【正文】 感器的測量范圍；三是指對不同類型的傳感器進行集成 ， 例如集成有壓力 、 溫度 、 濕度 、 流量 、 加速度 、 化學等敏感單元的傳感器 ， 能同時測到環(huán)境中的物理特性或化學參量 ，用來對環(huán)境進行監(jiān)測 。 74 集成電路和各種傳感器的特征尺寸已達到亞微米和深亞微米量級 ， 由于非電子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其體積 、 重量 、 價格等的減小 。 智能化是將傳感器 (或傳感器陣列 )與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上 。 系統(tǒng)能夠通過電路進行信號提取和信號處理 ， 根據(jù)具體情況自主地對整個傳感器系統(tǒng)進行自檢 、 自校準和自診斷 ， 并能根據(jù)待測物理量的大小及變化情況自動選擇量程和測量工作方式 。 和經(jīng)典的傳感器相比 ， 集成智能傳感器能夠減小系統(tǒng)的體積 ， 降低制造成本 ， 提高測量精度 ， 增強傳感器功能 ， 是目前國際上傳感器研究的熱點 ， 也是未來傳感器發(fā)展的主流 。 75 2 、 智能傳感器的研究熱點 1） 物理轉(zhuǎn)化機理 理論上講 ， 有很多種物理效應(yīng)可以將待測物理量轉(zhuǎn)換為電學量 。 在智能傳感器出現(xiàn)之前 ， 為了數(shù)據(jù)讀取的方便 ， 人們選擇物理轉(zhuǎn)化機理時 ， 被迫優(yōu)先選擇那些輸入 —輸出傳遞函數(shù)為線性的轉(zhuǎn)化機理 ， 而舍棄掉其它傳遞函數(shù)為非線性 ， 但具有長期穩(wěn)定性 、 精確性等性質(zhì)的轉(zhuǎn)換機理或材料 。 由于智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數(shù)進行校正 ， 得到一個線性度非常好的輸出結(jié)果 ， 從而消除了非線性傳遞函數(shù)對傳感器應(yīng)用的制約 ， 因此一些科研工作者正在對這些穩(wěn)定性好 、 精確度高 、靈敏度高的轉(zhuǎn)換機理或材料重新進行研究 。 76 2） 數(shù)據(jù)融合理論 數(shù)據(jù)融合是智能傳感器理論的重要領(lǐng)域 ， 也是各國研究的熱點 。 數(shù)據(jù)融合通過分析各個傳感器的信息 ， 來獲得更可靠 、 更有效 、 更完整的信息 ， 并依據(jù)一定的原則進行判斷 ， 作出正確的結(jié)論 。 對于由多個傳感器組成的陣列 ， 數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感器的特點 ， 利用其互補性 、 冗余性 ， 提高測量信息的精度和可靠性 ， 延長系統(tǒng)的使用壽命 ， 進而實現(xiàn)識別 、 判斷和決策 。 77 多傳感器系統(tǒng)的融合中心接受各傳感器的輸入信息 ， 得到一個基于多傳感器決策的聯(lián)合概率密度函數(shù) ， 然后按一定的準則作出最后決策 。 融合中心常用的融合方法有錯誤率最小化法 、 NP法 、 自適應(yīng)增強學習法 、 廣義證據(jù)處理法等等 。 傳感器數(shù)據(jù)融合是傳感器技術(shù) 、 模式識別 、 人工智能 、 模糊理論 、 概率統(tǒng)計等交叉的新興學科 ， 目前還有許多問題沒有解決 ， 如最優(yōu)的分布檢測方法 、 數(shù)據(jù)融合的分布式處理結(jié)構(gòu) 、 基于模糊理論的融合方法 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多傳感器系統(tǒng) 、 多傳感器信號之間的相互耦合 、系統(tǒng)功能配置及冗余優(yōu)化設(shè)計等 ， 這些問題也是當今數(shù)據(jù)融合理論的研究熱點 。 78 3） CMOS工藝兼容的傳感器制造與集成封裝技術(shù) 集成式微型智能傳感器是受集成電路制作工藝的牽引而發(fā)展起來的 ， 如何充分利用已經(jīng)行之有效的大規(guī)模集成電路制作技術(shù) ， 是智能傳感器降低成本 ， 提高質(zhì)量 ， 增加效益 ， 批量生產(chǎn)的最可行 ， 最有效的途徑 。 但傳統(tǒng)的微機械傳感器制作工藝與 CMOS工藝兼容性較差 。為了保證加工應(yīng)力能完全松弛 ， 微機械結(jié)構(gòu)需要長時間的高溫退火； 而為了成功地實施必要的曝光 ， CMOS技術(shù)需要非常平整的表面 ， 這就造成了矛盾 。 因為如果先完成機械加工工序 ， 基底的平面性將會有所犧牲；如果先完成 CMOS工序 ， 基底將經(jīng)受高溫退火 。 這使得 傳感器敏感單元與大規(guī)模集成電路進行單片集成時產(chǎn)生困難 ， 限制了智能傳感器向體積縮小 、 成本降低與生產(chǎn)效率提高的方向發(fā)展 。 為了解決這個 “ 瓶頸 ” 問題 ， 目前在研究二次集成技術(shù)的同時 ， 智能傳感器的工藝研究熱點集中在 研制與 CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及其制造工藝流程上 。 79 如前所述 ， 由于非電子元件接口未能做到同等尺寸縮微 ， 因而限制了其體積 、 重量等的減小 。 當前 ， 集成式微型智能傳感器正朝著更高功效及輕 、 薄 、 短 、 小的方向發(fā)展 ， 傳統(tǒng)的封裝技術(shù)將無法滿足這些需求 。 對于新的集成式微型智能傳感器來說 ， 有關(guān) 分離和封裝問題 可能是其商品化的最大障礙 。 現(xiàn)階段 ， 制造微機械的加工設(shè)備和工藝與制造 IC的設(shè)備和工藝是緊密匹配的 ， 但是 ， 封裝技術(shù)還未能達到同樣高的匹配水準 。 雖然單片集成式微型智能傳感器商品化的成功已能對傳統(tǒng)的封裝技術(shù)產(chǎn)生一定程度的影響 ， 但仍需要進行廣泛的改進和提高 。 因此 ， 一些新封裝技術(shù)的研究和開發(fā)已越來越得到人們的重視 ， 開發(fā)更先進的封裝形式及其技術(shù)也成為集成式微型智能傳感器制造相關(guān)技術(shù)的研究熱點 。 80 3 、 集成智能傳感器系統(tǒng)舉例 從前面討論可知 ， 智能傳感器是 “ 電五官 ” 與 “ 微電腦 ”的有機結(jié)合 ， 對外界信息具有檢測 、 判斷 、 自診斷 、 數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)能力的集成一體化的多功能傳感器 。 這種傳感器還具有與主機自動對話 、 自行選擇最佳方案的能力 。 它還能將已取得的大量數(shù)據(jù)進行分割處理 ， 實現(xiàn)遠距離 、 高速度 、 高精度的傳輸 。 目前 ， 這類傳感器雖然尚處于研究開發(fā)階段 ， 但是已出現(xiàn)不少實用的智能傳感器 。 81 混合集成壓力智能傳感器 混合集成壓力智能傳感器是采用二次集成技術(shù)制造的混合智能傳感器 ， 下圖是混合智能傳感器的組成框圖 ， 即在同一個管殼內(nèi)封裝了微控制器 、 檢測環(huán)境參數(shù)的各種傳感元件 、 連接傳感元件和控制器的各種接口 /讀出電路 、 電源管理器 、 晶振 、 電池 、 無線發(fā)送器等電路及器件 ， 具有數(shù)據(jù)處理功能 ， 并且可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化情況 ， 自主地開始測量或者改變測試頻率 ， 具有了智能化的特點 。 智能傳感器系統(tǒng)的核心是 Motorola公司的 68HC11微控制器 (MCU)， 其中包含有內(nèi)存 、 八位Ａ /Ｄ 、 時序電路 、 串行通信電路 。 MCU與前臺傳感器間內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞通過內(nèi)部總線進行 。 82 傳感系統(tǒng)包括了溫度傳感器 、 壓力傳感器陣列 、 加速度傳感器陣列 、 啟動加速度計陣列 、 濕度傳感器等多種傳感器或傳感器陣列 。 MCU將傳感器的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準格式 ， 并對數(shù)據(jù)進行儲存 ， 然后通過系統(tǒng)內(nèi)的無線發(fā)送器或 RS232 接口傳送出去 。 傳感器由6Ｖ電池供電 ， 功耗小于 700 μＷ ， 至少能夠連續(xù)工作 180天 。 整個智能傳感器微系統(tǒng)的體積僅僅為 5cm3， 相當于一個火柴盒那么大 。 美國 Honeywell公司研制的 DSTJ—3000智能壓差壓力傳感器 ， 能在同一塊半導體基片上用離子注入法配置擴散了壓差 、 靜壓和溫度三個敏感元件 。 整個傳感器還包含轉(zhuǎn)換器 ， 多路轉(zhuǎn)換器 ， 脈沖調(diào)制器 ， 微處理器和數(shù)字量輸出接口等 ， 并在 EPROM中裝有該傳感器的特性數(shù)據(jù) ， 以實現(xiàn)非線性補償 。 83 混合智能傳感器組成框圖