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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)。2)集成封裝管殼設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)封裝時(shí)除了需要考慮隔離外力和機(jī)械支撐的作用外，還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)外的溫濕度交換，即保證封裝內(nèi)部溫濕度傳感器敏感元件接觸到的環(huán)境與外界環(huán)境保持一致。其中溫濕度傳感器對溫濕度信號進(jìn)行測量，處理器將測量數(shù)據(jù)進(jìn)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。

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。數(shù)字溫度傳感器通過串行總線將測得的溫度傳送至系統(tǒng)控制器，還可以用于配置系統(tǒng)以及加載那些高、低和臨界寄存器。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(shí)際的溫度值。

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。MEMS封裝技術(shù)主要包括單芯片封裝、多芯片組件和倒裝焊等技術(shù)。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(shí)，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)。

一、傳感器選擇

對在0-800度的爐溫進(jìn)行測量，可測量范圍較大。所以不必要考慮熱敏所產(chǎn)生的電阻和集成溫度，如果適應(yīng)于電熱電耦，就要考慮對銅鎳的溫度測量范圍(0-900)之間。測量的精度比較高，傳感器配件的成本價(jià)格低，符合于標(biāo)準(zhǔn)要求。

二、關(guān)于放大電路的相應(yīng)設(shè)計(jì)

將實(shí)際 電壓設(shè)定到0~30mv之間，裝置中的信號設(shè)置于0~5v之間，所以進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將熱電耦的輸出電壓加大處理，采用放大器可以控制溫漂。將電壓在溫度控制裝置中控制在0~5伏間，就可以達(dá)到電壓使用的要求。

三、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

一般采用的是8位，12位，16位的模擬轉(zhuǎn)換器。在此溫度控制裝置中針對0~800度之間，主要是在4度的電路中對轉(zhuǎn)變精 準(zhǔn)度進(jìn)行控制。

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(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、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(diǎn)正越來越受到大家的青睞。這些可變電阻在惠斯通電橋提供電電壓，通常局部之前被進(jìn)一步傳遞空調(diào)引入。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(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量精度不容易達(dá)到電子體溫計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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。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(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。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)的溫度測量，須采用有效的誤差消除技術(shù)和適當(dāng)?shù)男?zhǔn)技術(shù)。目前國內(nèi)外報(bào)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(bǔ)償?shù)?，校?zhǔn)技術(shù)主要分為晶圓級的校準(zhǔn)、封裝進(jìn)傳感器外殼后的校準(zhǔn)以及校準(zhǔn)。

傳感器外殼對于傳感器起到的作用

傳感器具有能夠直接處理電輸出。例如，一個(gè)熱敏電阻的電阻器，其中電阻隨溫度而變化。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(shí)，空氣中的水汽分子含量也會發(fā)生相應(yīng)的變化。與應(yīng)變由于所施加的壓力的壓阻應(yīng)變計(jì)變化的電阻。這些可變電阻在惠斯通電橋提供電電壓，通常局部之前被進(jìn)一步傳遞空調(diào)引入。一種旋轉(zhuǎn)電位器（電阻分壓器），作為角位置傳感器，或一個(gè)可變磁阻磁傳感器，用作旋轉(zhuǎn)速度傳感器，直接發(fā)送無特定信號調(diào)節(jié)的輸出電壓。