硅是一種用途廣泛的材料,具有較為多樣的物理性質(zhì),因此可以被用來制造很多種類的傳感器。例如,通過霍爾效應(yīng)感測(cè)磁場,通過塞貝克效應(yīng)感測(cè)溫差,通過壓阻效應(yīng)感測(cè)機(jī)械應(yīng)力,以及通過光電效應(yīng)檢測(cè)光的傳感器。除此以外,一些無法通過硅基材料直接測(cè)得的物理量可以通過與硅兼容的材料間接感測(cè)到。例如,濕度能通過吸濕性聚合物測(cè)得[2],同時(shí)氣體濃度可以通過測(cè)量相應(yīng)的吸附性金屬氧化物的電阻獲得[3]。因此,盡管硅基傳感器或許無法獲得同類最佳的性能,但基于其小尺寸、低成本以及與電路系統(tǒng)易于協(xié)同集成的特點(diǎn),硅基傳感器更加實(shí)用并被普及推廣。

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    傳感器可為更大的系統(tǒng)提供信息,并基于其所提供的信息運(yùn)行工作,作為大系統(tǒng)的一部分最能體現(xiàn)它們的價(jià)值。因此,由傳感器提供的信息必須采用可靠且標(biāo)準(zhǔn)化的方式傳輸?shù)较到y(tǒng)的其他部分。然而,由于傳感器輸出的均為較弱的模擬信號(hào),信號(hào)傳輸工作需要額外的電路系統(tǒng)來完成,所以接口電路越靠近傳感器越好,以便減小信號(hào)干擾、避免信號(hào)傳輸損耗。當(dāng)把接口電路與傳感器組合在一起,即協(xié)同集成在同一封裝體內(nèi)時(shí)就是我們所稱的智能傳感器系統(tǒng)。

    除了向外界提供可靠的信號(hào),智能傳感器系統(tǒng)的接口電路還可被用來實(shí)現(xiàn)例如濾波、線性化和壓縮等傳統(tǒng)的信號(hào)處理功能。并且該電路系統(tǒng)還可以通過自檢測(cè)和校準(zhǔn)功能來提升傳感器的穩(wěn)定性(將在本書第2章中詳細(xì)討論)。傳感器之間的互相融合是近年來的一種趨勢(shì),集成在同一封裝體中的多種傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過協(xié)同處理以期獲得更為可靠的信號(hào)輸出。例如,將陀螺儀、加速度計(jì)和磁性傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行協(xié)同處理可以獲得可靠的方位預(yù)測(cè)信息,因此可以使移動(dòng)設(shè)各具各室內(nèi)導(dǎo)航功能。

    本章將大致論述有關(guān)智能傳感器設(shè)計(jì)的內(nèi)容,特別是基于標(biāo)準(zhǔn)集成電路技術(shù)(如CMOS)的智能傳感器設(shè)計(jì)。我們將給出采用上述現(xiàn)今最先進(jìn)的制造技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的智能傳感器系統(tǒng)的例子,比如用于測(cè)量溫度、風(fēng)速和磁場的傳感器。盡管標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)限制了實(shí)際傳感器的性能,但其降低了傳感器的制造成本:與此同時(shí),我們也會(huì)闡述通過充分利用協(xié)同集成接口電路.傳感器系統(tǒng)總體性能將被顯著提高。