显著减少。 来自所有电压和电流源的组合噪声由单个噪声电压的平方和给出: 。 ( 52 ) 组合随机噪声可由其均方根( r.m.s. )值表示,即 , ( 53 ) 其中 T 是观测的时间, e 是噪声电压, t 是时间。 另外,噪声可依据峰值来表征,该值是在任意间隔观察到的最大的正和负漂移峰值的差。对于一些峰值到峰值( p-p )噪声可能会限制整体性能的应用(在阈值类型器件中), p-p 测量可能是至关重要的。不过由于噪声信号的一般高斯分布, p-p 大小实际上很难测量。因为 r.m.s. 值很容易重复进行测量,所以毫无争议地成为表示噪声数据的最有用形式,表 3 可用于估算给定 r.m.s. 值时噪声超过不同峰值的可能性。随机观察的 p-p 噪声在 3 × r.m.s. 和 8 × r.m.s. 之间变化,取决于观察者的耐心和有用数据的数量。 表 3. 峰到峰值与 r.m.s. 之间的对应关系(高斯分布) 标称 p-p 电压 噪声可能超过标称 p-p 值的时间的百分比 2 × r.m.s. 32.0% 3 × r.m.s. 13.0% 4 × r.m.s. 4.6% 5 × r.m.s. 1.2% 6 × r.m.s. 0.27% 7 × r.m.s. 0.046% 8 × r.m.s. 0.006% 13.2 传输噪 声 环境稳定性的很大一部分归功于传感器和接口电路对产生于外部来源的噪声的抗干扰性。图 44 为传输噪声的传播图示。噪声的来源常常无法分辨。这些来源的例子有:动力线中的电压浪涌、闪电、周围温度的变化、太阳活动等等。这些干扰传播至传感器和接口电路,变成最终一定会出现在输出端的麻烦。然而在此之前,它们一定要以某种方式影响传感器内的敏感元件、传感器的输出端或电路内的电子器件。传感器和电路充当了这些干扰的接收器。 图 44. 传输噪声的来源和耦合 传输噪声可以分成几类,取决于其如何影响输出信号,如何进入传感器或电路等等。在与输出信号的关系方面,这些噪声可能是相加的,也可能是相乘的。 相加噪声 en 附加至有用信号 Vs ,作为完全无关的电压(或电流)与其混合 。 ( 54 ) 这种干扰的一个例子示于图 45b 中。可以看出在实际(有用)信号变化时,噪声大小不发生变化。只要传感器和接口电路可以当成是线性的,相加噪声的大小就完全与信号大小无关,如果信号等于零,输出噪声依然存在。 相乘噪声是以 V s 信号的值被噪声改变或调制的如下方式,影响传感器的传递函数或电路的非线性组件: , ( 55 ) 其中 N(t) 是噪声的函数。这种噪声的一个例子示于图 45c 。当信号幅度接近零时,相乘噪声在输出端消失或变得很小(也成为相加性的)。相乘噪声与信号 Vs 的幅度一起增加。如其名称所提示的,相乘噪声是两个值相乘(本质上这是非线性运算)的结果,一个是有用信号,另一个是取决于寄生信号的噪声。 图 45. 噪声的类型:( a )无噪声信号;( b )有相加噪声信号;( c )有相乘噪声信号 图 46. 差动技术 要针对传输相加噪声改善噪声稳定性,常常把传感器组成一对,即以对偶形式制造,其输出信号彼此相减(图 46 )。这个方法称为差动技术(亦见 10 节)。成对传感器中的一个传感器(称为主传感器)承受所需的激励 s 1 ,另一个(参照)则屏蔽于激励的感应。因为相加噪声特发于线性或准线性传感器和电路,所以不必对参照传感器施加任何特定激励。通常其输出为零。可以预期两个传感器都承受了相同的传输噪声(产生于传感器内部的噪声无法用差动技术消除),可称为是共模噪声。这意味着两个传感器的噪声影响是同相的,且具有相同大小。如果两个传感器受到共模寄生激励的相同影响,减法运算则可除去噪声分量。这样的传感器常称为对偶传感器或差动传感器。噪声抑制的效果由称为共模抑制比( CMRR )的数值表述: , ( 56 ) 其中 S 1 和 S 0 分别是来自主传感器和参照传感器的输出信号。 CMRR 可能与激励的幅度有关,通常在较大输入信号时变得较小。该比值指出,相比于具有同样大小的共模噪声,实际激励反映在输出端时要强多少倍。 CMRR 值是传感器对称性的测度。作为一种有效的减小噪声的方法,两个传感器的位置必须相互尽可能靠近,必须完全相同,必须处于相同的环境条件下。而且参照传感器可靠屏蔽于实际激励十分重要,否则组合差动响应会被消弱。 要减小传输相乘噪声,比率技术十分有效(见 9 节关于电路说明内容)。其原理相当简单。传感器制造为对偶形式,一个接收所需激励,两者置于相同的、可能产生传输相乘噪声的环境条件。第二个传感器称为参照,因为其输入端施加的是恒定的、环境方面稳定的参考激励 s 0 。举例来说,某传感器在小的温度范围内的输出电压可近似由下式表示 , ( 57 ) 其中 a 是传感器传递函数的温度系数, T 是温度, T 0 是校对时的温度。基准输入为 s 0 的参照传感器产生的电压为 。 ( 58 ) 我们认为环境温度是以同样方式影响两个传感器的传输相乘噪声。取上两式的比我们得到 。 ( 59 ) 因为 f( s 0) 是常量,此比值与温度无关。然而需要强调的是,仅当预期噪声具有相乘特性时,比率技术才是有用的,而差动技术仅对相加传输噪声起作用。两种技术对内生于传感器和电路的固有噪声都无效。 虽然固有噪声主要为高斯型的,但传输噪声则通常很少适合于常规的统计表述。传输噪声有可能是周期性的,不规则反复出现的,或本质上是随机的;这些噪声通过采取使静电和电磁影响最小化的防范措施一般可以显著减少;这些影响可来自电源的线频率及其谐波、无线电广播电台、机械开关的电弧放电、电抗(含有电感和电容)电路中的切换导致的电流和电压峰值。这种防范措施可包括滤波、去耦、导线和器件的屏蔽、采用保护电位、接地回路的消除、导线、器件和电线的物理上重新布置、在继电器和电机连线两端使用阻尼二极管、尽可能选择低阻抗、选择具有低噪声的电源和参考电压。来自振动的传输噪声可以通过合适的机械设计予以降低。表 4 概括列出了一些传输噪声的来源和其典型大小,以及处理这些噪声的一些方法。 表 4. 传输噪声的典型来源 外部来源 典型大小 典型解决方法 60/50Hz 电源 100pA 屏蔽;注意接地回路;隔离电源 120/100Hz 电源波纹 3 V 电源滤波 180/150Hz 磁性干扰,获得 自饱和式 60/50Hz 变压器 0.5 V 组件重新定位 无线电广播电台 1mV 屏蔽 开关电弧放电 1mV 5 至 100MHz 组件滤波;注意接地回路和屏蔽 振动 10pA ( 10 ~ 100Hz ) 适当注意机械耦合;避开接近输入端和 传感器的带有大电压的导线 电缆振动 100pA 采用低噪声(碳包覆电介质)电缆 电路板 0.01 ~ 10pA/ 低于 10Hz 彻底清洁电路板;在需要的地方采用特氟龙 绝缘以及施加良好防护 电气噪声的耦合最常发生的通道是“寄生的”电容。这样的耦合无处不在。任何物体都能与另一物体形成电容性耦合。例如,站在绝缘地面的人与地形成 700pF 量级的电容,电连接器具有大约 2pF 的管脚到管脚电容,光隔离器具有大约 2pF 的发射至探测电容。图 47a 表示电噪声源通过耦合电容 C s 连接至传感器的内阻抗 Z 。该阻抗可能是简单的电阻,或是电阻、电容、电感和类似二极管这样非线性器件的组合。阻抗两端的电压是噪声信号变化速率、耦合电容 C s 的值和阻抗 Z 的直接结果。例如,热电探测器可能具有等效于 30pF 的电容和 50G 的电阻并联的内阻抗。该传感器可能通过仅有 1pF 的电容耦合至一个移动人体,而该人体身上具有的表面静电电荷可产生 1000V 的静电电压。如果我们假定人体移动的主频率是 1Hz ,传感器会受到大约 30V 的静电干扰。这比该传感器接收来自人体的热辐射而作出响应产生的正常电压幅度要高 3 到 5 个量级。 因为一些传感器和实际上所有电子电路都具有非线性,通常称为 RFI (射频干扰)或 EMI (电磁干扰)的高频干扰信号,可以经过整流,以直流或缓慢变化的电压出现在输出端。 13.3 电屏蔽 通过对传感器和电路——特别是高阻抗和非线性组件——进行合适的屏蔽,能够显著减少电场造成的干扰。每个屏蔽问题必须分别和仔细地加以分析。确定噪声源及其如何与电路耦合十分重要。不合适的屏蔽和保护可能只会使事情变得更糟或造成新的问题。 图 47. ( a )电容耦合;( b )电屏蔽 屏蔽用于两个目的。首先,它能够把噪声限制在小的范围内。这可防止噪声进入附近的电路。然而这种屏蔽的问题是,如果没有在搞清接地系统和进行正确连接的情况下、对噪声经过的返回路径加以仔细计划和布置的话,由屏蔽捕获的噪声仍然会引发问题。 第二,如果噪声存在于电路中,屏蔽可围绕关键器件设置,防止噪声进入探测器和电路的感应部分。这些屏蔽可由围绕电路区域的金属盒子构成,或带有中心导线屏蔽的电缆。 电场导致的噪声,可以用金属护套很好地控制,因为电荷 q 不能存在于闭合导体表面的内部。通过交互或寄生形成的耦合电容,可用示于图 47a 的电路模型化。其中 e n 是噪声源。它可以是某种电位发生变化的部件或组件。 C s 是噪声源和起到噪声接收器作用的电路阻抗 Z 之间的寄生电容(在特定频率下该阻抗为 Z s )。电压 V n 是此电容耦合的结果。噪声电流定义为 , ( 60 ) 实际产生的噪声电压为 。 ( 61 ) 举例来说,如果 C s=2.5pF , Z=10k (电阻器), e n=100mV ,在 1.3MHz 时,输出噪声可达 20mV 。 人们会想,从由传感器产生的低频信号中滤除 1.3MHz 噪声应该相对容易。实际上这是无法做到的,因为很多传感器,特别是放大器的前置级,都含有非线性器件(半导体 pn 结),起着整流器的作用。结果就使高频噪声的频谱转移至低频区域,使得噪声信号变得与传感器产生的电压类似。 添加屏蔽后,情况的变化示于图 47b 。假定屏蔽为零阻抗,左侧的噪声电流则为 i n= e n/ Z c 。在屏蔽的另一侧,噪声电流基本为零,因为在电路的右侧没有驱动源。因而接收阻抗两端的噪声电压也会是零,感应电路被有效地屏蔽于噪声源。不过必须注意不要有明显的电流 is 流过屏蔽。这些电流与屏蔽电阻耦合会产生额外的噪声。采用静电屏蔽时,有几个如下的实用规则必须留意。 Ÿ 要使静电屏蔽有效,需要把其连接至包含在屏蔽内部的任何电路系统的基准电势。如果信号接地(机架或地),屏蔽必须连接至这样的地。如果信号未返回地,屏蔽接地就没有用。 Ÿ 如果使用屏蔽电缆,其屏蔽必须连接至位于信号源一侧的信号基准结点(图 48a )。 Ÿ 如果屏蔽分成几部分,比如使用连接器时可能出现的情况,屏蔽的每一部分必须与相邻部分连接在一起,仅把终端连接在信号基准结点(图 49b )。 Ÿ 数据采集系统中需要单独屏蔽的数目,等于被测量量的独立信号的数目。每个信号需要有其自己的屏蔽,与系统中的其它屏蔽不相连,除非它们共用公共基准电势(信号“地”)。在此情况下所有连接必须在每个屏蔽的单一点由独立跳线实现。 Ÿ 屏蔽必须只有一点接地,最好是临近传感器。屏蔽电缆决不能两端都接地(图 49 )。两个“地”之间的电势差( V n )会导致屏蔽电流 is 流过,有可能通过磁耦合把噪声电压引入中心导线。 Ÿ 如果传感器封闭在屏蔽盒内,数据通过屏蔽电缆传输(图 48c ),电缆屏蔽必须连接至盒子。在屏蔽内部采用单独的导线连接基准电势(“地”)是一个很好的做法,除了屏蔽之外,不要把屏蔽物用于任何其它目的:不允许任何屏蔽电流存在。 Ÿ 决不允许屏蔽处于基准电势以外的任何电势(除了如图 4b 所示的驱动屏蔽的情况)。屏蔽电压通过电缆电容耦合至中心导线(或导体)。 Ÿ 用短的导线把屏蔽连接至地,以使电感最小化。当模拟和数字信号两者都要传输时,这点尤其重要。 图 48. 输入电缆至基准电势的连接 图 49. 电缆屏蔽两端接地不正确 13.4 旁路电容 旁路电容用于在负载端维持低的电源阻抗。电源线中的寄生电阻和寄生电感意味着电源阻抗可能相当高。当频率增高时,感应寄生成为麻烦,有可能导致电路振荡或激振效应。即使电路工作在较低频率,旁路电容仍然是重要的,因为高频噪声会从外部源——例如无线电台——传输至电路和电源导线。高频时,没有电源或稳压器具有零输出阻抗。使用哪种类型的电容,由应用情况、电路的频率范围、成本、电路板大小以及其它一些注意事项决定。要选择旁路电容,必须记住高频时实际电容可能与教科书中描述的理想电容差别甚大。 图 50. 电容器的等效电路 电容器的一般等效电路示于图 50 。它包含标称电容 C ,漏电阻 r l ,导线电感 L 和导线电阻 R 。此外,它还包含介电吸收项 r 和 c a ,体现了电容器的“记忆”。在很多接口电路中,特别是在放大器、模拟积分器和电流(电荷)至电压转换器中,介电吸收是造成误差的主要原因。在这类电路中,要尽可能使用薄膜电容器。 在旁路应用中, r l 和介电吸收是二阶项,但串联的 R 和 L 也很重要。它们限制了电容阻尼瞬变和维持低电源输出阻抗的能力。通常旁路电容必须具有较大的值( 10 F 或更大),以便能够吸收较长的瞬变,因而常常使用电解电容。遗憾的是,这种电容具有大的串联 R 和 L 。通常钽电容提供更好的性能,不过铝电解质和非极化(陶瓷或薄膜)电容器相结合可提供进一步的改善。现在,大容量陶瓷电容器已可低价获得。错误类型的旁路电容的组合,会导致数据通信信道之间的激振、振荡和串扰。选定旁路电容的正确组合的最佳方法,是先在电路试验板上进行试验。 13.5 磁屏蔽 合适的屏蔽可显著减小静电和电场导致的噪声。不幸的是,由于能够穿透导电材料,针对磁场的屏蔽要困难得多。围绕导体且一端接地的典型屏蔽,对磁性在导体中产生的感应电压几乎没有作用。当磁场 B 0 穿透屏蔽物时,其幅度以指数式降低(图 51b )。屏蔽物的趋肤深度 是磁场衰减至其空气中的值的 37% 时达到的深度。表 5 列出一些材料在不同频率时 的典型值。高频时,表中的任何材料都可作为有效的屏蔽,不过在低频范围钢具有好得多的性能。 图 51. ( a )通过同轴电缆驱动负载装置时传输磁噪声的减少; ( b )随屏蔽物厚度增加磁屏蔽的改善 表 5. 随频率变化的趋肤深度( mm ) 频率 铜 铝 钢 60Hz 8.5 10.9 0.86 100Hz 6.6 8.5 0.66 1kHz 2.1 2.7 0.20 10kHz 0.66 0.84 0.08 100kHz 0.2 0.3 0.02 1MHz 0.08 0.08 0.008 为改进低频磁场屏蔽,需要考虑高导磁率的磁性材料(如钼坡莫合金)构成的屏蔽。然而钼坡莫合金的作用在较高频和强磁场时下降。较高频率时,可由厚的钢屏蔽实现有效的磁屏蔽。因为实现磁屏蔽很困难,低频时最有效的途径是使磁场强度最小化,在接收端使磁回路区域最小化,选择导体的最佳几何结构。一些有益的实用性指南如下: Ÿ 把接收电路置于距离磁场源尽可能远的地方。 Ÿ 避免布线平行于磁场;相反要以直角穿过磁场。 Ÿ 用适合于频率和强度的材料屏蔽磁场。 Ÿ 用双绞线作为传输形成磁场源的大电流的导线。如果两条导线中的电流大小相等、方向相反,则双绞线每个缠绕周期的任何方向净磁场为零。要使这种配置起作用,导线内的电流不能互通,比如在接地层就有可能形成接地回路。 Ÿ 屏蔽电缆用于大电流源时,电路的返回电流由屏蔽层承载(图 51a )。如果屏蔽层电流 i 2 与中心导线电流 i 1 大小相等、方向相反,中心导线场和屏蔽层场相互抵消,净磁场为零。这个情况似乎违反了关于接收器电路“无屏蔽层电流”的规则,不过屏蔽电缆此时不是用于中心导线的静电屏蔽。相反,该几何结构形成了磁场的消除,这里磁场是供给“吞噬电流”装置(此例中是电机)的电流产生的。 Ÿ 因为磁感应噪声取决于接收回路的面积,可以通过减小回路的面积而降低经由磁耦合导致的感应电压。 什么是接收回路?图 52 表示通过两根具有长度 L 和间距 D 的导线连接至负载电路的传感器。该矩形电路形成一个面积为 a=L × D 的回路。该串联回路感应产生的电压正比于其面积和其与磁场夹角的余弦。因此为了使噪声最小化,该回路的方向应该垂直于磁场,其面积应该最小化。 图 52. 长导线形成的接收回路 减少导线长度和 / 或减少导线之间的距离,能够减小面积。用双绞线或至少用紧密多股的导线电缆对,就可容易地实现这个目的。成对使用导线,使电路连线和其回流线总是在一起,是个良好的方法。不要忽视此要求。举例来说,如果设计者正确放置了连线,但维修技术人员则有可能在维修过程中使连线改变位置。新的连线位置可能产生灾难性的噪声电平。所以基本规则是知道连线的面积和走向,并且永远保持这样的连线方式。 13.6 机械噪 声 振动和加速度效应也是传感器中传输噪声的来源,应该避免受到它们的影响。这些效应会改变传输特性(相乘噪声),或导致传感器产生寄生信号(相加噪声)。如果传感器的构成有某种机械组件,以特定频率和幅度沿某个轴的振动则会导致谐振效应。对于某些传感器,加速度就是噪声源。例如,热电探测器具有压电特性。热电探测器的主要功能是对热梯度作出响应。然而诸如空气压力的快速改变、强风或结构振动这样的环境机械因素,引发传感器的输出信号响应,而且通常无法与来自常规激励的响应区分开来。如果遇到这种情况,差动噪声消除会十分有效(见 8 节)。 13.7 接地 层 多年来,电子工程师和印刷线路板设计者都知道,接地层是寄生电路运行的“神秘和机理不明”的解决妙方。接地层主要用于使电路感应最小化。之所以能够起作用,是利用了基本的磁学理论。导线中的电流流动产生相关磁场。磁场强度正比于电流 i ,反比于至导线的距离 r : 。 ( 62 ) 由此我们可以想象被磁场包围的通电导线。导线电感定义为由导线电流形成的磁场中的能量存储。要计算导线电感,需要在导线的长度和磁场总面积上对磁场做积分。这意味着在从导线表面到无穷远的半径上做积分。然而如果两根带有大小相等、方向相反电流的导线距离很近,其磁场就相互抵消了。这种情况下,实际的导线电感很小。反向流动的电流称为返回电流。这就是设置接地层的根本原因。就在携带信号的导线下面,接地层提供了返回电流可以流动的返回路径。不管与导线有关的分支的数量有多少,返回电流都具有到地的直接路径。电流总是要通过最低阻抗的返回路径流动。在合理设计的接地层中,这个路径就在信号导线的正下方。 实际电路中,接地层是线路板的一面,信号导线在另一面。在多层线路板中,接地层通常夹在两层或多层导线层的中间。除了使寄生电感最小化之外,接地层还有额外的好处。其平面由于“集肤效应”(交流电流沿导体的表面流动),使电阻性损耗最小化。此外,通过与地之间的寄生电容,接地层还有助于电路的高频稳定性。虽然接地层用于数字电路十分有益,把它们用于模拟传感器信号的电流回路就有危险了,地线中的数字电流很可能会在电路的模拟部分产生强干扰。 一些实用建议: Ÿ 使接地层的面积尽可能与元器件层(或多层印刷电路板的内部层)一样大。特别是在运行高频或数字信号的线路下面使接地层面积最大化。 Ÿ 把那些传导快速瞬变电流的元器件(终端电阻、 IC 、晶体管、去耦电容等等)安放得尽可能接近电路板。 Ÿ 无论在哪里需要公共接地基准电势,用单独的导线连接该基准电势,并在单一公共点把所有这样的基准电势连接至接地层,以避免由于地线电流导致的压降。 Ÿ 在电路板的数字和模拟部分使用单独的且不重叠的接地层,只在电源端这一点把其连接在一起。 Ÿ 使用短的走线。电感随长度变化,接地层无法完全消除。 13.8 接地回路和接地隔离 电路用于低电平输入信号时,电路自身可能会产生足够大的噪声和干扰,造成影响精确度的实际问题。有时在图纸上对电路作出了正确设计,工作台面包板上也显示出相当满意的性能,然而在用印刷电路板做出试制样品并进行测试时,所需的精确度就达不到了。面包板和印刷电路板样品之间的区别,可能是导线的实际布局。通常电子元器件之间的导线是十分明确的;可以是连接一个电容至电阻,连接 JFET 晶体管的栅极至运算放大器的输出端等等。不过在多数情况下,至少有两种导线常见于大部分电子线路中。它们就是电源总线和接地总线。两者会把不受欢迎的信号从电路的一部分携带到另一部分,特别是它们有可能把强的输出信号耦合至传感器和输入级。 图 53. ( a )接地端至电路的错误连接;( b )电源电流通过接地导线的路径 电源总线输送电源电流至所有级。接地总线也传输电源电流,但另外还为电信号设置参考基准。对任何测量电路来说,参考基准的纯净度是基本要求。两个功能(电源和参考)的相互作用会导致称为接地回路的问题。我们在图 53a 中表示出这样的问题,其中传感器被连接至放大器的可能具有较大增益的正输入端。放大器连接至电源,形成电流 i ,以 i’ 返回至接地总线。传感器产生电压 V s ,馈送至放大器的正输入端。接地线在 a 点连接至电路,紧挨着传感器的接线端。该电路没有明显的误差源,然而输出电压含有大量误差。接地线的错误连接造成了噪声源。图 53b 示意接地导线的非理想情况。会具有一些有限的电阻 R g 和电感 L g 。在这个例子中,电源电流由放大器返回电池时,经过 b 和 a 点之间的接地总线,导致压降 V g 。这个压降虽然小,但有可能与传感器产生的信号差不多。需要注意的是,电压 V g 与传感器串联,且直接作用于放大器的输入端。换句话说,传感器没有以一个纯净的地为参考。地线电流也可能含有高频成分,于是总线电感会产生相当强的寄生高频信号,不仅将噪声加至传感器,而且还可能导致电路失稳。例如我们考虑一个热电堆温度传感器,其产生的电压以 100 V/ ℃ 对应于物体温度。低噪声放大器具有静态电流 i=2mA ,流过具有电阻 R g=0.2 的接地回路。接地回路电压 V=iR=0.4mV ,对应于 -4 ℃ 的误差! 解决办法通常很简单:接地回路必须断开。电路板设计的最为关键的原则:决不能把同一导线用于参考电势和电源电流。电路设计者要始终把参考地线与电流荷载地线区分开来,特别是用于数字器件的地线。因而至少采用三种地线是明智的:参考地线,模拟地线和数字地线。 参考地线应当只用于连接产生低电平输入信号的传感器组件、需要连接至参考地电势的所有模拟放大器输入组件,以及 A/D 转换器的参考输入端。模拟地线应当专门用于来自模拟接口电路的返回电流。数字地线则只用于二进制信号,诸如微处理器、数字门电路等等。也许还需要额外的“地”,例如用于传输相对较强的电流,特别是含有高频信号的情况( LED 、继电器、电机、加热器等等)。图 54 表示把接地连接从传感器的 a 点移动至电源端的 c 点,防止在连接至传感器和反馈电阻 R2 的接地导线上形成寄生电压。 图 54. 传感器和接口电路的正确接地 一个简单实用的法则是把电路板上所有的“地”只连接到一点,最好是在电源端。在两点或多点接地会形成通常很难加以判别的接地回路。 13.9 塞贝克噪 声 这个噪声是塞贝克效应的结果,该效应表明,当两种不同金属结合在一起时有电动势( e.m.f. )产生。塞贝克电动势较小,对很多传感器来说可以简单地忽略。不过当需要 10 ~ 100 V 量级的绝对精确度时,该噪声必须予以考虑。两种不同金属的结合构成温度传感器。不过在温度感应不是需要的功能时,热感应电动势就成了寄生信号。在电子电路中,不同金属的连接随处可见:接插件、开关、继电器触点、插座、导线等。例如,铜的印刷电路板覆层连接至集成电路的铁钴镍合金输入引脚,产生 40 V T 的偏移电压,其中 T 是电路板上两个不同金属连接之间的温度梯度,单位为 ℃ 。常用的铅锡合金焊料用在铜覆层时,产生 1 到 3 V/ ℃ 之间的热电电压。专用的镉锡合金焊料可用于减少这些寄生信号,使其低至 0.3 V/ ℃ 。图 55a 表示两种类型焊料的塞贝克电动势。由不同制造商生产的两种相同导线的连接,可能导致以 200nV/ ℃ 量级的斜率产生的电压。 图 55. ( a )由焊料 - 铜连接产生的塞贝克电动势; ( b )把连接维持在相同温度下以减少塞贝克噪声 很多情况下,塞贝克电动势可以利用合适的电路层和热平衡消除。限制传感器和接口电路前置级之间连接结的数量是一个良好的实用方法。尽可能避免接插件、插座、开关和其它潜在的电动势源。有时候这是不可能实现的。这种情况下,尝试在电路的前置级中使连接结的数量和类型达到平衡,以便实现差分式消除。达到这样的效果的方法可包括有意产生和引入连接结,以抵消必要的连接结。意在产生抵消作用的这些连接结必须维持在相同温度。图 55b 表示把远处的传感器连接至放大器,其中传感器连接结、输入端连接结和放大器部件连接结都维持在虽然不同但合理配置的温度下。这样的热平衡连接结必须维持在紧密的物理相邻位置,最好置于共同的散热系统上。必须避免电路板和传感器外壳处的气流和温度梯度。 14 校准 很多传感器存在原生的制造商公差,使其传递函数超出可接受的精确度限制。我们已在另文详细讨论了校准原则。现在让我们概略检视一些能够用于接口电路,以调整包括传感器和接口电路两者的总体传递函数的电气技术。该技术的不完整清单如下: 1. “配平电位器”或“配平电容”,一种可变电阻或可变电容,用于调节传感器的内电阻或内电容。这是最古老和最传统的方法。图 56a 表示在电阻式惠斯登电桥中使用配平电位器 R p 。如今,调节电阻可以是数字式的,而不是机械调节。在数字电位器中,能用 8 位代码设置电阻值,能够在任何时间改变。一种更为稳定的非机械式电阻调节,可以用由微桥技术公司开发的方法实现。其调节电阻(制造商起了一个陌生的名字“电动可调无源电阻—— rejustor ”)是一个半导体,其欧姆电阻能够由热脉冲调节,由来自专用调节装置的独立端子施加热脉冲(图 56c )。其电阻值能够由标称制造值减小至少 30% ,而且能够在工作范围内上下调节。可编程电阻值以该半导体的物理特性加以储存,一直保留到重新编程。不需要电源维持其电阻值;完全是一种无源电路组件。 2. 匹配,即选择与传感器的相应电阻量或电容量匹配的电阻器或电容器。 3. 调节传感器的参考信号。可以通过改变有源传感器的激发信号的激发参数之一来实现,例如幅度或频率。作为选项,基准电压能够通过 A/D 转换器调节。图 56b 示意一个数字化可编程电压基准。 4. 数字代码,存储在微处理器的非易失存储器中,在每一次测量期间用于纠正传感器的响应。代码是在校准程序中产生的。其可能包括很多传感器特性,例如用于多项式逼近的系数。 图 56. 调节电路:( a )带有调节电阻器的电阻式电桥电路; ( b )数字式可调节基准电压;( c )“ rejustor ”,热调节电阻器
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    2020-11-18 15:57
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    5 模数转换 器 5.1 基本概念 模数转换器(缩写为 A/D ,或 ADC , A2D , A-to-D )的类型从分立电路到单片 IC (集成电路),以及高性能混合电路、模块,甚至是盒子等等不一而足。此外,这种转换器还有定制的标准单元和半定制的专用集成电路( ASIC )产品。 A/D 转换器把通常为电压的模拟数据转换成等效的、与数字数据处理器件兼容的数字格式。 A/D 转换器的关键特性包括绝对和相对精度、线性度、无失码、分辨率、转换速度、稳定性,以及价格。很多情况下,在把价格作为主要考虑因素时,单片 IC 版本(集成电路)是最具效率的。最常见的 A/D 转换器基于逐次逼近技术,因为在速度和精度之间要获得内在的良好折中。不过其它常用技术也用于各种各样的用途,特别是在没有高转换速率要求时。这些技术包括双斜率、四斜率、脉宽调制( PWM )、电压至频率( V/F )转换器,以及电阻至频率( R/F )转换器。 A/D 转换的技巧已得到充分开发。这里我们简要评述一些常用的这类转换器架构,至于详细的阐述读者可参阅相关专业文献。 最有名的数字码是二进制( 2 基数)。二进制码最常见的是表示整数,即具有 n 位的自然二进制整数码,最低有效位( LSB )具有 的加权(即 1 ),下一位具有 的加权(即 2 ),依此类推直到 MSB (最高有效位),其加权为 (即 )。二进制数的值是把所有非零位的加权相加得到。合计加权位后,即得到具有从 0 到 的任何值的唯一数字。每个附加的尾随零位,如果有的话,实质上就是原值大小的加倍。 转换来自模拟传感器的信号时,因为满量程与分辨率的位数无关,一种更实用的编码是分数二进制,其总是可以归一化为满量程。如果所有整数值都被 除,那么整数二进制就可以用分数二进制来表示。例如, MSB 具有 1/2 (即 )的加权,下一位具有 1/4 (即 )的加权,如此等等直到 LSB ,该位具有 (即 )的加权。加权位相加后,形成一个任意 值构成的数字,从 0 到满量程的( 1- )。附加的位只是提供更为精细的度量,不会影响满量程范围。为了表示这些关系,表 1 列出 5 位的带有二进制加权的 1 和 0 的值的 16 种排列,以及表示为十进制和二进制整数与分数的等效数字。 在自然二进制中所有位是“ 1 ”时,分数值则是 1- ,或归一化为满量程小于 1 LSB (例如 1-1/16=15/16 )。严格来说,写成“整数点”时,上面表示的数字是 0.1111 ( =1-0.0001 )。不过,几乎普遍采用的是,把代码简单写为整数 1111 (即“ 15 ”)与相应数字的分数形式即得:“ 1111 ” 1111/(1111+1) ,或 15/16 。 表 1. 整数和分数二进制编码 十进制分数 二进制分数 MSB 1/2 Bit2 1/4 Bit3 1/8 Bit4 1/16 二进制整数 十进制整数 0 0.0000 0 0 0 0 0000 0 1/16 ( LSB ) 0.0001 0 0 0 1 0001 1 2/16=1/8 0.0010 0 0 1 0 0010 2 3/16=1/8+1/16 0.0011 0 0 1 1 0011 3 4/16=1/4 0.0100 0 1 0 0 0100 4 5/16=1/4+1/16 0.0101 0 1 0 1 0101 5 6/16=1/4+1/8 0.0110 0 1 1 0 0110 6 7/16=1/4+1/8+1/16 0.0111 0 1 1 1 0111 7 8/16=1/2 ( MSB ) 0.1000 1 0 0 0 1000 8 9/16=1/2+1/16 0.1001 1 0 0 1 1001 9 10/16=1/2+1/8 0.1010 1 0 1 0 1010 10 11/16=1/2+1/8+1/16 0.1011 1 0 1 1 1011 11 12/16=1/2+1/4 0.1100 1 1 0 0 1100 12 13/16=1/2+1/4+1/16 0.1101 1 1 0 1 1101 13 14/16=1/2+1/4+1/8 0.1110 1 1 1 0 1110 14 15/16=1/2+1/4+1/8+1/16 0.1111 1 1 1 1 1111 15 为方便起见,表 2 列出高至 20 位数字的二进制位加权。不过绝大多数传感器的实际范围很少超过 16 位。 分配给 LSB 的加权是具有 n 位数字的分辨率。 dB 列表示 LSB 值与 1 (满量程)的比值取对数(以 10 为底),再乘以 20 。每个后续的 2 的幂次方表示 6.02dB 的变化(即 )或“ 6dB/ 倍频程”。 表 2. 二进制位加权和分辨率 BIT 2-n 1/2n 分数 dB 1/2n 十进制小数 % ppm FS 20 1 0 1.0 100 1000000 MSB 2-1 1/2 -6 0.5 50 500000 2 2-2 1/4 -12 0.25 25 250000 3 2-3 1/8 -18.1 0.125 12.5 125000 4 2-4 1/16 -24.1 0.0625 6.2 62500 5 2-5 1/32 -30.1 0.03125 3.1 31250 6 2-6 1/64 -36.1 0.015625 1.6 15625 7 2-7 1/128 -42.1 0.007812 0.8 7812 8 2-8 1/256 -48.2 0.003906 0.4 3906 9 2-9 1/512 -54.2 0.001953 0.2 1953 10 2-10 1/1024 -60.2 0.0009766 0.1 977 11 2-11 1/2048 -66.2 0.00048828 0.05 488 12 2-12 1/4096 -72.2 0.00024414 0.024 244 13 2-13 1/8192 -78.3 0.00012207 0.012 122 14 2-14 1/16384 -84.3 0.000061035 0.006 61 15 2-15 1/32768 -90.3 0.0000305176 0.003 31 16 2-16 1/65536 -96.3 0.0000152588 0.0015 15 17 2-17 1/131072 -102.3 0.00000762939 0.0008 7.6 18 2-18 1/262144 -108.4 0.000003814697 0.0004 3.8 19 2-19 1/524288 -114.4 0.000001907349 0.0002 1.9 20 2-20 1/1048576 -120.4 0.0000009536743 0.0001 0.95 5.2 V/F 变换器 电压至频率( V/F )变换器能提供高分辨率的变换,因而适用于传感器的独特性能,诸如长期的整合应用(由数秒至数年),数字至频率变换(与 D/A 转换器结合),频率调制,电压隔离,以及任何需要的分频和倍频。这种变换器接收传感器的模拟输出,该输出可能是电压或电流(当然对后者的情况应该叫做电流至频率变换器)。在某些情况下,传感器可成为 A/D 转换器的一部分,如下节将阐明的。不过这里我们将只讨论电压至频率的变换,或者换言之,变换成每单位时间矩形脉冲的数量。因为脉冲能够选通(在给定时间间隔内选择)和计数,得出二进制数,所以这里的频率是数字格式的。所有 V/F 变换器都是积分类型的,因为每秒脉冲数或频率,正比于输入电压的平均值。 通过使用 V/F 变换器, A/D 可以在最简单和经济的方式下实现。把模拟电压转换为数字数码所需的时间,与 V/F 变换器的满量程频率和所需的分辨率相关。与逐次逼近器件相比,通常 V/F 变换器相对较慢,不过对绝大多数传感器应用,这种电路相当合适。用于 A/D 转换器时, V/F 变换器连接至计数器,后者在所需采样率下计时。举例来说,如果变换器的满量程频率是 32kHz ,计数器每秒采样 8 次,脉冲的最高数值能够通过对每一个采样周期的累计得出为 4000 ,这近似相应于 12 位的分辨率(见表 2 )。通过采用同样的 V/F 变换器和计数器部件的组合,可以构建用于那些激励需要在一定时间内进行积分的应用的积分器。计数器在选通间隔累计脉冲,而不是累计每个采样周期脉冲的平均数。 V/F 变换器的另一个有用特性,是其脉冲能够容易地通过通讯线路传输。与高分辨率的模拟信号相比,脉冲信号极少受到环境噪声的影响。理想情况下,变换器的输出频率 f out 正比于输入电压 V in : , ( 22 ) 其中 f FS 和 V FS 分别是满量程的频率和输入电压。对给定的线性变换器,比值 f FS/ V FS=G 是常数,称为变换因子,从而 。 ( 23 ) 有几种熟知的 V/F 变换器类型。其中最常见的是多谐振荡器和电荷平衡电路。 图 24. 电压至频率变换器的多谐振荡器类型 多谐振荡器 V/F 变换器采用不同步的方波振荡器,其定时电容的充放电电流由输入信号控制(图 24 )。输入电压 V in 由差分放大器(比如测量放大器)放大,其输出信号控制两个电压至电流转换器(晶体管 U 1 和 U 2 )。一个精密多谐振荡器交替连接定时电容 C 至两个电流转换器。该电容以电流 i a 经由晶体管 U 1 充电半个周期。在下半个时间周期,电容以电流 i b 经由晶体管 U 2 放电。因为输入信号控制电流 i a 和 i b ,电容充电和放电的斜率也相应发生变化,由此改变了振荡频率。这种电路的明显优点是简单和可在很低功耗下工作,不过其抑制来自输入信号的高频噪声的能力不如电荷平衡架构那么好。 图 25. 电荷平衡 V/F 变换器 变换器的电荷平衡类型采用模拟积分器和电压比较器,如图 25 所示。这个电路具有的优点包括高速、高线性度和良好的噪声抑制。该电路的集成形式可由几家制造商获得,例如 AD 公司的 ADVFC32 和 AD650 ,美国国家半导体公司的 LM331 。这种变换器的工作方式如下。输入电压 V in 通过输入电阻 R in 加至积分器。积分电容以负反馈回路连接至运算放大器,运算放大器的输出电压与 -0.6V 的小的负阈值电压相比较。积分器产生锯齿形电压(图 27 ),该电压在到达阈值时在比较器输出产生瞬态信号。这个瞬态信号激活单稳态发生器,产生具有固定周期 t OS 的矩形脉冲。一个精密电流源产生恒定电流 i ,交替流过积分器的汇流结点或其输出。开关 S 1 由单稳态脉冲控制。当电流源连接至汇流结点时,其会传递一个精密确定的电荷包 Q=i t OS 至积分电容。同一个汇流结点也会通过电阻 R in 接收输入电荷,由此净电荷会在积分电容 C in 上累积。 图 26. 电荷平衡变换器的积分( a )和去积分(重置)( b )阶段 图 27. 电荷平衡变换器中的积分器输出 当到达阈值时,单稳态电路被触发,开关 S 1 改变其状态至高,由此开始重置阶段(图 26b )。在重置阶段,电流源发送电流至积分器的汇流结点。输入电流使积分电容正向充电。在阈值和去积分结束之间的总电压由单稳态脉冲的周期确定: 。 ( 24 ) 单稳态电路的输出信号变低时,开关 S 1 把电流 i 切换至积分器的输出端,此时积分器不影响积分电容 C in 的状态。即电流源吸收一部分来自运算放大器的输出电流。这个时段称为积分周期(图 26a 和图 27 )。积分期间,正的输入电压发送电流 I in= V in/ R in 至电容 C in 。这导致积分器由其正电压以正比于 V in 的速率下降。达到比较器阈值所需的时间为: 。 ( 25 ) 可见电容值不影响积分周期的时间长短。输出频率由下式确定: 。 ( 26 ) 所以,单稳态脉冲的频率正比于输入电压。该值也取决于积分电阻的质量,电流发生器的稳定性,以及单稳态电路自身。通过精心设计,这种类型的 V/F 变换器可达到非线性误差低于 100ppm ,能够产生由 1Hz 到 1MHz 的频率。 诸如电荷平衡 V/F 变换器这样的积分型变换器的主要优点,在于能够抑制大量的附加噪声。通过对被测量进行积分,减少了甚至完全消除了噪声。来自变换器的脉冲经计数器以选通周期 T 累计。于是计数器变成了具有如下式的传递函数形式的滤波器 , ( 27 ) 其中 f 是脉冲频率。低频时,这个传递函数 H(f) 的值接近于 1 ,意味着变换器和计数器给出了正确的测量值。不过在频率为 1/T 时传递函数 H(1/T) 为零,意味着这样的频率被完全抑制。举例来说,如果选通时间 T=16.67ms ,对应于 60Hz 的频率,即动力电源线的频率,这是很多传感器中主要噪声的来源,那么 60Hz 噪声就会被抑制。此外,其倍频( 120 、 180 、 240Hz 等等)也会被抑制。 5.3 双 斜率转换器 双斜率转换器已很普及;在手持式数字电压表和其它不需要快速转换的便携式仪器中几乎都在用。这种类型的转换器执行的是输入电压的间接转换。首先,该转换器把 V in 转换成时间的函数,然后由脉冲计数器把时间函数转换成数字码。双斜率转换器具有与电荷平衡变换器相同的优点;两者都抑制相应于积分定时的频率 1/T 。 双斜率转换器通常采用模拟组件( OPAM ,开关,电阻和电容)和微控制器的组合,后者处理定时、控制逻辑和计数功能。 5.4 逐次逼近法转换器 得益于其高速(达 1MHz 的数据吞吐率)和高分辨率( 16 位及更高),这种转换器以集成形式被广泛使用。其转换时间固定且与输入信号无关。因为在每次转换后内部逻辑和寄存电路都清零了,所以每次转换都是独一无二的,因而使这些 A/D 转换器适合于多路复用。转换器(图 28 )包括精密电压比较器,移位寄存器和控制逻辑模块,以及把数字输出转换为模拟比较器的反馈输入的数字至模拟转换器( D/A )。 图 28. 逐次逼近 A/D 转换器框图 图 29. 逐次逼近 A/D 中的 3 位加权 转换方法包括把未知的输入 V in 与一个精确电压 V a 或由 D/A 转换器产生的电流比较。这种转换技术类似于用天平进行称重的过程,采用的则是一组 n 个二进制加权(比如 1/2kg 、 1/4kg 、 1/8kg 、 1/16kg 等等,直到总数 1kg )。转换循环之前,所有寄存器必须清零,比较器输出为高。在 D/A 转换器输入端施加 MSB ( 1/2 量程),产生一个适当的模拟电压 V a ,其值等于满量程输入信号的 1/2 。如果输入电压仍然大于 D/A 电压(图 29 ),比较器维持为高,导致寄存器的输出为“ 1 ”。然后尝试下一位( FS 的 2/8=1/4 )。如果第二位没有增加足够的砝码来超过输入,比较器仍然为高(输出端为“ 1 ”),继续尝试第三位。不过如果第二位让天平翻转了,比较器变为低,导致寄存器中为“ 0 ”,然后尝试第三位。比较过程按下降位加权依次进行,直到尝试过最后一位。完成后,状态行指示转换结束,由寄存器读出对应于输入信号的有效数值的数据。 要使转换有效,输入信号 V in 必须不发生改变,直到所有位都尝试完毕,否则数字读数有可能是错误的。为了避免输入改变带来的任何问题,逐次逼近转换器通常附加采样保持( S&H )电路。这种电路具有短时模拟记忆功能,其对输入信号采样,并在整个转换循环期间以直流电压的形式存储。 5.5 分辨率扩展 典型的数据采集系统中,单片微控制器常常包含模数转换器,其最大分辨率一般限于 10 位。若内置转换器的分辨率较高,达 12 甚至 14 位,成本就会变得过于高了。在大多数应用中,要正确表示激励(输入分辨率 R 0 )的最小增量, 10 位可能远远不够。有几种方法解决这个问题。其中之一是在 A/D 转换器之前使用放大器。例如增益为 4 的放大器会有效增加输入分辨率达两位,比如从 10 增加到 12 。当然付出的代价是放大器特性的不确定性。获得高分辨率的另一种方法,是采用双斜率 A/D 转换器,其分辨率的限制仅在于可达到的计数器速率和比较器的响应速率。注意切勿把分辨率与精确度混淆。还有一个方法是采用带有分辨率扩展电路的 10 位 A/D 转换器(例如逐次逼近类型的)。这种电路能够以几位的程度增加分辨率,例如从 10 增加到 14 。该电路的框图示于图 30a 。除常规的 10 位 A/D 转换器外,该电路还包含数字至模拟( D/A )转换器、减法电路和具有增益 A 的放大器。在 ASIC 或分立电路中, D/A 转换器可与 A/D 组件共享(见图 28 ) 图 30. ( a )带有 D/A 转换器的分辨率增强电路;( b )为过采样而添加人工噪声至输入信号 输入信号 V in 的满量程值为 E ,因此对于一个 10 位转换器,其初始分辨率可表示为 , ( 28 ) 其单位是每位伏特。例如,对 5V 的满量程, 10 位分辨率是 4.89mV/bit 。首先多路转接器( MUX )把输入信号连接至 A/D 转换器,产生用位表示的输出数字值 M 。接下来微处理器输出该值到 D/A 转换器,产生输出模拟电压 V c ,此值是输入信号的近似值。从输入信号电压减去此电压,并由放大器放大得到的值为 ( 29 ) 电压 V D 是实际的输入信号和数字表示的输入信号之间的放大的误差。对满量程输入信号,最大误差( V in- V c )等于 A/D 转换器的分辨率,所以对于 10 位转换器, V D=4.89 A mV 。多路转接器把该电压连接至 A/D 转换器,把 V D 转换成数字值 C : 。 ( 30 ) 因此,微处理器结合了两个数字值: M 和 C ,其中 C 表示高分辨率位。如果 A=255 ,那么对于 5V 的满量程, LSB 19.25 V ,此值相当于 18 位的总分辨率。实际上因为产生于 D/A 转换器、基准电压、放大器偏移、噪声等等的误差,很难达到如此高的分辨率。不过在 12 或 13 位的适度分辨率足以接受时,这种方法还是相当有效的。 另一个扩展分辨率的有效方法基于所谓的过采样。这个主意只有当输入模拟信号在采样点之间发生变化时才会起作用。举例来说,假设 A/D 转换器步长为 50 、 70 、 90mV 等等,当输入信号稳定在 62mV 时,数字数值会给出 70mV ,因而产生 8mV 的数字化误差,过采样也不会带来任何差异。如果输入信号以最大频谱频率 fin 变化,根据奈奎斯特定理(也称为奈奎斯特 - 香农 - 卡特尔定理。该定理指出,最小采样速率必须快至信号最高频率的两倍),采样频率 f s 2 f in 。过采样则需要比奈奎斯特的定义高得多的采样频率。具体可基于下式确定 , ( 31 ) 其中 n 是扩展位的数值。例如,如果我们有 10 位 A/D ,想要用其产生 12 位( n=2 )的数值,采样频率必须至少比 f in 高 16 倍。过采样能够在最高转换频率下改变 A/D 转换的分辨率。因此这个方法适用于转换与 A/D 转换器的最高采样速率比较变化相对较慢的信号。 如上所述,这个方法需要信号在两次采样之间发生变化。如果模拟信号不包含自然变化或固有噪声,可以给输入信号或 A/D 基准电压施加人工噪声,使信号在两次采样之间发生抖动。施加人工噪声的一种实用方法示于图 30b 。微控制器产生脉宽调制( PWM )随机脉冲,经电容作平滑处理,然后加至模拟输入信号。抖动的幅度需满足至少为原始分辨率的 0.5 LSB ,不过最好是在大约 2 LSB 。经采样后,为了得到提高的分辨率,增加了来自 A/D 的 的采样,输出结果右移了 n 次。对于上面的例子,增加了 16 个顺序的 10 位数字,右移了 2 次,由此获得 12 位的输出数字。 6 直接数字化 大多数传感器产生低电平信号。为使这些信号达到与数字处理器件兼容的电平,通常需要使用放大器。遗憾的是,放大器和连接电缆或导线会引入附加误差,增加装置的成本,提高复杂性。在基于传感器的系统中,一些新兴趋势引发对信号调节放大器的使用的重新评估(至少对某些换能器是这样)。尤其是很多工业化传感器馈送系统都在利用数字传输和处理设备。这些趋势指向传感器输出的直接数字化,就在传感器之内,这是个艰巨的任务。在考虑传感器单片集成时则更是如此。 传统的 A/D 转换技术强调高电平输入范围。这使得 LSB 步长能够尽可能大,使偏移和噪声误差最小化。出于这个原因,最小 LSB 信号总是选择在至少 100 ~ 200 V 。因此,很多传感器的直接连接,例如 RTD 温度换能器或压阻式应变计,都是不切实际的。在这样的换能器中,满量程( FS )输出可能仅限于几个毫伏,这意味着 10 位 A/D 转换器必须有大约 1 V LSB 。 换能器的直接数字化取消了直流增益级,可以在不损失精度的情况下获得更好的性能。直接数字化蕴含的主要思路是把传感器包含在信号转换器中,例如 A/D 转换器或阻抗至频率转换器。所有这类转换器完成的都是调制过程,因而是非线性器件。所以它们由某种非线性电路构成,通常是阈值比较器。比如说偏移阈值电平,就可以调节输出信号,这正是需要的效果。 图 31a 表示一种调制振荡器的简化电路框图。其组成为由运算放大器构建的积分器和阈值电路。电容 C 两端的电压是电流的积分,该电流值则正比于运算放大器同相输入端的电压。当该电压达到阈值时,开关 S W 闭合,因而电容完全放电。直到周期再次重复,电容再次开始对电流积分。放大器的工作点由电阻 R 2 、光电晶体管 S 和基准电压 V ref 确定。入射至晶体管基级的光通量的变化,改变其集电极电流,因而使工作点偏移。类似的电路可用于电阻式换能器(例如热敏电阻)的直接转换。为了提高精度,这种电路可以作进一步改进,比如对放大器的偏移电压或偏置电流及温度漂移等进行补偿。 图 31. 光调制振荡器的简化框图( a )和电压( b ) 7 电容至电压转换器 在很多应用中电容式传感器十分常见。现在,微机械加工技术使得小型单片电容式传感器的制造成为可能。电容式压力换能器利用薄的硅膜片作为可变间隙电容的可移动平板,相对的平板用金属电极制作。这种电容器的本质问题是每单位面积相对低的电容值(大约 ),因此导致大的芯片尺寸。典型的这种器件的零压力电容具有很小的皮法拉量级,因而 10 位分辨率要求电容偏移的检测在 15 fF (飞法拉, 1 飞法拉 = )或更低的量级。显然任何外部测量电路完全是不可行的,因为连接导线的寄生电容在最好的情况下也有 1pF 的量级:与传感器的电容相比有些太大了。因此要让这样的传感器能够付诸实用的唯一方法,是构建作为传感器自身的集成部分的接口电路。设计这种电路的一个相当有效的方法,是采用开关电容技术。该技术基于由一个电容至另一个电容的电荷转移,利用固态模拟开关实现。 图 32. 微分式电容至电压转换器的简化原理图( a )和时序图( b ) 图 32a 所示为开关电容转换器的简化电路图,其中可变电容 C x 和基准电容 C r 是对称式硅压力传感器的构成部分。单片集成 MOS 开关( 1 ~ 4 )由互为反相的时钟脉冲 f 1 和 f 2 驱动。时钟脉冲作用于开关时,电荷出现在公共电容结点。电荷由恒定电压源 V PM 提供,且正比于( C x- C r ),因而也正比于加至传感器的压力。该电荷加于电荷至电压转换器,其包括运算放大器,积分电容 C f 和 MOS 放电(复位)开关 5 。输出信号是变幅脉冲(图 32b ),可通过通信线路传输,然后或者经解调产生线性信号,或者进一步转换为数字数据。只要积分 OPAM 的开环增益高,输出电压就对寄生输入电容、偏移电压和温度漂移不敏感。最小可测信号(本底噪声)由组件噪声和组件的温度漂移决定。电路分析表明,积分电容 C f 近似等于 OPAM 的频率补偿电容时,达到最小噪声功率。 MOS 复位开关由开态至关态动作时,开关信号由复位晶体管的栅级注入一些电荷至 OPAM 的输入汇总结点(反相输入)。该电荷通过 MOS 晶体管 5 的栅极至沟道电容传输。注入电荷在输出端导致偏移电压。此误差可利用电荷消除器件进行补偿,由此能以高于无补偿电荷幅度两个量级的程度来改善信噪比。 8 集成接口 传感器信号调节的现代趋势,是把放大器、多路复用器、 A/D 转换器及其它电路集成在单个硅芯片中。以下是两个如此集成的例子。图 33 示意一种来自 ZMD 公司的信号调节电路 ZMD21013 。该芯片最适合低电压和低功率多重电阻电桥传感器应用,诸如电池供电的消费类或工业类产品。该集成电路提供可编程的传感器信号的放大和 A/D 转换,带有高达三个电阻电桥,或两个电桥和一个热电偶、热电堆或任何其它低电压发生传感器。应用传感器将只在采样时间内开启,使该电路适合于低功率应用。自动归零、 A/D 分辨率( 10 位到 16 位)、采样速率、输入范围、灵敏度和测量模式等都可以进行编程。这个电路用于把如下变量的电阻式和电压发生式传感器连接至微控制器时十分有效:加速度、压力、力、流量和温度。 图 33. 集成信号调节器 图 34. 爱普生微控制器的前端 集成接口电路的另一个例子,是爱普生( EPSON )的具有超低功耗的 16 位微控制器。其特别适宜于为各类传感器提供接口。图 34 示意其前端具有两个类型的 A/D 转换器:逐次逼近式 10 位 A/D 转换器和带有 24 位计数器的 R/F 转换器。 R/F 转换器适用于监测温度和湿度。这个微控制器具有各种串行接口,能够连接包含在医疗设备中的用于监测体温、血压、身体组分等等的传感器。此外,该产品包含一个分段 LCD 驱动器,用于显示字母符号和图标。该产品还包含一个内置的 MAC (乘法和累加)单元和除法单元,用于传感器信号的高速处理。 R/F 转换器经由一个参考电阻 R ref 工作,该电阻用于设置转换工作点。在转换周期内,电容 C 1 通过电阻式传感器充电,通过 R ref 放电,因而该电容的值及其稳定性对 R/F 转换器的精度没有影响。 9 比率电路 改善传感器精度的一个很有效的方法是比率技术,该技术是最常用的信号调节方法之一。不过需要强调的是,仅在误差源具有相乘特性而不是相加特性时,这个方法才是有用的。即该技术在减小比如热噪声是没用的。另一方面,在解决那些与传感器灵敏度有关的因素,诸如电源的不稳定性、环境温度、湿度、压力、老化的影响等等方面,则是相当有效的。该技术的基本要求是使用两个传感器,一个是作用传感器,对外部激励做出响应,另一个是补偿传感器,对激励屏蔽或不敏感。两个传感器必须暴露于所有其它外部影响之下,这些影响会同时改变它们的性能。必须给通常称为参照的第二个传感器施加参考激励,该激励在产品的使用期限内始终稳定。在很多实际系统中,参照传感器不必与作用传感器完全相同,不过其发生不稳定性的物理特性应该相同。例如,图 35a 表示一个简单的温度探测器,其中作用传感器是负温度系数( NTC )热敏电阻 RT 。参考电阻 R 0 在某个参考温度(比如 25 ℃ )时具有与热敏电阻的电阻值相等的值。两者通过模拟多路复用器连接至带有反馈电阻 R 的放大器。我们假定传感器值有一些漂移,可用时间的函数 a(t) 表示,由此传感器的电阻成为 。电阻 R 0 的特性是其也以同样的函数变化,所以 。由传感器和参照传感器产生的经放大器的输出分别为: 。 ( 32 ) 图 35. ( a )比率温度探测器;( b )电阻值的模拟分压器 可见两个电压是电源电压 E 和电路增益的函数,后者由电阻 R 确定。它们也是漂移 a(t) 的函数。多路复用开关使电压 V N 和 V D 相继出现在放大器输出。如果这些电压馈送至分压器电路,得出的信号可以表示为 , ( 33 ) 其中 k 是分压器的增益。所以,分压器的输出信号既不受电源电压的影响,也不受放大器增益的影响。其也不会受到双重漂移 a(t) 的影响。该电压仅取决于传感器和其参照电阻。只有在诸如函数 a(t) 、电源或放大器增益这些因素产生的寄生变量不会很快变化时,上述情况才成立。即在多路复用周期内,这些变量不会明显改变。这需要确定多路复用的速率。 比率技术本质上需要采用除法运算。这可以由两个标准方法实现:数字和模拟。数字形式中,来自作用和参照传感器两者的输出信号,经多路复用器,在模拟至数字( A/D )转换器中转换为二进制码。随后用计算机或微处理器进行除法运算。在模拟形式中,除法器可以是信号调节器或接口电路的一部分。“除法器”(图 36a )产生正比于两个输入电压或电流的比值的输出电压或电流: , ( 34 ) 其中分子表示为 V N ,分母为 V D ,当 V N= V D 时, k 等于输出电压。这些变量的工作范围(工作的象限)由分子和分母的输入及其输出的极性和幅度确定。举例来说,如果 V N 和 V D 两者都是正的或负的,除法器是 1 象限类型的。如果分子是双极性的,除法器为 2 象限类型。通常分母限制在单一极性,因为由一种极性到另一种的转换需要分母过零,这会导致无穷大输出(除非分子也是零)。实际上,分母是来自参照传感器的信号,一般具有相对恒定的值。 图 36. ( a )除法器的符号;( b )作为分母的函数的除法器的增益 除法运算一直是利用模拟电路来实现四种数学运算中最困难的。其难度主要源于除法运算的性质:分母接近零时(分子非零),比值的大小变得相当大,接近无穷大。因此,理想的除法器必须具有潜在的无限大增益和无限大动态范围。对于实际除法器,由于在低值 VD 时漂移和噪声的放大,限制了这两个因素。即对分子来说,除法器的增益反比于分母的值(图 36b )。因此总误差是几个因素的净影响,诸如增益的分母依赖性,分子,以及类似偏移、噪声和漂移(其必须远小于输入信号的最小值)这样的分母输入误差。此外,除法器的输出在分子和分母的恒定比值时一定是恒定的,与它们的大小无关。例如, 10/10=0.01/0.01=1 , 1/10=0.001/0.01=0.1 。实际上,一些简单的除法电路使用相当广泛。一个例子是图 35b 中的放大器,其输出信号是电阻比值的函数(注意参考电压 Vr 是负的): , ( 35 ) 最常用和最有效的比率电路基于下文阐述的惠斯登电桥设计。 10 差动电路 与相乘干扰相比,相加干扰更为常见,在低电平输出信号时造成严重问题。考虑一个热电传感器的例子(图37a),其中热流感应陶瓷片由内部金属壳承载。因为热电性同时也是压电性的,除了热流,该传感器还易于受到机械应力干扰。即使轻微的振动也会产生寄生压电信号,而且其幅度可能高于热电电流几个量级。解决办法是制造带有淀积在同一陶瓷衬底上的双电极的传感器,如图37b所示。本质上这是在同一陶瓷片上创建两个完全相同的传感器。两个传感器几乎同样地对所有激励作出响应。因为它们的连接相反,假定来自其中一个传感器的 V pyro和 V piezo分别与来自另一个传感器的相等,导致输出电压基本为零: (36) 如果阻止其中一个传感器接收热辐射( V pyro2=0),则 V out= V pyro1。换句话说,幸亏有减法运算( V piezo1= V piezo2)使彼此互相抵消了,这个组合传感器就对压电效应不敏感了。传感器制造的差动方法是一种对称形式,且连接至对称接口电路(如差动放大器),两个信号彼此相减,因而是减小噪声和漂移的十分有效的方法。不过这个方法仅当双传感器完全对称时有效。非对称性将按比例减小噪声消除的作用。举例来说,如果非对称性是5%,噪声的消除不会大于95%。 图37. (a)封装在一个金属壳内的双热电传感器; (b)淀积在热电平板两面的金属电极;(c)双组件的等效电路 11 电桥电路 11.1 一般概念 惠斯登电桥电路很常见,能够很有效地应用于传感器级的比率技术(除法技术)。其基本电路示于图38。阻抗Z可以是有源的或无源的,即其可以是简单的电阻,如压阻式应变计,或是电容,或是电感,或几种的组合。对于纯电阻,阻抗为R,对于理想电容器,其阻抗的大小等于 ,对于电感,则为 ,其中f是流过元件的电流的频率。电桥输出电压由下式表示 , (37) 满足下列条件时,即认为电桥处于平衡状态: 。 (38) 图38. 惠斯登电桥的一般电路 在平衡条件下,输出电压为零。当电桥中的至少一个阻抗变化,电桥失去平衡,输出电压出现正向或负向变化,取决于阻抗变化的方向。要确定电桥相对于每个阻抗的敏感度,可由公式(37)求偏微分得出: ( 39) 把这些公式相加,我们得到电桥的敏感度: , (40) 对(40)式仔细审视可知,为了实现比率补偿(比如温度稳定性、漂移等),仅需相邻的阻抗对(即 Z 1 和 Z 2, Z 3 和 Z 4)完全相同。需要注意的是,平衡电桥中的阻抗不必一定相等,只要比例平衡(38)能 够满足即可。在很多实际电路中,只有一个阻抗被用于传感器,从而若 Z 1 是传感器,电桥敏感度成为 。 (41) 电阻式电桥电路常用于应变计、压阻式压力传感器、热敏电阻温度计、湿敏电阻器,以及其它需要抵 抗环境因素影响的传感器。用于测量力、位移、湿度等等的电容性和磁性传感器也采用类似的做法。 11.2 非平衡电桥 基本的惠斯登电桥电路(图39a)通常工作于非平衡电桥。这称为测量的偏移法。该方法基于电桥对 角线电压的检测。电桥输出电压是不平衡度 Δ 的非线性函数,这里传感器的电阻 。不过对于很 小的变化( Δ < 0.05),电桥的输出可以认为是准线性的,通常都会是这种情况。在 R 1= R 2 和 R 3=R 时达到 电桥最大灵敏度。当 R R 2 或 R R 1 时,电桥输出电压下降。假定k= R 1/ R 2,电桥灵敏度可表示为: (42) 图39. 采用电桥电路的两种方法:(a)非平衡电桥;(b)带有反馈控制的零位平衡电桥 图40. 作为阻抗比例的函数的非平衡电桥的灵敏度 据此公式计算得出的归一化曲线图见图40。图中表明在k=1 时达到最大灵敏度,不过在0.5 < k < 2 的范围内灵敏度下降相对较小。如果用电流源反馈至电桥,而不是电压源,在小的 Δ 和单一变量时,其输 出电压表示为 , (43) 其中i是激发电流。 11.3 零位平衡电桥 利用电桥电路的另一种方法称为零位平衡。该方法克服了为达到好的线性度电桥臂中只能有小变化(Δ )的限制。零位平衡的基本要求是电桥始终保持在平衡状态。要满足电桥平衡(37)的要求,电桥的另一个臂需要与感应臂一同变化。图39b说明了这个概念。一个控制电路按照来自误差放大器的要求调节 R 3的值。传感器的输出电压可以从平衡臂 R 3的控制信号获得。例如 R v和 R 3两者可以都是光敏电阻。光敏电阻 R 3可以通过由误差放大器控制的发光二极管(LED)实现连接。流过LED的电流成为电阻 R v的测量,因而也是对由传感器探测到的光强度的测量。 11.4 电桥放大器 用于电阻式传感器的电桥放大器或许是最常用的传感器接口电路。这些电路可以有各种配置,取决于所需的电桥接地和有效的接地参考电压或浮点参考电压。图41a表示所谓的有源电桥,其中的可变电阻(传感器)是浮动的,即与地隔离,并接入OPAM的反馈回路。如果电阻式传感器的传递函数可用一阶函数建模: , (44) 其中 α 是输入激励,此电路的传递函数为 。 (45) 图 41. 运算放大器至电阻式电桥电路(非平衡模式)的连接 具有 浮点电桥 和浮点参考电压源 V 的电路示于图 41b 。此电路可提供由反馈电阻(其值为 n R 0 )确定的增益: 。 ( 46 ) 具有非对称电阻( R ≠ R 0 )的电桥可以用于图 41c 所示的电路。该电路需要浮点参考电压源 V : ( 47 ) 当电阻式传感器接地且来自接口电路的增益合适时,可采用图 41d 所示的原理图。其传递函数由下式确定 ( 48 ) 要注意此电路可能包含平衡电位计,其电阻分区会包括在相应的电桥臂之中。电位计用于调节电桥元件的容差,或通过一些固定偏压补偿电桥的平衡。电桥完全平衡时,其输出电压 V out 等于电桥激发电压 +V 的二分之一。为了更好地利用运算放大器开环增益, n 的值不应超过 100 。 12 数据传输 来自传感器的信号可能要以数字或模拟的格式传输至系统的接收端。大多数情况下,数字格式显然需要在传感器处使用模拟至数字转换器。以数字格式传输有几个优点,其中最重要的是抗干扰性。因为数字信息的传输超出了本书的范围,我们不作进一步的讨论。不过在很多情况下,由于某些原因,无法进行数字传输。此时传感器的输出信号以模拟形式传输至接收位置。取决于连接,传输方法可分为 2 、 4 和 6 线制方法。 12.1 二线制传输 在制造工业中,二线制模拟发送器用于连接传感器至控制和监测器件。例如在制造工序中要测量温度时,二线制发送器传递该测量信号至控制室或把模拟信号直接连接至工序控制器。两条导线可用于传输电压或电流,不过工业标准上采用的是电流。导线携带的电流在 4 到 20mA 范围之间变化,表示输入激励的整个范围。零激励对应于 4mA ,最大值则对应于 20mA 。采用电流而不是电压有两个优点,如图 42 中所表明的。两根导线连接控制器位置至传感器位置。在传感器一侧,传感器连接至所谓的二线制发送器。该发送器可以是一个电压至电流转换器。即把传感器信号转换为变化的电流。在控制器一侧,有可提供高至 20mA 电流的电压源。两条导线形成电流回路,回路的传感器一侧是传感器和发送器,而在控制器一侧是以串联方式连接的负载电阻和电源。传感器信号发生变化时,发送器的输出电阻发生相应变化,因而在 4 和 20mA 之间的范围调节电流。携带了信息的相同电流,也用于为发送器和传感器提供工作电源。显然,即使在产生 4mA 电流的最低输出信号时,其产生的电压也必须足以为回路的发送器一侧提供电源。回路电流形成控制侧负载电阻端的压降。此电压即接收到的信号,适合于电子电路的进一步处理。二线制方法的一个优点是,传输电流不受连接导线电阻的影响(只要其不发生变化),因而也不受传输导线长度的影响,当然这是有限度的。 12.2 四线制 传感 有时需要把电阻式传感器连接至位于远处的接口电路。当这种传感器具有相对较低的电阻时(例如压敏电阻或 R TD 通常具有 100 量级的阻值),连线电阻就会造成严重问题,因为其改变了加于传感器的激发电压。这个问题可通过所谓的 4 线制方法(图 43a )解决。该方法能够在不必考虑连接导线电阻的情况下测量远处电阻的阻值。作为测量的主体,传感器通过四条而不是两条导线连接至接口电路。两条线连接至电流源,另外两条线连接至电压计或放大器。恒流源(电流泵)具有很高的输出电阻,因此其通过回路推送的电流几乎与回路中的电阻 r 无关。电压计或放大器的输入阻抗很高,因此没有电流从电流回路分流至电压计。电阻 R x 两端的压降为 , ( 49 ) 与任何连线电阻 r 无关。 4 线制方法是测量远距离探测器电阻的非常有效的手段,相当广泛地应用于工业和科研领域。 图 42. 二线制 20mA 模拟数据传输 图 43. ( a )远距离测量电阻的四线制方法;( b )电桥的六线制测量 12.3 六线制 传感 当惠斯登电桥电路位于远处时,电桥的端电压在电桥的温度稳定性方面发挥着重要作用。该电压通常是测量电压或控制电压。长距离传输导线可能引入与电桥激发电压相串联的不可接受的高电阻,干扰温度补偿。此问题可通过配置两条额外的馈送电压至电桥的导线解决,这样能够利用两条导线来测量电桥的端压(图 43b )。加于电桥的实际激发电压和电桥的差分输出电压,由具有可忽略的小输入电流的高输入阻抗的电压计测量。由此在数据处理端获得精确的电桥电压,且不受长距离传输线路的影响。
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    2020-11-11 15:48
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    传感器的接口电路(1/3)
    译者:穆心 译注:本文为《现代传感器手册(第四版)》一书英文版第五章的中文翻译,分三部分发出。译者出于学习和了解的目的翻译该文,同时也希望向同业就教,旨在厘清概念,夯实基础,启迪思维,促进创新。传感器可以千变万化,理论基础则万变不离其宗。而作为能够广泛应用的产品,又离不开具有创新精神的企业多年锲而不舍的精心研制和打磨。所以成功的企业,不只是创新基因强大,还必定是在诸多细节上不断积累自己的优势。制造设备可以一样,制造工艺可以大同小异,最终被市场所接受的,必定是那些具有优良性价比的产品。通过本文,可以对如何在具体的细节上改进产品窥知一二,进而举一反三。译者也希望借此能把个人爱好和个人的专业背景,与促进传感器产业的发展达成些微的联系;能够以绵薄之力,对从事或有志于从事研发制造传感器的工程技术人员及学生提供些微帮助。 原书名:《现代传感器手册——原理、设计和应用》,第四版, 2010 年;作者:雅各布•弗瑞登( Jacob Fraden )。 1 接口电路的输入特性 系统设计者很难把传感器直接连接到处理、监测或记录装置上,除非传感器带有内置的具有合适输出格式的电路。传感器产生的电信号常常是太弱,或太多噪声,或包含不需要的成份。此外,传感器的输出可能与数据采集系统的输入要求不匹配,即可能具有不适当的输出格式。为了使传感器与处理器件匹配,它们或者必须分享“共同值”,或者在其间需要有某种“配对”部件。换句话说,来自传感器的信号在输入处理器件(负载)之前,通常需要调节。这里提到的负载通常需要电压或电流作为其输入信号。 接口电路或信号调节电路具有特定目的:把来自传感器的信号变成与负载器件相匹配的格式。图 1 表示激励作用于传感器,传感器则通过接口电路连接至负载。为了有效地发挥作用,接口电路必须是两个主人的忠实奴仆:传感器和负载器件。其输入特性必须与传感器的输出特性匹配,其输出必须可连接至负载。我们关注的是传感器,所以下面我们将只讨论接口电路的前置部分。此外我们将讨论一些典型的有源传感器所需的激发电路,即用于那些需要电信号才能产生电输出的传感器的电路。 图 1. 接口电路匹配传感器和负载器件的信号格式 接口电路的输入部分可以通过几个标准数值加以规定。这些数值对计算该电路能如何精确地处理传感器的输出信号,以及该电路在总误差分配中占有多大份额,都是有用的。 输入阻抗表示传感器的电路负载有多大。阻抗可用复数形式表示为: , ( 1 ) 其中 V 和 I 是施加于输入阻抗的电压和电流的复数表示。例如,如果电路的输入模型化为输入电阻 R 和输入电容 C 的并联(图 2a ),则其复数输入阻抗可表示为 , ( 2 ) 其中 是角频率, j= 是虚数单位。在很低频率时,具有相对较低的输入电容和电阻的电路,其输入阻抗几乎等于输入电阻: 。所谓相对较低,这里意味着上公式的电抗部分较小,即下式成立: 。 ( 3 ) 图 2. ( a )接口电路的复数输入阻抗;( b )电压生成传感器的等效电路 考虑电路的输入阻抗时,必须同时考虑传感器的输出阻抗。例如,如果传感器具有电容性质,要确定输入级的频率响应,传感器的电容必须以并联方式与电路的输入电容相连。公式( 2 )提示,输入阻抗是信号频率的函数。随着信号变化速率的增加,输入阻抗减小。 图 2b 表示一种电压生成传感器的等效电路。该电路由传感器的输出阻抗 Z out 和电路的输入阻抗 Z in 构成。来自传感器的输出信号用电压源 e 表示,其以串联的形式与传感器的输出阻抗相连。除电压源外,对某些传感器,把其输出信号表示为来自电流源则更为方便,这时需要以并联的方式与传感器输出阻抗连接。两种表示方法互相等效,所以我们采用电压形式。考虑到两者的阻抗,电路输入电压 Vin 表示为 。 ( 4 ) 在一些特定情况下,需要对传感器的等效电路给以定义。这有助于分析传感器—接口电路组合的频率响应和相位滞后。例如,电容式探测器可模型化为以并联方式与输入阻抗连接的纯电容。另一个例子是压电式传感器,其可以表示为带有分流电容(大约 10pF )的阻值很高的电阻(大约 )。 为了说明输入阻抗特性的重要性,让我们考虑一个连接于输入阻抗的纯电阻式传感器,如图 2 所示。作为频率 f 的函数的电路输入电压可以由下式表示 ( 5 ) 其中 是转折频率(即振幅下降 3dB 时的频率)。如果我们假定振幅检测时需要 1% 的精确度,那么我们就可以计算出电路能够处理的最大激励频率: , ( 6 ) 或者 ;也就是说必须如此选择阻抗,才能确保足够高的转折频率。例如,如果激励的最高频率是 100Hz ,转折频率必须选择为至少 700Hz 。实际上, fc 要选择得更高些,因为后续电路中还有额外的频率限制。 不能忽略接口电路的前置电路的响应速度。最常用于接口电路构建模块的运算放大器,通常具有有限的频带宽度。有所谓的可编程运算放大器,能让使用者控制(编程)偏置电流,从而控制前置电路的频率响应。电流越大,响应就越快。 图 3. 输入级电噪声源的等效电路 图 3 是一种接口电路输入特性的更详细的等效电路,例如放大器或 A/D 转换器。该电路表征为输入阻抗 Zin 和几个发生器。这些发生器表示由电路自身产生的电压和电流。这些信号是寄生的,如果不妥善处理,可能会造成严重的问题。所有这些干扰信号都与温度有关。 电压 e0 称为输入偏移电压。如果电路的输入端短路,该电压会冒充存在一个具有 e0 的值的输入 dc 信号。需要注意的是,偏移电压源与输入串联,其导致的误差与传感器的输出阻抗无关。 输入偏置电流 i0 也是由电路产生的。对于很多双极型晶体管来说,其值相当高,对于结型场效应管则很小, CMOS 电路就更小。当电路或传感器用在高阻抗器件时,这个电流可能会带来严重问题。偏置电流流过电路的输入阻抗和传感器的输出阻抗,导致寄生的压降。该电压可能会达到能造成影响的量级。例如,如果一个压电式传感器连接到具有 ( )输入电阻的电路,输入偏置电流为 1nA ( ),输入端的压降即等于 ,这的确是很高的值。与偏移电压相比,偏置电流导致的误差正比于传感器的输出阻抗。对于具有低输出阻抗的传感器,该误差小到可以忽略。例如,电感式检测器就对偏置电流的大小或变化不敏感。 用于高阻抗电路时,电路板的漏电流可能成为误差的来源。该电流可能是印刷电路板( PCB )中的较差的表面电阻导致的。产生的原因可能是:质量低劣的 PCB 材料,焊剂残渣造成的表面污染(清洁不良的电路板),潮湿,失效的保护涂层。图 4a 表示电源总线和板电阻 RL 可以导致通过传感器输出阻抗的漏电流 iL 。如果传感器是电容性的,其输出电容会被漏电流快速充电。这不仅会导致误差,甚至还会导致传感器损坏,特别是当传感器用于一些化学混合物时(比如电阻式湿度传感器)。 已知有几种技术可使电路板漏电流最小化。一种是仔细安排电路板布局,使高电压导体避开高阻抗器件。在多层电路板中经厚度方向的漏电也不容忽视。另一种方法是电气防护,这是一种老方法了。所谓的有源屏蔽也很有效。其做法是用连接到与输入具有相同电势的低阻抗点的导电线路覆盖输入电路。这种防护装置从电路板的其它点吸收漏电流,极大减少了可能到达输入端的电流。要彻底消除漏电流,需要在印刷电路板两面都有防护环路。举例来说,放大器就带有防护环路,由放大器反相输入的相对较低阻抗驱动。 图 4. ( a )电路板漏电影响输入级;( b )输入级的有源屏蔽 十分可取的做法是把高阻抗接口电路置于尽可能靠近传感器的位置。然而有时连接线是无法避免的。这时推荐采用具有良好绝缘的同轴屏蔽电缆。对于关键应用,聚乙烯或高级纯(未经改性的)特氟龙是最佳选择。除了潜在的绝缘问题外,甚至短的布线也会在高内阻时导致无法接受的带宽下降。这些问题通过改善电线屏蔽即可在很大程度上避免。图 4b 表示连接于放大器反相输入端的电压跟随器。跟随器驱动电线的屏蔽,从而减小因电线弯曲导致的电线的电容、漏电流和寄生电压。跟随器同相输入端的小电容改善了其稳定性。 必须避免的另一个问题,是把除了传感器以外的、有可能导致问题的器件连接至放大器的输入端。这种“麻烦制造者”的一个例子是陶瓷电容器。希望滤除输入端的高频传输噪声时,设计者往往在输入端或输入级的反馈电路中采用滤波电容器。如果出于节约成本或节省空间的原因选用了陶瓷电容器,就会带来不希望出现的麻烦。很多电容器具有所谓的电介质吸收特性,表现为一种记忆效应。如果这种电容器承受来自传感器或电源、或只是来自任何外部噪声源的尖峰电荷,该电荷就会改变电容器的介电特性,让电容器此时变得像个小电池。这个“电池”或许会花很长时间才会耗尽其电荷:从几秒到数小时。由此“电池”产生的电压被加至传感器的信号,有可能导致明显的误差。如果在输入级必须使用电容器,应该采用薄膜电容器,而不是陶瓷电容器。 2 放大器 大多数无源传感器只产生微弱的输出信号。这些信号的大小可能在微伏( V )或微微安( pA )的量级。换句话说,标准的电子数据处理器,诸如 A/D 转换器、调频器、数据记录器等等,需要伏特( V )和毫安( mA )这样的量级相当大的输入信号。因此需要把传感器输出信号进行放大,电压增益需高至 10,000 ,电流增益需高至 1 百万。放大是信号调节的一部分。有几种标准配置的放大器,可用于放大来自各种传感器的信号。这些放大器可由分立元器件构成,诸如半导体器件、电阻、电容和电感。作为另一种选择,放大器也常常由标准构建模块组成,诸如运算放大器和各种分立元器件。 需要清楚了解的是,放大器的用途十分广泛,不只限于增加信号大小。放大器也可以是阻抗匹配器件,信噪比增强器,滤波器,以及输入和输出之间的隔离器。 2.1 运算放大器 放大器的基本构建模块之一,是所谓的运算放大器( OPAM ),其可以是集成型(单片电路)或混合型(由单片电路和分立器件组成)电路。集成 OPAM 可以包含数百个晶体管以及电阻和电容。通过在 OPAM 周边配置分立元件(电阻、电容、电感等),模拟电路设计者可以创建无数种有用电路,不仅仅是放大器,还可以有很多其它类型的电路。运算放大器也可用于模拟或混合技术类型的定制集成电路的构成单元。这些电路被称为专用集成电路,缩写为 ASIC 。下面我们将介绍一些采用 OPAM 的典型电路,这些电路经常使用于连接各种传感器。 作为构建模块,好的运算放大器具有如下性能( OPAM 原理图表示见图 5 ): Ÿ 双输入:一个反相( - ),一个同相( + ); Ÿ 高输入电阻(数百 M 甚至 G 的量级); Ÿ 低输出电阻(零点几 ); Ÿ 具有驱动电容负载的能力; Ÿ 低的输入偏移电压 e0 (几个 mV 甚至 V ); Ÿ 低的输入偏置电流 i0 (几个 pA 甚至更低); Ÿ 很高的开环增益 (至少 ,最好是超过 )。即 OPAM 必须能够以 为因数,增大(放大)其两个输入之间的电势差 Vin ; Ÿ 高共模抑制比( CMRR )。即放大器抑制施加于其两个输入端的同相等幅输入信号(共模信号) VCM ; Ÿ 低的固有噪声; Ÿ 宽的工作频率范围; Ÿ 对电源电压的变化敏感性低; Ÿ 其自身特性具有高的环境稳定性。 关于详细信息和应用指南,使用者可参考相应制造商出版的数据手册和商品目录。这样的商品目录通常包括关于 OPAM 的每个重要特性的选择指南。例如, OPAM 按照诸如低偏移电压、低偏置电流、低噪声、带宽等等标准进行分级。 图 5. ( a )运算放大器的通用符号;( b ) OPAM 的增益 / 频率特性 图 5a 表示没有任何反馈组件的运算放大器。所以其工作在所谓的开环状态。 OPAM 的开环增益 总是标明的,但其并不是一个很稳定的参数。其与频率的关系可以用图 5b 近似表示。 AOL 随负载电阻、温度和电源波动而变化。很多放大器具有 0.2 至 1%/ ℃ 量级的开环增益温度系数,以及 1%/V 量级的电源增益敏感性。 OPAM 很少用于开环(没有反馈组件),因为高的开环增益会导致电路失稳,以及大的温度漂移、噪声等等。例如,如果开环增益是 , 10 V 输入电压的偏移可导致大约 1V 的输出偏移。 OPAM 放大小幅高频信号的能力由增益带宽乘积( GBW )指定,其值等于放大器增益为一时的频率 f1 。换句话说,高于 f1 频率时,放大器则无法放大。图 6a 表示同相放大器,其中电阻 R1 和 R2 构成反馈回路。此时的增益 A=1+R2/R1 是闭环增益。其在相当宽的频率范围都可看作常数(见图 5b ),然而不管是否有反馈, f1 都是频率限制因子。线性度、增益稳定性、输出阻抗和增益精度都可以通过反馈深度加以改善,且这时主要取决于反馈组件的特性。作为适度精度的一般原则,在所关注的最高频率, OPAM 的开环增益应该大于其闭环增益的 100 倍。对于更高的频率,开、闭环增益比值应该为 1,000 或更大。 图 6. ( a )同相放大器;( b )用连接于运算放大器输入端的发生源表示其偏移电压和偏置电流 OPAM 的典型数据手册指定偏置和偏移电压。由于制造技术的限制,任何 OPAM 不仅是个纯放大器,而且会是个可能与输入相关的电压和电流的发生器(图 6b )。因为这些寄生信号实际上施加于输入端,就与有用信号一起被放大了。 由于偏移电压和偏置电流,当施加零输入信号时,接口电路并不产生零输出。在直流耦合电路中,这些不良输入信号可能无法与有用信号区别开来。如果在所需精度下输入偏移电压仍然很大,可以由放大器直接将其消除(如果放大器具有消除端),或者采用单独的偏移补偿电路消除。 应用工程师会关注输出偏移电压,其可由下式导出: ( 7 ) 其中 Reqv 是输入端的等效电阻(传感器的输出电阻和放大器的输入电阻的结合), e0 是输入偏移电压, i0 是输入偏置电流。偏移与温度有关。在放大器具有高增益的电路中,输出电压偏移会是明显误差的来源。有几种方法来解决这个问题。其中一个方法是选择具有低偏置电流、高输入电阻和低偏移电压的放大器。斩波稳定式放大器对减小偏移电压有特殊效果。 2.2 电压跟随器 电压跟随器(图 7 )是一种提供阻抗由高至低转换的电路。典型的跟随器具有高输入阻抗(高输入电阻和低输入电容)和低输出电阻(输出电容无差别)。好的跟随器具有十分接近于一(较低频率时的典型值为 0.999 )的电压增益和高电流增益。本质上它是个电流放大器和阻抗转换器。其高输入阻抗和低输出阻抗,使其在许多传感器和信号处理器件之间起到不可或缺的连接作用。 连接于传感器时,跟随器对其性能的影响很小,由此在传感器和负载之间提供缓冲作用。设计跟随器时,以下这些技巧或许是有用的: Ÿ 对于产生电流的传感器,跟随器的输入偏置电流必须小于传感器的电流至少 100 倍。 Ÿ 输入偏移电压必须或者可以微调,或者小于要求的最低有效位( LSB )。 Ÿ 偏置电流和偏移电压的温度系数应该在整个温度范围区间不会导致大于 1LSB 的误差。 图 7. 采用运算放大器的电压跟随器 2.3 测量放大器 测量放大器( IA )具有两个输入和一个输出(图 8 )。其与运算放大器的区别在于它的有限增益(通常不大于 100 )和连接至信号源时其两个输入的可用性。后一个特性意味着所有需要的反馈组件连接至测量放大器的其它部分,而不是其同相和反相输入。 IA 的主要功能是产生一个正比于其两个输入之间电压差的输出信号: , ( 8 ) 其中 V+ 和 V- 分别为同相和反相输入端的输入电压, a 是增益。确保两个输入端具有高的输入电阻很重要,以便放大器能够用于真正的差分形式。放大器的差分输入对于抑制具有相加性质的共模干扰十分重要。因此 IA 应具备高的共模抑制比( CMRR ),即其输出信号应该对 V+ 或 V- 的值不敏感,但只对两者的差异做出反应。 测量放大器可以用几个独立的 OPAM 以单片或混合的形式构建。现在,测量放大器已经可以由很多制造商以单片电路的形式提供。一个高质量的单片测量放大器的例子是由德州仪器公司制造的 INA118 。该放大器具有 50 V 的低偏移电压(当两个输入端连在一起时这款 IA 产生的输出信号)和高的 CMRR ( 110dB )。增益由单一电阻设置。同样,许多集成电路,诸如微控制器或 DSP (数字信号处理器),都有内置的、作为输入传感器和内部 A/D (模拟至数字)转换器之间直接接口的输入测量放大器。 图 8. 测量放大器 2.4 电荷放大器 电荷放大器( CA )是一类十分特殊的电路,其必须有极低的偏置电流。这类电路用于把来自电容式传感器、量子探测器、热电传感器和其它器件的信号转换为电压信号,这些器件产生很小的电荷(微微库仑量级, pC )或电流(微微安量级)。电荷至电压转换器的基本电路示于图 9a 。电容 C 接入 OPAM 的反馈网络。其漏电阻 r 必须明显大于最低工作频率时电容的阻抗。通常推荐采用优质薄膜电容,同时采用优质印刷电路板,其上组件用保形涂层涂覆。 此转换器的传递函数为 。 ( 9 ) 对于精密应用,可以选择专门集成电荷感应前置放大器的商业化产品。 很多传感器可被模型化为电容。一些电容式传感器是有源的,即它们需要激发电路。例如麦克风、电容式力学和压力传感器,以及湿度探测器。其它电容式传感器是无源的,即可直接把激励转换成电荷或电流。例如压电式和热电式探测器。也有非电容式传感器可视为电流发生器。一个例子是光电二极管。 图 9. 电荷至电压( a )和电流至电压( b )转换器 图 10. 电流产生传感器的等效电路 电流产生传感器模型化为漏电阻 r 与具有无限高内阻的电流源并联(图 10 )。传感器产生电流 i ,其有两个路径流出:一个是通过传感器漏电阻 r 的电流 i0 ,另一个是流向接口电路输入阻抗 ZL 的电流 iout 。显然电流 i0 是无用的,要使电流至电压转换的误差最小化,传感器的漏电阻必须远大于接口电路的阻抗(图 11 )。 图 11. 同相电流至电压转换器 欧姆定律提示,要把电流 iout 转换成电压,电流要通过一个合适的阻抗,该阻抗两端的压降要正比于电流的幅度。图 9b 表示一个基本的电流至电压转换器,其中电流发生传感器连接至作为虚拟地的 OPAM 的反相输入。换句话说,反相输入端的电压几乎等于接地的同相输入端电压。传感器在其输出端接近于零电压状态工作,其电流决定了 OPAM 的输出电压: ( 10 ) 图 12. 电阻倍增器( a )和( b ) 为了电路的稳定性,通常需要有 r << R 的电阻,因为在高频时,如果没有这样的电阻, OPAM 会工作于接近开环增益状态,有可能导致振荡。若传感器不具有小内阻就更需注意。虚拟接地的优点是输出信号与传感器的电容无关。该电路产生在相位上相对于电流偏转 180 ° 的电压。示于图 12a 的同相电路能够转换和放大这样的信号,然而其速度响应取决于传感器的电容和转换电阻 R1 两者。因此,对阶跃函数的时域响应可表示为 。 ( 11 ) 当转换电流来自压电式和热电式这样的传感器时,电阻 Rb (图 9b 中的 R )可能需要有数十或数百吉欧的量级。在很多情况下,这么高阻值的电阻也许不易获得,或者由于差的环境稳定性而无法使用。高阻值电阻可由电路来模拟,被称为电阻倍增器。通过在放大器的正输入端采用该放大器的正反馈配置来实现。图 12a 表示用 R1 和 R3 形成电阻分压器。由于 OPAM 的高开环增益,在同相和反相输入端的电压几乎相等: 。由此分压器的电压 V2 为 , ( 12 ) 流过电阻的电流通过压降确定: 。 ( 13 ) 由此公式,可得出作为输入电流和电阻回路的函数的输入电压: 。 ( 14 ) 可见电阻 Rb 增加了倍增因子 ( 1+R3/R1 ) 。举例来说,如果你能够考虑的最高阻值是 10 ,通过选择插入比如说是 5 的倍增因子,就可以得到 50 的等效电阻。作为一种有效的技巧,必须慎重使用电阻倍增。显然,噪声、偏置电流和偏移电压,所有这些也都会以同样的因子( 1+R3/R1 )倍增,在一些应用中这或许是不可接受的。加之,因为回路形成正反馈,有可能引发电路不稳定。因此在实际电路中,电阻倍增应当限制在因子 10 以内。如果放大器的负输入端需要电阻倍增,图 12b 的电路是现成可用的。电阻倍增的推导与公式( 14 )相同。 3 光至电压转换器 光至电压转换器基于光电传感器和电流至电压转换电路的组合。为了检测典型情况为一或几个光子的极低强度的光,通常使用光电倍增管,然而在要求不高的应用中,可采用三种类型的光电传感器:光电二极管、光电晶体管和光敏电阻。它们利用了爱因斯坦发现的光电效应,这为其赢得了诺贝尔奖。光电二极管和光电晶体管的区别在于半导体芯片的结构。光电二极管有一个 p-n 结,而光电晶体管有两个 p-n 结,晶体管的基级可能是空置的,也可能具有独立的端子。基级电流是光感应电流,经晶体管的 b 放大后产生集电极电流。因此光电晶体管相当于内置电流放大器的光电二极管。 图 13. ( a )光电二极管的等效电路;( b )与电流至电压转换器连接的 反相偏置的光电二极管;( c )电路的负载曲线 从电的角度来看,光电二极管可表示为如图 13a 所示的等效电路。其包括一个电流源(内输入阻抗无限大),一个并联的常规二极管(如同整流二极管),结电阻 Rj ,结电容 Cj 和串联电阻 Rs 。电流源产生正比于光通量的光电流。该电流以光电二极管的负极( - )至正极( + )的方向流过。注意在很强的光照下,光电流将开始通过非线性整流二极管流动,这会使线性度变差。 光电二极管可用于伏打或电流模式。伏打模式中,光电二极管连接至极高的电阻( )和优质电压放大器。此时二极管的作用就像电池,其电压正比于光强度。该电压是光电流 ip 通过内部结电阻 Rj 产生的。而在电流模式中,光电二极管实际上是短路的(二极管两端电压为零),电流 ip 被导向电流至电压转换器,如下文的解释。这种节点连接很常用,特别是需要高速响应的应用。 图 14. ( a )带有电流至电压转换器的零偏置光电二极管;( b )传递函数图示 图 15. ( a )采用光电晶体管的光至电压转换器;( b )传递函数图示 采用运算放大器的电路示于图 13b 。注意参考电压 Vr 在光电二极管两端产生一个恒定的反向偏压。图 13c 表示具有负载电阻 R 的工作点。采用反向偏压光电二极管的电路具有高速响应和宽比例范围输出的特性。因而此电路被广泛使用。另一种采用运算放大器的电路是在光电二极管两端施加零偏置,如图 14a 所示。这种配置在宽的工作范围内提供接近理想的短路电流。输出电压( Vout )由 Vout=ipR 给定。图 14b 表示输出电压与辐射强度之间的关系(传递函数)。给光电二极管提供无偏置和高阻抗负载的配置,减少了暗电流的影响,增加了与辐射强度相关的光电流的线性范围。需要注意的是,在相当小的光照下要得到有效的输出(几百毫伏),电阻 R 的值要相当大,达到 100 甚至几个 的量级。如果找不到这样的电阻,可以谨慎采用图 12c 中所示的电阻倍增电路。倍增因子不应大于 10 ,因为电路中所有不好的因素都会倍增:偏移电压、偏置电流,以及噪声。使用高欧姆电阻时,光电传感器和接口电路需要做电气屏蔽。即使环境与这种电阻的微小电容耦合,也会带来很多干扰,特别是来自电源线( 60 或 50Hz )的干扰。 用于光电晶体管的接口电路是类似的,除了其集电极 - 发射极端子之间需要施加电压,如图 15a 所示。该电路的传递函数示于图 15b 。光电晶体管电路对光敏感得多,但代价是强光照时较高的非线性。 这里我们没有叙述用于光敏电阻的接口电路,因为任何合适的电阻测量电路都能用于此目的。一个例子是惠斯通电桥电路,我们将在下面讨论这种电路。 4 激发电路 有源传感器的工作需要外部电源。例如温度传感器(热敏电阻和 RTD )、压力传感器(压电式和电容式),以及位移(电磁式和电阻式)。电源可用不同形式施加于传感器。可以是恒压、恒流,以及正弦或脉冲电流。甚至可以用光或电离辐射的形式提供。这种外部电源叫作激发信号。在很多情况下,稳定和精确的激发信号直接与传感器的精度和稳定性相关。因此,产生具有所需精度的信号,使传感系统的整体性能不会变差就十分必要。下面我们评述几种向传感器馈送合适的激发信号的电路。 4.1 电流发生器 电流发生器常用于以预先确定的电流馈送至传感器的激发电路,该电流在一定范围内与传感器特性、激励值或环境因素无关。一般来说,电流发生器(电流泵)是一种产生的电流与负载阻抗无关的装置。即在发生器的能力范围内,其输出电流的大小必须基本上保持与负载阻抗的任何变化无关。也就是说理想的电流源(发生器)具有无限高的输出电阻,因而任何串联的负载值不会导致任何改变。向变化的负载提供电流时,根据欧姆定律,相应的电压必须同步改变。 电流发生器能够用于传感器接口,在于其产生精确控制大小和形状的激发电流的能力。因此电流发生器不仅要产生与负载无关的电流,而且还必须能够由外部信号源(波形发生器)进行控制,在大多数情况下这种信号源具有电压输出。好的电流发生器必须能够产生以高保真度跟随控制信号,且在宽的阻抗范围与负载无关的电流。 电流发生器有两个主要特性:输出电阻和电压裕度。输出电阻要按实际情况尽可能的高。电压裕度则是在不影响输出电流情况下负载端能够达到的最高电压。对于高电阻负载,根据欧姆定律,一个给定的电流需要较高电压。例如,如果所需激发电流为 i=10mA ,在任何给定频率下最高负载阻抗为 ZL=10 ,则需要至少 iZL=100V 的电压裕度。下面我们来了解一些有用的电路,这些电路在电压裕度增大时,其输出电流仍然能够由外部信号控制。 单极电流发生器既可称作电流源(产生流出的电流),也可称作电流阱(产生流入的电流)。这里单极的意思是其能够产生只有一个流向的电流,通常是流向接地端。很多这样的发生器利用了晶体管的电流 - 电压特性。电压控制的电流源或阱可包括运算放大器(图 16 )。在这样的电路中,精密和稳定的电阻 R1 确定输出电流 iout 。该电路带有通过 OPAM 的反馈环,以保持电阻 R1 的端电压恒定,因而电流也恒定。要在最大电压裕度时发送较高电流,检测电阻 R1 两端的压降需要尽可能的小。实际上所需电流等于 V1/R1 。为获得更好性能,流过输出晶体管基级的电流应该最小化,因而通常采用场效应晶体管而不是双极型晶体管作为输出电流发送器件。 众所周知,晶体管的集电极电流与集电极电压的相关性很小。这一特性被用于所谓的电流镜。电流镜具有一个电流输入和至少一个(可能有几个)电流输出。因此输出电流受输入电流控制。输入电流通过外部源(比如电压源加电阻)施加,应当具有已知的值。所谓的威尔逊电流镜具有大约与输出电流相同大小的控制电流,即具有 1 : 1 的输入 - 输出比。也可以设计出具有其它比值的镜子,比如 1 : 2 和 1 : 4 。商业化产品类的电流镜可能具有很宽的电流范围,比如美国模拟器件公司的集成电流镜产品 ADL5315 ,其电流从 3nA 到 3mA 。 图 16. 带有 OPAM 的电流源 图 17. ( a )具有浮动负载同相电路的双极电流发生器;( b )具有虚拟接地的电路 对于很多传感器,可能需要双极电流发生器。这种发生器为传感器提供可以在两个反向(流入和流出)流动的激发信号。图 17 表示负载连接成反馈回路的运算放大器构成的同相( a )和反相( b )电路。通过负载 ZL 的电流等于 V1/R1 ,与负载无关。负载电流在放大器的工作范围内跟随 V1 。该电路的一个明显的缺陷是其负载是“浮动的”,即该负载没有连接到接地总线或任何其它基准电压。对于一些应用这没有任何问题,不过很多传感器需要接地或其它的参考点。示于图 17b 的电路保持负载阻抗一端接近地电位,因为 OPAM 的同相输入端是虚拟地。不过即使在这个电路中,负载依然完全与地隔离。这种隔离的一个负面影响是获取各种传输噪声的可能性增加了。 图 18. ( a )带有负载接地参照的霍兰德电流泵的电流发生器; ( b )具有两个 OPAM 的电流泵 在传感器必须接地的情况下,可以使用由 MIT 的霍兰德( Brad · Howland )发明的电流泵(图 18a )。这种泵的工作基于对围绕运算放大器的负反馈和正反馈两者的利用。负载连接至正反馈环路。通过负载的电流由下式确定 ( 15 ) 微调电阻 P 必须调整到确保下式成立 ( 16 ) 该电路中,每个电阻或许具有相对较高的值( 100 或更高),但 R5 的值要相对小些。这个条件改善了霍兰德电流泵的效率,因为 R5 两端消耗了较小的电压, R4 和 R3 则消耗了较小的电流。对大多数电阻负载,这个电路是稳定的,不过为了确保稳定性,可以在负反馈中或 / 和在运算放大器的正输入到地间增加几个微微法拉的电容。若负载为电感性,当施加快速瞬态控制信号时,需要无限大的跟随电压以传送设定电流。因此电流泵会产生有限的输出电流上升斜率。流动的电流会在输出端产生感应尖峰,这对运算放大器有可能是毁灭性的。对大的电感性负载,用二极管连接负载至电源总线是明智的。 一种采用四个匹配电阻和两个运算放大器的高效的电流泵如图 18b 所示。其输出电流由下式确定 。 ( 17 ) 这种电路的优点是电阻 R 可选择相对较高的值,并可封装在相同热均一性的护罩内,以便获得更好的热跟踪性能。 4.2 电压基准 电路 电压基准电路是一种产生很少受电源、温度、负载、老化和其它因素影响的恒定电压的电子器件。有几种技术常用于产生这样的电压。可获得的很多电压基准电路是单片形式,具有各种不同电压。大多数这种电路都与所谓的带隙基准电路一起工作。 4.3 振荡器 振荡器是各种电子信号的发生器。在很多利用微处理器或微控制器的应用中,可在 I/O 端口之一获得方波脉冲。若无法利用这种端口,就需要开发独立的振荡器。任何振荡器基本都由增益级和一些非线性的、带有一定数量正反馈的电路构成。根据定义,振荡器是一种非稳定电路(与放大器相对比,后者最好是稳定的!),其时间响应应该或者是稳定的,或者依据预设的函数相关性而变化。后者称为调制。通常有三种类型的电子振荡器,按计时元件分类为: RC 、 LC 和晶体振荡器。在 RC 振荡器中,工作频率由电容( C )和电阻( R )确定, LC 振荡器中则由电容( C )和电感( L )元件确定。对于晶体振荡器,工作频率由特殊切割的压电晶体(通常为石英和陶瓷)的机械谐振确定。有很多不同的振荡电路,对其作全面介绍已超出了我们的范围。下面我们简单叙述一些实用电路。 很多不同的多谐振荡器可用逻辑电路构建,例如采用 NOR 、 NAND 门或二进制反相器。并且很多多谐振荡器可由比较器或具有高开环增益的运算放大器设计构成。在所有这些振荡器中,电容和电阻的组合都是一种计时组合。这种电路被称为张弛振荡器。充电电容的端电压与另一电压相比较,该比较电压或者是恒定的,或者以不同速率变化。两者电压相等的时刻由比较器测定。比较指令反馈到 RC 回路,以相反方向改变电容的充电,即放电。以新的方向再次充电至下一个比较时刻。以这种基本原理工作起码需要如下最少组件:一个电容,一个充电电路,一个阈值器件(比较器)。一些单片张弛振荡器可由很多制造商处获得,例如非常普及的计数器 555 型,这种电路能够工作在单稳态或非稳态模式。作为例证,下面我们仅叙述两种分立元件方波振荡器,不过这类电路多种多样,读者可参考关于运算放大器和数字系统的相关书籍。 一种非常普及的方波振荡器(图 19 )可由 OPAM 或电压比较器构建。放大器带有两个反馈环路:一个是负的(连接至反相输入),另一个是正的(连接至同相输入)。正反馈(经由 R3 )控制阈值电平,而负反馈环路则通过电阻 R4 使定时电容 C1 充电和放电。该振荡器的频率可由下式确定 , ( 18 ) 其中 是电阻 R1 和 R2 并联时的等效电阻。 图 19. 采用 OPAM 的方波振荡器 图 20. LC 正弦波振荡器 图 20 中所示的两种电路能够产生正弦波信号。该电路采用 npn 晶体管作为放大器, LC 回路用于设定振荡频率。电路( b )在驱动 LVDT 位置传感器时特别有用,因为传感器的变压器成为了振荡电路的一部分。 图 21. 作为电容式占位探测器的 LC 射频振荡器 射频振荡器可用于电容式占位探测器的一部分,在其天线附近探测人的存在(图 21 )。天线是个线圈,与电容 C2 共同确定振荡频率。天线通过其分布式电容与环境耦合,使振荡器的频率有所减小。当有人进入天线附近时,引入了额外的电容,进一步降低了振荡器频率。振荡器的输出与谐振回路(典型情况是 LC 回路)耦合,该回路调谐在基准频率(接近 30MHz )。 4.4. 驱动器 与电流发生器相反,电压驱动器必须在宽的负载范围上产生输出电压,且工作频率与输出电流无关。有时电压驱动器称为 硬电压源 。当要驱动的传感器是纯电阻时,通常驱动器可以是简单的输出级,能够提供足够的电流。不过当负载包括电容或电感,即负载为电抗性的,输出级就成为一个相当复杂的装置。 在很多实例中,虽然负载是纯电阻,还是会有一些电容性与之相关。这可能发生在负载连接于很长的电线或同轴电缆的情况。如果同轴电缆的长度大于同轴电缆中所需频率对应的波长的 1/4 ,同轴电缆就表现为连接在其中心导线和屏蔽层之间的电容。同轴电缆的最大长度由下式给出 , ( 19 ) 其中 c 是同轴电缆介质中的光速。 举例来说,如果 f=100kHz , =49.5 ,即电缆大于 49.5 m 时将表现为并联于负载的电容(图 22a )。对规格为 RG-58A/U 的电缆,其电容为 95pF/m 。出于两个理由必须考虑这个电容:电路的工作速率和稳定性。不稳定起因于由驱动器输出电阻 RO 和负载电容 CL 产生的相移: 。 ( 20 ) 例如,如果 R=100 , C=1000pF ,在 f=1MHz 时,相移 。这个偏移明显减小了反馈回路中的相位裕度,这会导致响应的显著变差,降低驱动电容性负载的能力。当整个系统振荡时,不稳定就成为整体性的;或者当驱动器自身失稳时,不稳定性则是局部的。局部不稳定性可用连接于电源两端的大旁路电容( 10 量级)解决,或者用所谓的 Q 抑制器,由串联的 3 ~ 10 电阻和盘式陶瓷电容连接驱动器电源端至接地构成。 图 22. 驱动电容性负载。( a )负载电容通过反馈与驱动器输入耦合;( b )电容负载的解耦 要使驱动级对电容性负载更加兼容,可以用小的串联电阻进行隔离,如图 22b 所示。小的电容( Cf )反馈至放大器的反相输入端, 10 的电阻则能够驱动大到 0.5 的负载。不过在任何具体情况下,推荐采用实验方法找出该电阻和电容的最佳值。 4.5 光学驱动器 在一些应用中,光学传感器接收来自自然光源的光,例如天体或火焰,也接收来自人造光源的光,例如闪光材料、白炽灯或荧光灯。在很多其它情况下,必须提供特殊光源。一个例子是电视机遥控接收器的光探测器。这种传感器在接收到来自遥控发送器的连续光(近红外)脉冲时才会产生输出。发送器必须包含具有匹配光谱特性的光发射器。最常见的光发射器是发光二极管( LED ),其工作在从 UV 至近红外频谱范围。 LED 产生的光的强度近似正比于流过二极管的电流。用于 LED 的最简单的驱动电路示于图 23a 。该电路包括一个 dc 电压源或是脉冲电压源,以及一个限流电阻 R 。电流 i 由下式确定 , ( 21 ) 其中 VD 是 LED 两端的电压(典型情况为 1.5 至 2.0V )。此电压与电流和温度有关,因而由 LED 产生的光的强度也与电流和温度有关。对于精确的应用,流过 LED 的电流应该维持恒定。因此取代限流电阻的,是采用电流源,如图 23b 所示。此驱动器中,电流只由驱动控制电压和测量电阻 R 确定,因而与温度无关。 图 23. 用于 LED 驱动器的电阻( a )和电流源( b )
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    2020-10-29 17:14
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    2020-9-2 16:45
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    传感器材料与技术
    译者:穆心。 译注:本文为《现代传感器手册(第四版)》一书英文版 第十八章的中文翻译,译者出于学习和了解的目的翻译该文,同时向同业就教,旨在厘清概念,夯实基础。希望对促进传感器的自主创新和产业发展有所贡献,也希望对从事或有志于从事研发制造传感器的工程技术人员及学生有所帮助。 原书名:《现代传感器手册——原理、设计和应用》,第四版, 2010 年;作者:雅各布•弗瑞登( Jacob Fraden )。 传感器制造的方法多种多样,与具体设计有关。其中包括对半导体、光学部件、金属、陶瓷和塑料等材料的加工处理。这里我们简略说明使用的一些材料和最常用到的技术。 1 材料 1.1 作为感应材料的硅 硅存在于太阳和星体之中,是被称为石陨石的陨石中的主要成分。硅是地球上第二丰富的元素,仅次于氧。按重量计算,硅在地壳中的含量高达 25.7% 。在自然界中硅不会单独存在,主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。这些氧化物包括沙子、石英、白水晶、紫水晶、粘土、云母等。硅的制备方法是在使用炭电极的电炉中加热二氧化硅和碳的混合物。还有其它几种制备硅的方法。晶体硅具有金属光泽和浅灰色调。直拉法是常用的生长单晶硅的方法,这种单晶硅用于固态半导体器件和微机械传感器的制造。硅是比较呈惰性的元素,但会被卤素元素和弱碱侵蚀。除了氢氟酸以外的其它酸都不会对硅造成影响。元素硅可发射红外辐射,通常用于中、远红外传感器的窗口和透镜。 硅的原子量是 28.0855 ,原子序数是 14 。其熔点是 1,410 ℃ ,沸点是 2,355 ℃ 。在 25 ℃ 的密度是 2.33 ,化合价是 4 。 人们已经对硅的特性进行了详细的研究,其在传感器制造方面的应用也已在世界范围内做了广泛探索。硅材料造价低,而且现在可以用前所未有的纯度和完整度标准进行制备和加工。硅材料呈现出众多物理特性,这在传感器应用中相当有用(见表 1 )。 表 1 硅基传感器利用的材料效应 激励 效应 光照 光生伏特效应,光电效应,光电导性,光磁电效应 力学量 压阻效应,横向光电效应,横向光伏效应 热量 塞贝克效应,电导率和结的温度依赖性,能斯特效应 磁性 霍尔效应,磁阻,热岛效应 化学量 离子敏感性 令人遗憾的是,硅材料不具有压电效应(或许这也是幸运的事情,因为在很多传感器中,压电效应会产生干扰)。硅材料的多数效应都相当明显,例如霍尔效应,塞贝克效应,压敏电阻效应等。然而硅材料的一个主要问题是,其对很多激励产生的响应,表现出明显的温度敏感性。例如对应变力、光和磁场的响应,都会随温度而变化。对于那些硅材料不具备的效应,可以在硅衬底上淀积一层具有所需敏感性的材料。例如,在硅材料表面利用喷溅涂覆法形成一层 ZnO 薄膜,就能产生压电传感效应,可用来制造表面声波器件( SAW )和加速度计。近来在利用蚀刻方法形成的涂覆 ZnO 层的微机械悬臂的支撑端,也检测到了应力变化。 硅材料也表现出十分有用的机械特性。利用这些特性,通过微机电系统( MEMS )技术,硅材料可广泛用于诸如压力传感器、温度传感器和力及触觉传感器等器件的制造。利用在电子电路芯片的制造中已经充分完善的同样方法,薄膜和光刻制备工艺等,能够实现各种各样极其微小和极高精度的机械结构。大批量制造技术可被用于制造复杂和微型的机械部件,这是用其它方法难以做到的。 尽管单晶硅( SCSi )是一种脆性材料,难以弯曲(与多数氧化物基玻璃没什么不同),无法塑性变形(像多数金属那样),但它也不像通常认为的那样易碎。硅的杨氏模量值( 1.9×1012dyne/cm 或 27×106psi )接近于不锈钢,远高于石英和多数玻璃。之所以有硅材料易碎的印象,是因为通常看到的硅圆片(直径 5 ~ 13 厘米)只有 250 ~ 500 微米厚。即使是不锈钢,在这样的尺寸下,也很容易碎裂。 如上所述,单晶硅的很多结构和机械方面的不足,可以通过淀积薄膜加以弥补。例如为了防止集成电路芯片受到空气杂质和大气腐蚀效应的影响,工业上通常采用石英溅射的方法进行钝化处理。另一个例子是表面淀积氮化硅,这种物质的硬度仅次于金刚石。各向异性蚀刻,是在硅中进行三维微结构加工的关键技术。具有实用价值的蚀刻系统有两种。一种基于乙二胺和水及一些助剂;另一种只是由类似 KOH 、 NaOH 或 LiOH 的无机碱性溶液构成。 通过制备所谓的多晶硅( PS )材料,可以开发具有独特性质的传感器。采用真空淀积法,可以在氧化层厚度为 0.1 微米的氧化硅晶片表面形成多晶硅层(厚度在 0.5 微米量级)。半导体工业中使用的低压化学气相淀积技术( LPCVD ),可以制备掺杂硼的多晶硅层。 图 1 a. 掺硼硅的电阻率变化; b. 不同掺杂浓度时硅电阻率的温度系数变化。 与单晶硅比较,掺硼 LPCVD 多晶硅的电阻率变化如图 1a 所示。即使硼的掺杂浓度很高,多晶硅层的电阻率总是高于单晶硅的电阻率。低掺杂浓度下,多晶硅的电阻率迅速升高,所以只有恰当的杂质浓度范围对传感器制造有意义。多晶硅的电阻率随温度的变化是非线性的。通过选择掺杂浓度,电阻的温度系数可在很大的范围内选择,既可正相关,也可负相关(见图 1 b ) 。通常情况下,电阻温度系数随掺杂浓度的减少而增加。多晶硅层在任何给定温度下的电阻,可由下式表示 ( 1 ) 其中温度系数 , R20 是在标定点( T0=20 ℃ )的电阻值。由图 2a 可见,多晶硅的温度敏感性远高于单晶硅,而且可通过掺杂控制。值得注意的是,在某个特定的掺杂浓度,电阻率随温度的变化变得不敏感了( Z 点)。 图 2 a. 作为掺杂浓度的函数的温度系数; b. 硅的压阻敏感性。 对于压力、力学量或加速度传感器的开发,关键是要知道由应变系数表示的多晶硅电阻的应变敏感性。作为纵向应变 e 1 的函数,以无受力情况电阻值 R0 为参照,硼掺杂多晶硅电阻的相对电阻率变化曲线如图 2b 所示。该参数随掺杂量而变化。可以看出,电阻随压力增大而减小,随张力增大而增加。值得注意的是,应变系数(图 2b 中线的斜率)与温度有关。因为表面效应在器件特性方面只起到次要作用,所以多晶硅电阻的长期稳定性至少能够达到单晶硅电阻预期可以达到的水平。 1.2 塑料 塑料是由称为单体的化工原料制造的合成材料。例如乙烯这样的单体(即一个化学单元),与其它单体分子发生化学反应,形成重复乙烯单体的长链,就是称为聚乙烯的聚合物。类似的,聚苯乙烯是苯乙烯单体合成的。聚合物由碳原子结合其它元素构成。聚合物化学家仅用八种元素,就可以合成数以千计的不同塑料。这些元素是碳( C ),氢( H ),氮( N ),氧( O ),氟( F ),硅( Si ),硫( S )和氯( Cl )。以各种方法把这些元素合成在一起,就产生了非常大和复杂的分子。 在与其它原子结合时,各个原子具有限定的键合能力(能键),分子中每个原子的所有能键都必须满足,化合物才是稳定的。例如,氢只能键合一个其它原子,碳或硅则必须结合四个其它原子,才能满足其能键。因此, H-H 和 H-F 是稳定的分子,而 C-H 和 Si-Cl 则不是。图 3 示意所有八个元素原子及其相应的能键。 图 3 构成聚合物的原子模块 在分子链中添加更多的碳原子和与之相应的更多的氢原子,就可以形成更重的分子。例如,乙烷( C2H6 )气体比甲烷气体重,因为其多一个碳原子和两个氢原子。其分子量是 30 。由此,分子重量能够以 14 (一个碳原子加两个氢原子)为单位增加,直到形成戊烷( C5H12 )。作为气体来说戊烷太重了,实际上在室温下戊烷就是液体。继续增加 CH2 组合,形成更重的液态化合物,直到形成 C18H38 。这就是固体石蜡。如果继续形成更大的分子,石蜡会变得越来越硬。在差不多到 C100H202 的时候,分子量达到 1,402 ,已经达到足够的硬度,称为低分子量聚乙烯,是所有热塑性塑料的最简单结构。继续添加更多的 CH2 组合,材料硬度不断增加,最终达到中等分子量( 1,000 到 5,000 个碳原子之间)和高分子量聚乙烯。作为最简单的高分子聚合物(见图 4 ),聚乙烯在传感器技术中具有很多有用的特性。例如,聚乙烯在中红外和远红外频谱范围拥有适度的透明度,由此可用于红外窗口和菲涅耳透镜的制造。 图 4 单体及其相应的聚合物单元 通过加热、加压和催化剂的作用,单体可以形成长链。这个过程就叫聚合。链长(分子量)很重要,其决定了塑料的很多特性。增加的链长带来的主要影响包括下列因素的增加:韧性、蠕变强度、加压抗裂度、熔化温度、熔体粘度和加工难度。聚合完成后,形成的聚合物链就像长的相互缠绕的意大利面条,链之间没有物理连接。这样的聚合物叫做热塑性(热可塑)聚合物。 如果分子链相互紧密结合,就形成了更高密度的聚乙烯,最终会形成晶体。结晶区域硬度和强度都更大。这样的聚合物更难加工,因为其熔化温度更高,熔化更快。即在熔化温度时不是变软,而是迅速变成低粘度的液体。另一方面,非晶态的热塑性塑料是逐渐软化的,但无法像晶体态塑料那样易于流动。非晶态聚合物包括 ABS 、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚醚酰亚胺等。晶体态塑料包括聚乙烯、聚丙烯、尼龙、 PVDF 、乙缩醛等等。 下面是热塑性塑料的不完全清单。 丙烯晴 - 丁二烯 - 苯乙烯 ( ABS )的韧性、硬度和刚性都很高。具有很好的化学抗性,低吸水性,以及良好的尺寸稳定性。有些级别的可以电镀。 晴纶 具有高透光性和极好的抵御室外环境性能。具有一定硬度,表面光滑,电气性能良好。可以做成各种颜色。 氟塑料 构成一大系列( PTFE 、 FEP 、 PFA 、 CTFE 、 ECTFE 、 ETFE 和 PFDF ),具有极好的电气性能和化学抗性,摩擦阻力低,显著的高温稳定性。然而其强度适中,成本较高。一个例子是聚四氟乙烯( PTFE ),杜邦品牌的产品叫特氟龙。 尼龙 (聚酰亚胺)具有很好的韧性和耐磨性,以及低摩擦系数。具有良好的电气和化学特性。不过和多数其它塑料相比,尼龙吸湿性高,尺寸稳定性差。 聚碳酸酯 具有最高的抗冲击性。透明度好,同时具有很好的室外稳定性和加负荷下抗蠕变性。化学抗性方面有些问题。聚酯有极好的尺寸稳定性,但不适合室外使用或用于热水。 聚乙烯 重量轻、廉价,且化学稳定性极好。电气特性良好。在从可见光到远红外的宽频谱范围内具有适中的透光性。尺寸和热稳定性差。 聚丙烯 拥有很好的抗弯曲和抗应力断裂性能,化学和电气性能优良,同时热稳定性良好。重量轻且廉价。透光度在远红外端良好。不过在中红外范围光的吸收和散射高于聚乙烯。 聚氨酯 硬度高,十分耐磨和抗冲击。可以做成薄膜和海绵。拥有良好化学和电子特性。不过紫外线照射会损害其质量。 聚丁二烯 是一种合成橡胶,耐磨强度高。因为有极高的电阻率,常用于覆盖或封装电子组件。施加应力后尺寸可回复 80% 。 聚氯乙烯 ( PVC )是第三位最广泛使用的热塑性聚合物,排在聚乙烯和聚丙烯之后。 PVC 廉价,耐用,易于配置。通过添加增塑剂,可以制成更加柔软和更具弹性的材料。常用的增塑剂是邻苯二甲酸酯。在电子工业, PVC 用于制造柔性管材和用于电缆绝缘。 另一个类型的塑料称为热固性的,其聚合作用(固化)分为两个阶段:一期由材料生产厂完成,二期由塑模机完成。例如酚醛树脂,在模塑过程中通过加压而液化,在分子链之间发生交联反应。热固性塑料完成模塑后,其所有分子都通过强的物理结合互相连接,不再是热可逆的。实际上,热固性塑料的固化过程就像煮鸡蛋。一旦煮熟了,就始终是硬的了。一般来说,热固性塑料耐高温,具有较好的尺寸稳定性。因此,热固性塑料应用广泛。聚酯(增强型)用于制造船体和断路器组件;环氧基树脂用于制造印刷电路板;密胺用于制造餐具。和热固性塑料相比,热塑性塑料拥有更高的冲击强度,更易加工,更适应复杂设计。 在传感器应用中最常用的热固性塑料如下。 醇酸树脂 ,拥有极好的电气特性和极低的吸湿性。 丙烯基 (邻苯二甲酸二丙烯酯),拥有杰出的尺寸稳定性,高耐热和耐化学性能。 环氧基树脂 ,拥有很好的机械强度、电气性能,对多数材料具有很好的粘附性。 酚醛树脂 ,一种廉价材料。颜色仅限于黑色和褐色。 聚酯 (热固性塑料种类),可以制成各种颜色以及透明或不透明。缩水率高。 如果两种不同的单体( A 和 B )通过聚合反应而结合,这种聚合物叫共聚物。共聚物的最终特性取决于组分 A 和 B 的比例。 聚合物的机械性能可以通过添加剂进行改进。纤维可增加强度和刚度。塑化剂增加弹性。润滑剂使模塑更加容易。紫外线稳定剂可改善材料在日光下的性能。 控制塑料性能的其它好的方法是使聚合物融合或混合。这种方法基本能够保持每个组分的原有特性。 导电塑料 。作为极好的电气绝缘材料,要使塑料导电,通常需要层压金属箔片,用导电涂料涂覆,或金属喷镀,处理后的材料需加防护。让塑料导电的另一种方法是在塑料中混合导电剂(例如石墨或金属纤维),或通过加入金属网制成复合塑料部件。 压电塑料 是一种晶体材料,由 PVF2 , PVDF 及其共聚物制成。起初它们并不具有压电特性,必须通过高电压或电晕放电的方法进行极化。利用丝印或真空金属喷镀的方法在这种薄膜的两面淀积金属电极。利用其柔韧性和抗机械应力的稳定性,这种薄膜在一些应用中可以替代陶瓷类压电材料。压电塑料的另一个优点是能够制备成任何需要的形状。 一种在传感技术方面十分有用的聚合物是卡普顿,即杜邦公司开发的聚酰亚胺( PI )薄膜。这是一种热固性材料,密度为 1.42g/cm3 ,低的导热系数: 0.12W/(mK) 。 PI 能够在很宽的温度范围内保持稳定,即从接近绝对零度( -273 ℃ )到 +400 ℃ ( ≈0 ~ 673K )。另外, PI 可用于制备柔性印刷电路板,这种电路板可用在传感器和硬性的印刷电路板( PCB )之间的连接。柔性 PI 印刷电路板可薄至 50 m 以内。这种电路板拥有良好的弹性,可经受住上百万次的弯曲。 PI 也常用于 X 射线的窗口材料,包括所有种类的 X 射线源(同步加速器光束和 X 射线管)和 X 射线探测器。 PI 高的机械和热稳定性,以及对 X 射线的高透过率,使其成为这方面的首选材料。 PI 也不会发生辐射损伤。不过 PI 耐机械磨损的能力相对较差。 1.3 金属 从传感器设计的角度来看,有两类金属值得关注:有色金属和黑色金属。黑色金属材料,比如钢,常用于构成磁性传感器,测量运动、距离、磁场强度等等。同样在磁屏蔽方面也十分有用。另一方面,有色金属材料则可被磁场穿透,能用于和磁场无关的任何领域。 有色金属能提供多种多样的机械和电气性能。选择一种金属时,不仅要考虑其物理性能,还必须考虑机械加工的便利性。例如,铜具有良好的热和电气性能,但难以进行机械加工,所以很多情况下都会用铝作为替代。 铝 具有高的强度重量比,拥有其自有的防腐蚀机理。暴露在空气中时,铝不会像铁那样逐渐氧化。这种保护机制来源于在其表面形成的微观级别的氧化膜,使裸金属面与外界隔绝。 铝合金材料有数百种。可用多种方法对其进行加工,比如拉伸,铸造,冲压。一些合金可以进行焊接。除了卓越的电气性能,铝还是极好的光反射体,能反射从 UV 到无线电频谱的几乎所有光谱。铝涂层广泛用于反光镜和波导管。在中红外和远红外频谱范围,只有金优于铝反射镜。 铍 有几个值得注意的特性。铍的密度低(是铝的三分之二),同时单位重量模量高(是钢的五倍),比热高,尺寸稳定性极好, X 射线透明度很高。不过铍是贵金属。和铝一样,铍可在表面形成保护层,因而可耐腐蚀。铍可用很多常规方法进行加工,包括粉末冷压。这种金属常用于 X 射线窗口,光学平台,镜片基板,以及卫星结构组件。 镁 是一种很轻的金属材料,具有高的强度重量比。由于其弹性模量低,可吸收弹性能,因此其阻尼特性很好。这种材料可以使用大多数金属加工技术进行加工。 镍 可设计成十分坚固的结构,同时还耐腐蚀。与钢比较,镍具有极高的强度和高的弹性模量。其合金包括与铜、硅和钼形成的二元系统。在冷冻温度和高至 1200 ℃ 的温度范围内,镍及其合金都可保持其机械特性。镍常用于高性能的高温合金,例如因科内尔铬镍铁合金,蒙乃尔合金( Ni-Cu ), Ni-Cr , Ni-Cr-Fe 合金等。 铜 兼具极好的导热性和导电性(仅次于纯银),同时又有抗腐蚀性和处理相对容易。然而其强度重量比相对较差。铜的机械加工也较困难。铜及其合金黄铜和青铜,可以制成包括薄膜的多种形式。黄铜是含有锌和其它特定元素的合金。青铜包括以下几大类:铜 - 锡 - 磷(磷青铜)合金,铜 - 锡 - 铅 - 磷(铅磷青铜)合金,以及铜 - 硅(硅青铜)合金。在室外条件下,铜表面会形成蓝绿色铜锈。采用丙烯酸涂层可以防止铜锈。铜和铍的合金具有极好的机械性能,用于制造弹簧。 铅 是所有常用金属中抵挡 X- 射线和 g - 辐射最好的材料。铅可以抵御很多化学腐蚀,以及耐受多数类型的土壤、海水以及工业环境。铅的融化温度低,易于铸造和成型,具有良好的声音和振动的吸收性能。铅具有自然润滑性和耐磨性。很少以纯铅的形式使用。最常见的合金是 “ 硬铅 ” (含 1 ~ 13% 的锑),钙合金和锡合金。这些合金具有较好的强度和硬度。 铂 是银白色的贵金属,极具延展性,柔软,耐腐蚀。其正向的电阻温度系数十分稳定且可重复性好,因而在热敏领域广泛应用。 金 是非常柔软且具有化学惰性的金属。只能被王水及有氧气存在的钠和钾侵蚀。一克纯金能够制备成 5,000cm2 、厚度小于 0.1 m 的薄片。金主要用于镀层,以及和诸如铜、镍、银等制成合金。在传感器应用方面,金用于制备电接触点,电镀镜面,以及在中、远红外频谱的波导应用。 银 是所有贵金属中成本最低的。具有很好的延展性和耐腐蚀性。在所有金属中,银具有最高的导电和导热性能。 钯、铱和铑 特性类似,都和铂的特性相近。可用于制备混合印刷电路板的涂层,以及具有导电性的各种陶瓷基片。另一个应用是制备工作于宽频谱的高质量反射镜,尤其是用于高温或高腐蚀性环境。在所有金属中,铱的耐腐蚀性最好,所以常用于最极端的环境。 钼 能够在高达 1,600 ℃ 时仍然保持其强度和硬度。钼及其合金易于采用常规工具进行机械加工。在非氧化环境下,钼能够抵御大多数酸的侵蚀。钼主要用于高温装置,例如加热组件,高温熔炉的强红外辐射反射镜。钼的热膨胀系数低,能够抵御熔融金属的侵蚀。 钨 在很多方面类似于钼,但能够使用在更高的温度。用钨制造的热电偶传感器,一端是含有 25% 铼的合金,另一端铼的含量是 5% 。 锌 很少单独使用,除非用于涂层。主要用于很多合金的添加剂。 1.4 陶瓷 在传感器技术中,陶瓷是非常有用的晶体材料,这得益于其结构强度,热稳定性,重量轻,能抵御很多种化学侵蚀,能与其它材料结合,以及卓越的电气特性。尽管大多数金属都能和氧形成至少一种化合物,但只有少数几种氧化物能够用于构成陶瓷的主要成分。举例来说就是氧化铝和氧化铍。氧化铝中天然的熔合元素是二氧化硅;不过铬、镁、钙以及其它元素,也能与氧化铝熔合。 一些金属碳化物和金属氮化物也是合适的陶瓷材料。最常用的是碳化硼、硝酸硼和硝酸铝。在需要快速热传导的场合,就可以考虑硝酸铝;而碳化硅具有高的介电常数,因而在设计电容性传感器方面具有吸引力。因为硬度的关系,多数陶瓷需要特殊加工。一种在陶瓷基片上切割各种形状的精细和划算的方法,是采用计算机控制的 CO2 激光,进行划线、切割和钻孔等加工。作为传感器基片的陶瓷,可以从很多生产商那里获得,厚度范围从 0.1mm 到 10mm 。 1.5 玻璃 玻璃是非晶固体材料,由二氧化硅和碱性氧化物熔融制成。虽然其原子不会排列成晶体结构,但玻璃的原子间距十分紧密。玻璃的特性包括透明度、可制成各种颜色、硬度,以及耐化学腐蚀性,除了氢氟酸以外。大多数玻璃基于硅酸盐成分,由三种主要成分制成:硅石( SiO ),石灰( CaCO3 )和碳酸钠( NaCO3 )。非硅酸盐玻璃包括磷酸盐玻璃(耐氢氟酸腐蚀),热吸收玻璃(由氧化铁制成),以及基于铝、钒、锗和其它金属的氧化物成分的玻璃。这种特殊玻璃的一个例子是三硫化二砷( As2S3 )玻璃,商品名称为 AMTIR 。这种玻璃对中、远红外频谱透明,用于制造红外光学器件。 硼硅玻璃 是最早的玻璃类型,可抗热冲击。这种以百丽耐热玻璃( Pyrex® )商标知名的玻璃,其结构中的一些二氧化硅分子被氧化硼替代。这种玻璃的热膨胀系数低,因而被用于制造光学透镜(例如用于望远镜的透镜)。 铅碱玻璃 (铅玻璃)含有一氧化铅( PbO ),增加了玻璃的折射率。同时其电气绝缘性更好。在传感器技术方面,这种玻璃用于制造光学窗口,棱镜,和放射性辐射防护。 其它类型的玻璃还有硅酸铝玻璃(其中三氧化二铝替代了一些二氧化硅),高氧硅玻璃( 96% 二氧化硅)和石英玻璃。 另一种类型的玻璃是光敏玻璃,有三个等级。光致变色玻璃在紫外线照射下会变暗,去除紫外线或对玻璃加热可恢复透明。某些光致变色成分可维持深色一个星期或更长。其它的则在紫外线去除后几分钟内即可消褪。光敏玻璃以不同的方式对紫外线作出反应:如果照射后对玻璃加热,会从透明变成乳白色。由此可在玻璃结构内形成某种图案。此外,照射过且乳白化的玻璃,更易被氢氟酸腐蚀,由此可以更有效地应用蚀刻技术。 1.6 光学玻璃 1.6.1 可见光和近红外光范围 大多数光学玻璃由二氧化硅构成,其原料来自沙床的细沙或粉碎的砂岩。碱可降低熔点,一般用苏打,优质玻璃用碳酸钾。石灰是稳定剂。添加报废的碎玻璃有助于混合料的熔化。玻璃特性随其它添加成分而改变,通常是氧化物形式。例如添加铅可增加光亮和重量;硼可提高抗热和电气绝缘性能;钡可增加折射率;铈可吸收红外线;金属氧化物可改变颜色;锰可去色。 依据主要化学成分对光学玻璃进行分类,以折射率为鉴别指标。因为折射率是波长的函数,可通过不同元素在光谱中产生的特定光谱线测定折射率。表 2 给出了一些玻璃和透明塑料的光谱线和相应折射率的例子。 表 2 一些玻璃和塑料的谱线波长和折射率 波长 (nm) 光谱线 元素 玻璃 BSC517642 玻璃 LAF744447 塑料 丙烯酸 塑料 聚碳酸酯 1,013.98 t Hg 1.507 1.726 852.11 S Cs 1.510 1.730 768.19 A’ K 706.52 r He 656.27 C H 1.514 1.739 1.489 1.578 643.85 C’ Cd 632.8 632.8 He–Ne laser 589.29 D Na 1.492 1.584 587.56 d He 1.516 1.744 546.07 e Hg 1.518 1.748 486.13 F H 1.498 1.598 479.99 F’ Cd 1.522 1.756 435.83 g Hg 1.526 1.765 404.66 h Hg 1.530 1.773 365.01 i Hg 1.536 1.787 注:玻璃样品来自皮尔金顿特种玻璃有限公司。 玻璃的质量和耐用性能取决于使用环境。在类似透镜和棱镜之类光学部件的各种制备过程中,经常会发生表面损伤,诸如暗斑、色斑和潜在划痕等。这些表面缺陷产生于玻璃成分与周围环境中水的化学反应,或是与清洁液中的清洁剂发生反应。高折射率导致较差的表面。 暴露在高湿度和温度快速变化环境中的抛光玻璃会“出汗”。水汽会在玻璃表面凝结成水滴。溶入水滴中的一些玻璃组分会转而腐蚀玻璃表面,与空气中的气态组分(例如二氧化碳)发生反应。玻璃表面干燥后,这些反应产物会形成白点或云状膜。这就是“暗斑”。接触水会引起离子反应(玻璃中的阳离子和水中的水合氢离子 H3O+ 之间的离子交换),由此产生富硅表面层,导致干扰色。这就是“色斑”。抛光过程中在玻璃表面形成的轻微划伤,在接触到清洗用的清洁剂中的无机盐助剂产生的腐蚀性离子时,有时会增长到较大的可见尺寸。 1.6.2 中红外和远红外范围 在热辐射范围(中红外和远红外),硅基非晶玻璃的吸收系数很高,因此无法使用。可选的替代品有晶体材料(例如锗和硅),一些高分子聚合物(聚乙烯和聚丙烯),以及含硒的特种硫系玻璃。这些玻璃可以拉制成光纤,用于光纤传感器和热辐射传导线。它们可以像硅基玻璃和塑料一样模压成型,制造透镜和棱镜。由此可以大大简化生产过程,降低成本,而晶体材料则通常需要研磨和抛光。表 3 列出最常用的一些硫系玻璃。 表 3 硫系玻璃特性( 样品由美国得克萨斯州加兰非晶材料有限公司提供) AMTIR-1 AMTIR-2 AMTIR-3 AMTIR-4 AMTIR-5 AMTIR-6 C1 组分 Ge–As–Se As–Se Ge–Sb–Se As–Se As–Se As–S As–Se–Te 传输范围( m ) 0.7–12 1.0–14 1.0–12 1.0–12 1.0–12 0.6–8 1.2–14 10 m 处折射率 2.4981 2.7613 2.6027 2.6431 2.7398 2.3807 2.8051 使用温度上限( ℃ ) 300 150 250 90 130 150 120 可以替代 AMTIR 玻璃的,是在中红外和远红外范围有良好传输性能的晶体材料。表 4 列出最常用的红外材料及其特性。 表 4 晶体红外材料 材料 适用光谱范围 ( m) 近似折射率 氟化镁 0.5–9.0 1.36 硫化锌 0.4–14.5 2.25 氟化钙 <0.4–11.5 1.42 硒化锌 0.5–22.0 2.44 氧化镁 <0.4–9.5 1.69 碲化钙 0.9–31.0 2.70 硅 1.2–8.0 3.45 锗 1.3–22.0 4.00 值得注意的是,折射率高的玻璃其反射系数也高。这会导致不希望出现的信号强度损失。为了减少反射,需要考虑抗反射涂层。 虽然塑料硬度差,但因为成本十分低廉,容易成型,且折射率低,成为中红外和远红外光学常用的材料。表 2 已列出了最常见的光学用塑料,在红外范围内其折射率与其它材料相近。 1.7 纳米材料 几年前,纳米技术还是个有点让人兴奋的术语,想象的空间大于现实应用。那时人们在谈论纳米( 10-9 米)尺寸的器件时,绝大多数微小组件的尺寸还有其上千倍的大小——在微米( 10-6 米)范围。如今,这方面技术进展迅速,就在笔者写书的当下,人们已经在制造 10 纳米量级的纳米材料。 一种很有希望用于传感领域(在不久的将来)的纳米材料是碳纳米管。在碳纳米管中,碳分子以管状排列,其长度直径比可达到惊人的二千八百万,这一数值远大于任何已知的材料。碳纳米管的直径只有几个纳米,其长度可以达到几个厘米。这种管状结构的特点就是,在给定的体积下,其具有极大的表面积。其抗拉强度超过不锈钢的抗拉强度 100 倍。其电气特性独特,是高效的热传导体。碳纳米管的热导率是铜——最佳热传导材料之一——的 20 倍。这些特性使碳纳米管成为制造温度和红外传感器方面很有前途的材料。至少从理论上来说,碳纳米管可以承载的电流强度是铜的上千倍。不过这种材料的最终使用,可能会受限于其潜在的毒性。 2 表面处理 2.1 薄膜和厚膜的淀积 需要制备薄膜,以便使感应表面具有一些原本没有的特性。例如,为了增强红外传感器对热辐射的吸收,可以在其表面覆盖一层具有高的红外光子吸收率的材料,比如镍铬合金。在硅晶片表面制备压电膜,可以使其具有压电特性。厚膜可以形成柔性膜,通常用于制备压力传感器或麦克风。有几种方法可以用于在衬底或硅晶片表面淀积薄膜和较薄(通常称为“厚”)的膜。这些方法包括旋涂法,真空淀积法,溅射涂覆法,电镀,以及掩膜印刷法。 2.2 旋涂法 旋涂法工艺首先要把薄膜材料溶解在挥发性液体溶剂中,再把这种溶液倒在高速旋转的样品上。离心力使薄膜材料涂覆均匀,在溶剂挥发后,就在样品表面形成一层薄膜。这一技术常用于有机材料的淀积,特别是用于制造湿度和化学传感器。膜的厚度取决于淀积材料的溶解度和样品旋转速度,一般在 0.1 到 50 微米范围内。因为这种工艺取决于液体的流动,有可能膜的厚度不一致,或者在样品表面不平时,可能形成岛(没有被膜覆盖的区域)。此外,这种材料还有可能收缩。不过在很多情况下,这是一种有用的且往往是唯一可使用的淀积方法。 2.3 真空淀积 金属可以转化成气态,因而能够淀积在样品表面。真空室构成蒸发系统(图 5 ),扩散泵使其中的压力降低到 10-6 至 10-7 托。淀积材料放在陶瓷坩埚中,通过钨丝加热到高于金属的熔点。另一种加热方法是使用电子束。 图 5 真空室中薄金属膜的淀积 由控制装置发出指令,封闭口打开,熔融金属散发出来的金属原子淀积到样品表面。样品上不需要进行淀积的部分由掩膜保护。淀积膜的厚度由蒸发时间和金属的蒸汽压力决定。所以低熔点的材料容易淀积,例如铝。通常真空淀积膜具有大的残留应力,因此这种技术主要用于淀积薄膜。 因为熔融材料实际上是原子态的点状源,所以会导致淀积膜的不均匀分布,以及在掩膜图形的边缘出现不清晰的情况,这被称为阴影效应。有两种方法可以减轻这个问题。一个方法是使用多个源,即采用多于一个坩埚(通常是 3 或 4 个)。另一个方法是旋转靶样品。 使用真空淀积方法时,需要注意会有杂散材料进入真空室。例如,即使极少量从扩散泵泄漏的油,也会导致有机物质的燃烧,类似碳水化合物这样的有害成分会共同淀积在样品上。 2.4 溅射 和真空淀积法一样,溅射涂覆法也是在真空炉中实现的(图 6 );不过在抽真空后,诸如氩或氦的惰性气体会以大约 2 × 10-6 至 5 × 10-6 托的压力 引入真空室中。在外部对阴极(靶)施加直流或交流高电压,阴极由需要淀积在样品上的材料制造。样品连接在阳极,与阴极相隔一定距离。高压导致惰性气体电离形成等离子体,这些气体离子会轰击靶。轰击离子的动能足够高时,会使靶表面释放一些原子。因此,这些逃逸的溅射原子就会淀积在样品表面。 图 6 真空室内的溅射过程 溅射技术能够获得较好的均匀性,尤其是在真空室内引入磁场,使溅射原子更好地朝向阳极,可得到更好的均匀性。因为这种方法不需要对靶施加高温,实际上包括有机物在内的任何材料都可以进行溅射。而且,一种以上的靶材料可以同时进行淀积(共溅射),由此可控制材料比例。例如,这个方法可以用于在热电传感器表面溅射形成镍铬合金电极。 2.5 化学气相淀积 在光学、光电和电子器件的制造中,化学气相淀积( CVD )工序是一项十分重要的技术。对于传感器技术而言,这个方法可用于形成光学窗口以及半导体传感器的制造,这些制备过程需要在表面形成薄或厚的晶体层。 CVD 工序在淀积(反应)室中进行,一种淀积室的简化形式示于图 7 。 图 7 一种 CVD 反应室的简化结构 衬底或晶片放置在静止或旋转的底座(衬底座)上,通过加热组件把底座温度升高到需要的温度。反应室的上盖有一个导入携带气体氢气的入口,由此可以添加不同的前驱体和掺杂材料。这些添加的材料被携带到衬底的加热表面,形成薄膜层。气体混合物经由置于晶片上表面的分散锥形体通过,从废气出口排出。反应室内的气体平均压力可以在接近 1 大气压强( atm ),或者稍低一些。以 6000 埃( Å ) Ga0.47In0.53 层为例。可以在 1 atm 和 630 ℃下,以 1.4 Å/s 的速率,在磷化铟( InP )衬底上进行淀积。 2.6 电镀 电镀法是利用电流在导电物体表面涂覆一层金属的方法。可在物体表面形成一层薄而光滑平整的涂层。现代电化学是意大利化学家路易吉 · V · 布鲁纳特利 ( Luigi V Brugnatelli )在 1805 年发明的。布鲁纳特利利用亚历桑德罗 · 伏打( Alessandro Volta )五年前的发明伏打电堆,进行了首次电镀。 电镀法采用的工艺称为电解淀积,类似于伽伐尼电池的反向过程。需要镀膜的部件放置在装有一种或多种金属盐溶液的浴槽或容器中。把需要电镀的部件接入电路,构成电路的阴极(负电极),另一个电极(通常是与需要电镀的材料相同的金属)作为阳极,即正电极。当电流通过电路时,溶液中的金属离子会捕获部件中的多余电子。 把直流电源接到电镀单元的阳极和阴极(图 8 )。阳极的金属被氧化,形成带有正电荷的阳离子。这些阳离子与溶液中的阴离子结合。随后这些阳离子以金属形态淀积在阴极而减少。 图 8 浴槽电镀法原理( PGC 表示用于金镀层的钾金氰化盐) 不同于浴槽电镀法的一种常用方法是刷镀。用浸满电镀液的刷子对选定区域或整个部分进行电镀。刷子连接到低压直流电源的正极。典型的刷子是不锈钢的,用布料包裹。布料一方面可以吸收电解液,另一方面可以防止刷子直接接触到需要电镀的部件。需要电镀的部件连接到负极。刷子起到阳极的作用,但通常并不提供电镀材料,尽管有时为了延长电解液的使用寿命,刷子也会用电镀材料制造或含有电镀材料。 最常见的电镀都是使用单一金属元素,而不是合金。不过有些合金也能进行电淀积,尤其是黄铜和锡 - 铅合金。 通常一种金属在部件(衬底)上的直接淀积,并不是最有效的电镀方式,主要是考虑可靠性。举例来说,我们考虑金属与衬底之间内在附着性较差的情况。这时可以先淀积一层“缓冲层”(打底层)。缓冲层作为后续电镀工序的基础。缓冲层与金属和衬底都是“友好的”或相容的。这种情况的一个例子是锌合金上电解镍的很差的附着性。解决方法是先用铜缓冲层,因为铜与大多数材料都有很好的附着性。典型的缓冲层是由辅助金属形成的很薄(小于 0.1 微米厚度)的电镀层,具有高的质量,且与电镀材料具有很好的附着性。 在传感器技术中,最常用于电镀的金属之一是金。镀金可以提供耐腐蚀性,在铜导线和线路板电镀层之间形成良好导电层,同时又是用于中、远红外频谱范围的极好的反射镜。然而,如果方法不当,直接在铜表面镀金会引发严重问题,因为铜原子会扩散到镀金层表面,导致表面锈蚀,并会形成氧和 / 或硫化物层。在用于红外反射镜时,由于反射率的明显降低,会导致性能下降。在镀金之前,先在铜衬底上淀积一层合适的隔离金属,通常是镍。打底的镍层为镀金层提供了机械支撑,改善了其耐磨性。同时也降低了有可能存在于镀金层中的微孔的影响。 3 微加工技术 毫无疑问,传感器技术的目前趋势,是向着超小型化或微系统技术(被称为 MST )发展。这方面的一个子系统是 MEMS (微机电系统)。 MEMS 器件具有电子和机械部件,这意味着其中有至少一种运动或形变部件,而电则必须是其运作的部分。另一个子系统称为 MEOMS (微光机电系统),基于微电子光学系统。顾名思义,这种器件中至少有一个部件是光学组件。采用 MEMS 或 MEOMS 方法制造的传感器,大都是三维器件,其尺寸在微米量级。 微工程学的两大构成,是微电子学和微细加工。在硅片上制造电子电路的微电子学,已经是充分发展的技术。微细加工指的是用于制造微工程学器件的结构和运动部件的技术。微工程学的主要目的之一,就是要能够把微电子电路集成到微机械结构之中,制造完全集成化的系统(微系统)。与微电子工业中制造的硅芯片一样,这种系统也具有同样的低成本、高可靠性以及小尺寸的优点。 目前正在使用或已在工业领域广泛开发的微细加工技术有三种。硅微细加工技术最为突出,因为这是充分开发的微细加工技术之一。硅是用于制造微电子电路的主要衬底材料,因此也是可能用于微系统制造的最佳选项。 准分子激光器是紫外线激光器,可以用于在不加热的情况下对多种材料进行微细加工。很多其它激光器则会导致发热和蒸发,使材料受损。准分子激光器特别适合于加工有机材料(例如聚合物)。 LIGA 的缩写来源于此工艺的德文名称(光刻、电镀和模铸)。 LIGA 采用光刻、电镀以及模塑工艺制造微结构。 3.1 光刻 在以下段落概述的三种技术中,光刻是确定微机械结构形状的基本技术。这一技术本质上与在微电子工业中使用的相同。 图 9A 表示某种材料(例如二氧化硅)的薄膜覆盖在另一种材料(例如硅片)的衬底之上。光刻工序的目的,是要有选择地去除一些二氧化硅(氧化物),使其只在硅片上的特定区域保留下来(图 9F )。这一工序的实现需要制作掩膜板。典型的掩膜板是在玻璃表面的铬图形。在硅片上涂覆称为光刻胶的对紫外线敏感的聚合物(图 9B )。紫外线通过掩膜板照射光刻胶(图 9C )。由此掩膜板的图形被转移到光刻胶层(图 9D )。 有正性(图 9 左侧)和负性(图 9 右侧)两种光刻胶。紫外线照射到正性光刻胶时,被照射到的聚合物变得易于溶解,图案完成后,受到光照部分的光刻胶被清洗掉,从而使掩膜板的正像被转移到光刻胶层。这和玻璃板摄影术类似。负性光刻胶则得到相反的结果。紫外线照射到负性光刻胶时,强化了被照射到的聚合物,图案完成后,没有受到光照部分的光刻胶被清洗掉,因此掩膜板的负像被转移到光刻胶层。 随后采用化学制剂(或其它方法),去除经由光刻胶层中暴露出来的氧化物层(图 9E )。最后去除剩下的光刻胶,形成所需图形的氧化物层(图 9F )。 图 9 正性和负性光刻胶 3.2 硅微细加工 有不少用于在淀积于硅片表面的薄膜上形成图案的基本技术,亦可用于硅片自身的加工,形成一些基本的微结构(体硅微细加工)。薄膜的淀积和图形化技术,能够用于在硅晶片表面制备相当复杂的微结构(表面硅微细加工)。人们已对电化学蚀刻技术做了充分研究,发展出一套基本的硅微细加工技术。硅键合技术也可用于把经由硅微细加工技术制备的结构扩展到多层结构。 3.2.1 基本技术 与硅微细加工相关的有三种基本技术。即形成某种材料薄膜的淀积,用湿法化学蚀刻剂去除材料(图形化),以及用干法蚀刻技术去除材料。常用的另一种技术是在硅中引入杂质,以改变其特性(即掺杂)。 3.2.2 薄膜 有多种不同的技术,用于在硅晶片(或其它合适的衬底)上淀积或形成不同材料的很薄的膜(微米或更小量级)。这些膜可以用光刻技术和适当的蚀刻技术制备图形。常用材料包括二氧化硅(氧化物),氮化硅,多晶硅,以及铝。其它一些材料也可以淀积为薄膜,包括类似金的贵金属。不过贵金属会污染微电子电路,导致其失效,所以任何需要贵金属覆膜的硅晶片,都需要专门用于此工序的设备进行加工。贵金属膜通常采用一种称为“剥离”的方法实现图形化,而不是湿法或干法蚀刻。 光刻胶经常会不够牢固,无法承受所需的蚀刻。在这种情况下,需要淀积更牢固的材料(例如氧化物或氮化物)的薄膜,再用光刻法制备图形。这样在进行薄膜下的材料的蚀刻时,氧化物 / 氮化物则起到了蚀刻掩膜的作用。薄膜下材料蚀刻完成后,再把掩膜层去除。 3.2.3 湿法刻蚀 湿法刻蚀是一个总括的名称,包含所有把晶片浸入化学蚀刻剂液体槽中以去除材料层的方法。湿法蚀刻剂可分为两大类别:各向同性蚀刻剂和各向异性蚀刻剂。各向同性蚀刻剂在各个方向以相同速率刻蚀材料。而各向异性蚀刻剂在不同的方向以不同的速率刻蚀硅晶片,因此对产生的形状可以有更多的控制。一些蚀刻剂刻蚀硅的速率,取决于硅中杂质的浓度(掺杂浓度相关的刻蚀)。 各向同性蚀刻剂可用于氧化物、氮化物、铝、多晶硅、金和硅。因为各向同性蚀刻剂在各个方向以相同速率刻蚀材料,所以在向内蚀刻的同时,也会以相同速率在掩膜底下水平方向对材料进行刻蚀(称为底切)。这种情况示于图 10 中,硅晶片表面覆有氧化物薄膜,使用刻蚀氧化物的速度快于硅的蚀刻剂(例如氢氟酸)。 图 10 掩膜下的各向同性蚀刻 各向异性蚀刻剂以不同的速率刻蚀硅的不同晶面。最常用的各向异性蚀刻剂是氢氧化钾( KOH ),因为其在使用中最为安全。 刻蚀是在硅晶片表面进行的。硅晶片是片状的,是由经单晶体籽晶生长形成的大的硅晶棒切割而成。硅原子都排列成晶体结构,所以晶片也是单晶硅(区别于前文提到的多晶硅)。采购硅晶片时,有可能指定晶片的表面平行于某个特定的晶面。 图 11 所示为用 KOH 刻蚀具有最常见的晶向( 100 )的硅晶片表面时,形成的最简单的结构。形成的是 V 形凹槽,或由直角和斜面形成的凹坑。 图 11 KOH 蚀刻形成的最简单结构 KOH 对氧化物和氮化物腐蚀缓慢。当用 KOH 蚀刻浴槽进行短时间刻蚀(即浅的槽和坑)时,氧化物可以作为刻蚀掩膜。对于长时间刻蚀,氮化物是更好的掩膜,因为其被 KOH 腐蚀得更慢。 KOH 也可用于产生平台结构(图 12a )。在刻蚀平台结构时,其拐角处会形成斜面(图 12b ),而不是直角。这时必须以某种方式进行调整。典型的做法是,把掩膜设计成在拐角处包括附加结构。这种调整结构要设计成在蚀刻完成后,平台拐角形成 90 度角。采用调整结构使平台拐角形成直角带来的一个问题是,在平台之间造成了一个最小间隔限制。 图 12 平台结构 制备膜片是最常用的传感器制造工序之一。这种方法用于制造加速度和压力传感器,红外温度传感器( 温差电堆 和辐射热测量计),以及很多其它类型的传感器。厚度大约 50 微米以上的硅膜片,可以采用 KOH 刻蚀整个硅晶片的方法制备(图 13a )。膜片厚度由蚀刻时间控制,因而会有误差。 3.2.4 浓度相关的 刻蚀 厚度为大约 20 微米的薄的膜片,可以采用硼来阻止 KOH 的刻蚀(图 13b )。这就是浓度相关的刻蚀。膜片的厚度,取决于硼扩散进入硅片的深度,与简单的时间控制 KOH 刻蚀相比,这种方法能够实现更加精确的控制。硅中高浓度的硼会以几个数量级的程度降低 KOH 的刻蚀速率,因而可有效阻止对含有高浓度硼的硅的刻蚀。硅中硼杂质的引入通常采用扩散工序。 图 13 膜片或薄膜的微细加工 除了膜片之外,浓度相关刻蚀还能制备很多其它结构。在硅片表面形成厚的氧化物掩膜,图形化处理后露出硅片表面要引入硼的区域(图 14a )。随后把硅片置于有硼扩散源的扩散炉中。一段时间后,硼原子迁徙进入硅片。硼扩散完成后,去除氧化物掩膜(图 14b )。在硅片浸入 KOH 蚀刻槽之前,淀积和图形化第二个掩膜(图 14c )。 KOH 刻蚀没有掩膜保护的硅,刻蚀过程围绕着掺硼硅进行(图 14d )。硼扩散进入硅片的速度最快 15 ~ 20 小时达 20 微米;然而通常希望在扩散炉中的时间越短越好。浓度相关刻蚀也可用于制备窄桥和悬臂。图 15a 示意一个由硼掺杂形成的桥,跨越过一个由 KOH 在硅晶片表面刻蚀而成的凹坑之上。图 15b 示意采用同样的方法制备的一个悬臂梁(即桥的一端悬空)。桥和梁设计成越过凹坑的对角线,确保其不被 KOH 腐蚀。采用这种技术能够实现更复杂的结构,但必须注意确保这些结构不被 KOH 腐蚀。 图 14 围绕硼掺杂硅的刻蚀 图 15 桥和悬臂梁的刻蚀 这些悬臂梁和桥的应用之一是谐振传感器。这种结构能够受激以其基本频率产生振动。任何导致此结构的质量、长度等等变化的因素,都会表现为变化的频率。要注意确保只有被测量的量才会导致明显的频率变化。 3.2.5 干法刻蚀 微加工应用中最常用的干法刻蚀是反应离子刻蚀( RIE )。被加速的离子轰击要刻蚀的材料,在离子行进方向上蚀刻反应得到增强,所以 RIE 是一种各向异性的刻蚀技术。可以在包括硅,氧化物和氮化物等各种材料中,蚀刻出具有垂直立面的任意形状的深沟和凹坑(可达 10 或几十微米)。不像各向异性的湿法刻蚀, RIE 不会受限于硅的晶面。干法刻蚀和各向同性湿法刻蚀结合,能够用于形成很尖锐的点。首先用 RIE 法蚀刻形成具有垂直侧面的圆柱结构(图 16a )。然后采用湿法刻蚀造成掩膜下的侧向底切侵蚀,从而形成十分细小的点(图 16b ),由此刻蚀掩膜也去除了。类似这样的十分细小的尖端可以制备在悬臂梁的末端,用于例如触觉传感器中的探针。 图 16 点状结构的干法刻蚀 图 17 剥离工艺技术 3.2.6 剥离工艺 剥离工艺是一种制版技术,常用于贵金属薄膜的图形化。有多种不同的技术,这里概述的一种是辅助剥离方法。首先淀积辅助材料(例如氧化物)薄膜。在其上覆盖一层抗蚀剂,用光刻法进行图形化处理,暴露出所需金属膜图形的氧化物(图 17a )。用湿法刻蚀去除暴露的氧化物,同时在抗蚀剂下形成侧向底切(图 17b )。然后在晶片上淀积金属,典型的方法是蒸发法(图 17c )。由此金属图形就通过抗蚀剂的空隙有效地制作形成,随后在去除抗蚀剂时就可以把不需要的金属剥离(图 17d )。最后去除辅助层,仅保留金属图案层(图 17e )。 3.2.7 晶片键合 有多种不同的方法,用于微机械加工中把硅晶片或其它衬底键合在一起,制备更大和更为复杂的装置。渐趋普及的一种把硅片和玻璃键合在一起的方法,是阳极键合(静电键合)。把硅晶片和玻璃衬底放在一起,加热到高温。给结合物施加大的电场,由此在两种材料之间形成极强的结合。图 18 示意在蚀刻( RIE )有沟槽的硅晶片上面键合玻璃板。 图 18 把玻璃键合至硅表面 也可以在水中采用适度的压力,使硅晶片直接键合在一起(直接硅键合)。其它的键合方法有采用黏合层,例如玻璃或光刻胶。虽然阳极键合和直接硅键合形成很强的结合,但也有些不利因素,包括要求结合表面十分平整和洁净。硅片键合技术有可能与一些基本微机械结构结合,形成微孔滤膜、悬臂、阀门、泵等等,用于制备构成化学传感器的微流体处理系统的部件。 3.2.8 LIGA LIGA 工艺能够制备大到 1000 微米的十分精细清晰的微结构。在最初开发过程中,使用的是采用 X 射线的特殊光刻法( X 射线光刻),在很厚的光刻胶层中形成图案。由同步加速器源产生的 X 射线,通过一种特殊掩膜,照射到覆盖在导电衬底上的厚的光刻胶层(对 X 射线敏感)(图 19a )。由此形成抗蚀部分(图 19b )。对形成的图案进行金属电镀(图 19c )。制成的金属结构就可以作为最终产品;不过这种金属结构也能用做微模具,可用诸如塑料等各种材料填充,制成该材料的最终结构产品。因为使用同步加速器源,导致 LIGA 工艺成本很高,所以开发了一些替代方法。其中包括高压电子束蚀刻,可以用于制备 100 微米量级的结构;以及准分子激光,可以制备数百微米量级的结构。 图 19 LIGA 用于制备金属结构 当然,电镀法不只限于用在 LIGA 工艺中,也可以和其它工序和更为常规的光刻法结合,制备微结构。
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