传感器集成化提升性能、降低成本的优势分析

（一）集成化

随着半导体集成电路技术的不断发展，传感器越来越多地能够与信号处理电路以及接口电路封装在同一管壳内或是安置于同一芯片上，这种传感器即为集成传感器（integrated sensor）。通常情况下，集成传感器指的是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造而成的传感器。

传感器的集成化包括2方面含义：一是将许多不同或是相同的敏感元件集成于同一芯片上，进而形成敏感元阵列，如图像传感器将上万个相同的光敏二极管集成在同一芯片上；二是将敏感元件与其转换或者调理电路，如温度补偿、运算以及放大等电路集成在同一芯片上。对于传感器而言，集成化所能起到的主要作用有：提高性能、降低成本与功耗、增强功能以及减小尺寸等。

集成化传感器一共包括4个部件。第一部分为敏感元件，它产生的信号往往会受到噪声及其他干扰因素的影响，所以需要包含线性化、滤波、补偿以及放大等信号调理电路在内的第二部件对传感器的非理想特性进行调低。在同一芯片中，如果出现需要多个敏感元件的情况，便需要进行多路开关的选择。如果要求传感器所得信号一定是并行或串行的数字格式，则必须凭借A/D转换器或频率一编码转换器（第三部分）来实现。传感器总线接口为第四部分，选择多个传感器构成系统时，以星状拓扑结构作为信号获取系统，也就是说每个传感器皆与一个数字多路选择器相连。当传感器具有较大的数量时，数字多路选择器的连接数目以及全部系统的电缆长度较大，所以说总线式的多传感器结构是该种情况下首选频率最高的一种方案。总线系统负责协调处理全部的数据传输，并将传感器数据通过适当接口传输到计算机中。

（二）主要集成途径

传感器的集成化是一个由简单到复杂，由低级到高级的发展过程。当集成技术难以令敏感元件和全部处理电路一同集成时，人们会先选择一些基本和简单的电路和功能元件进行集成，这些元件可以令传感器的性能得到明显提升。下面是优先考虑集成化的5种电路。

1.各种调节和补偿电路

如电源电压调整电路广温度补偿电路等。将电源电压调整电路与传感器组合，在使用方便的同时，传感器不再需要原来那么高的外部电源，输出信号的稳定性也有了明显的改善。由于传感器尤其是半导体传感器对温度的变化非常敏感，因此良好的温度补偿具有重要意义。分立元件组成的传感器能通过外部感温元件构成温度补偿电路，但是因为传感器的实际温度和外部感温元件不是百分百匹配的，所以效果不理想。在同一芯片中，如果集成温度补偿电路和敏感元件，则补偿电路可以感应到感应元件的温度并获得良好的补偿效果。

2.信号放大和电阻转换电路

为了在提高信号和信噪比的同时将外部的干扰消除掉，可以把信号放大电路和阻抗转换电路这2个电路与敏感元件集成在一起。一般情况下，干扰噪声最重要的来源是传输线。这是因为传输线中的干扰噪声在输出信号弱和传感器输出阻抗高的条件下，会严重影响信号，而且后级放大电路会将这种干扰噪声和信号一起放大。对于集成传感器，受到干扰的影响不再那么大，而且干扰不会被放大。

3.数字化信号电路(www.xing528.com)

有效提高抗干扰能力的途径之一是将模拟信号转换为数字信号。一种常见的方法是先将模拟信号转换为频率信号，然后将其转换为数字信号。不同的受控振荡器和受控电压放大器可实现此目的，

一般情况下，由于控制系统本身的需求，传感器的输出需要改成通断开关的输出。输出的结果还会因为测量的信号强度超过某个阈值而有所不同。为了使输出状态不受被测信号在阈值附近所受干扰的影响，一般把施密特触发器和开关电路集成在一起。

4.多敏感元件或传感器的集成

多个敏感元件不管类型是否相同都可以通过集成技术相互集成在一块。同类型敏感元件多个集成的好处是多个测量结果之间可以相互比较，之后得到最为精准的测量结果。可以平均一下所有的测量结果，这样测量精度就会有所提高。不同功能的敏感器件的集成是为了测量多个参数，并对这些参数的测量结果进行综合处理，进而得出反映被测系统整体状态的参数。比如，内燃机燃烧程度的综合参数就是对内燃机的压力、温度、排气成分、转速等参数的测量结果进行分析处理得到的。

5.信号发送接收电路

传感器需要根据一些实际应用的要求，安放在特殊的环境或者条件下，如运动部件上、封闭危险环境中或被测生物体内，这时测得的信号需通过无线电波或光信号传送出来。在这种情况下，为了测量的方便，把信号发送电路和传感器集成在一起，可大大减小测量系统的质量和尺寸。另外，把传感器和射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，传感器就能通过接收外部控制信号来调整测量方式和测量周期，还能关闭电源，这样功率的消耗也将减小。

（三）集成化的特征和走向

传感器与半导体集成电路相结合，使传感器具有信号获取、调理放大、转换与处理于一体的特点。所以，通常情况下，与普通传感器相比，集成传感器具有体积小、反应快、抵抗干扰能力强、输出标准化信号或数字信号、功能强、性能稳定、精度高等优点。

与电路集成的集成传感器中最多的就是物性型传感器，这是因为物性型传感器的基础材料是半导体，而且它的制作工艺可以与集成电路工艺兼容。微机械加工技术在这几年快速发展，物性型传感器已不再是主流，因为微型敏感结构的敏感性传感器逐渐被商用化，这些传感器的基础材料是硅，制作技术应用了MEMS技术，如集成加速度计、陀螺仪等。集成电路技术和MEMS技术的逐渐发展推动了集成电路和敏感元件的发展，集成传感器的数量越来越多，功能也越来越强。