1、 沈陽理工大學(xué)光電成像原理與技術(shù)課程設(shè)計(jì)2013-2014第（2）學(xué)期理學(xué)院實(shí)踐教學(xué)成 績 評 定 表實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目光電成像原理與技術(shù)課程設(shè)計(jì)專 業(yè)信息顯示與光電技術(shù)學(xué)生姓名陳新偉班級學(xué)號1109040109評語組長簽字: 成績?nèi)掌?2013-2014第（2）學(xué)期理學(xué)院實(shí)踐教學(xué)任 務(wù) 書學(xué) 院理學(xué)院專 業(yè)信息顯示與光電技術(shù)學(xué)生姓名陳新偉班級學(xué)號1109040109實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目光電成像原理與技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐題目基于CMOS集成電路工藝的風(fēng)速風(fēng)向測定儀實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):1 能對選題做理論分析，討論理論可行性。2能設(shè)計(jì)一套切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案，能夠驗(yàn)證預(yù)期達(dá)到的效果。3如果數(shù)據(jù)處理結(jié)果不夠理想，能夠找

2、到問題所在，并提出改進(jìn)意見。4能按要求格式撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。報(bào)告要求格式、正確思路清晰、結(jié)構(gòu)完整、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)、分析結(jié)論正確。對課程設(shè)計(jì)總體方案要進(jìn)行詳細(xì)地說明5獨(dú)立按時(shí)完成規(guī)定的工作任務(wù)，不得弄虛作假，不準(zhǔn)抄襲他人內(nèi)容。6在設(shè)計(jì)過程中，要嚴(yán)格要求自己，樹立嚴(yán)肅、嚴(yán)密、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，必須按時(shí)、按質(zhì)、按量完成課程設(shè)計(jì)。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:17周周一17周周四：選題、收集資料17周周五18周周五：撰寫開題、報(bào)告設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析19周周一19周周四：撰寫報(bào)告、19周周四提交報(bào)告。 指導(dǎo)教師：年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人：年 月 日學(xué)院院長：年 月 日 摘要 隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展和集成電路設(shè)計(jì)

3、水平的不斷提高，基于CMOS集成電路工藝技術(shù)制造的CMOS傳感器有集度成高、功耗低、工藝簡單、成本低且精度高的優(yōu)點(diǎn)，目前在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 本文介紹了一種基于CMOS(互補(bǔ) MOS)集成工藝制作的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，該傳感器在有風(fēng)吹過它的表面時(shí)能同時(shí)測量風(fēng)速和風(fēng)向。在本文的后半部分還闡述了CMOS 硅熱流量傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)，介紹了傳感器的驅(qū)動(dòng)電路和信號讀取電路。經(jīng)過測試，傳感器能夠測量的風(fēng)速為023m/s，且具有良好的線性度和靈敏度。關(guān)鍵詞：CMOS； CTD模式； 熱損失 目錄一、緒論1二、CMOS傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理2三、CMOS傳感器的驅(qū)動(dòng)及信號獲取43.1 CTD控制式驅(qū)動(dòng)電路

4、43.2信號獲取電路4四、測試結(jié)果6五、總結(jié)7參考文獻(xiàn)8 一、緒論 近年來，各種微型化的熱流量傳感器不斷見諸報(bào)道。這些器件常?；谶@樣兩種原理 ：(1)熱導(dǎo)線或熱薄膜型，由一個(gè)熱敏電阻導(dǎo)線或者薄膜構(gòu)成熱絲 。 在其中耗散一定的功率，使導(dǎo)線或薄膜的溫度高于周圍環(huán)境溫度，當(dāng)風(fēng)吹過傳感器表面時(shí)，導(dǎo)線或薄膜溫度會(huì)由于強(qiáng)迫對流冷卻而降低。溫度的降低影響電阻的阻值，利用惠斯登電橋可以得到與風(fēng)速相關(guān)的輸出信號。這種風(fēng)速計(jì)只能測量風(fēng)速，而不能測量風(fēng)向；(2)熱溫差型這種風(fēng)速計(jì)通過測量兩個(gè)垂直方向的熱堆差模信號溫差， 通過恒定功率(CP)或者恒溫差(CTD)模式來控制芯片，可以同時(shí)獲得風(fēng)速和風(fēng)向的信息。本文根據(jù)

5、這種風(fēng)速計(jì)的測量原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)風(fēng)速計(jì)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了熱導(dǎo)線風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速及溫差型可測方向兩種測量方式的優(yōu)點(diǎn)，給出了一個(gè)可同時(shí)得到風(fēng)速和風(fēng)向的測試方案。 二、 CMOS傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理 本文描述的CMOS風(fēng)速風(fēng)向傳感器的表面經(jīng)過加熱，中心溫度高于環(huán)境一定數(shù)值，在有風(fēng)吹過傳感器表面時(shí)會(huì)對表面不均勻冷卻，在風(fēng)速的影響下傳感器表面風(fēng)的方向的上游和下游會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度。通過測量中心對稱點(diǎn)A，B處的溫差來決定風(fēng)速的大小。當(dāng)風(fēng)向反向時(shí),輸出信號同樣改變符號，這樣也能得到一維的風(fēng)向信息。通過二維垂直對稱的結(jié)構(gòu)，能夠得到360度的風(fēng)向。傳感器差模溫度變化原理如圖 1所示 。 圖1 溫度變化原理圖 風(fēng)速計(jì)采

6、用閉環(huán)控制，芯片表面溫度高于周圍溫度恒定的數(shù)值。通過測量垂方向上的對稱溫差Tx和 Ty，能夠同時(shí)得到風(fēng)速和風(fēng)向信息。垂直方向的熱堆輸出差模信號分別為: （1）式中，V12和V23分別為兩組熱堆輸出的差模信號：T為芯片高于環(huán)境的設(shè)定溫度值；為熱電偶的塞貝克系數(shù)，此處約為100V/K，N為組成每個(gè)熱堆的串聯(lián)熱電偶數(shù),為實(shí)際風(fēng)向與參考軸X之間的夾角 ； V為與風(fēng)速有關(guān)的輸出電壓。有以上可知溫差風(fēng)速、風(fēng)向分別為： （2） 熱體由于風(fēng)的強(qiáng)迫對流而引起的耗散在風(fēng)中的功率為： （3） 這就是著名的 King氏定律，常數(shù)C1和C2決定于傳感器和流體的材料屬性與幾何屬性。通過測量損耗的功率的變化量同樣可以得到風(fēng)

7、速的信息。 管對或者熱敏電阻器作為測溫元件的設(shè)計(jì)。整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)制作在集成電路工藝的風(fēng)速計(jì)結(jié)構(gòu)平面和剖面示意圖如圖2所示，整個(gè)傳感器由標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完成。在圖2(b)的剖面示意圖中，位于4個(gè)方向上的垂直分布的加熱電阻由多晶硅制成，其阻值均為200，用作加熱器。在每個(gè)加熱電阻上面覆蓋一層與之相接觸的鋁條，用以將其產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到傳感器的表面，在風(fēng)吹過后增加有效的強(qiáng)迫對流分量，這種結(jié)構(gòu)能夠提高傳感器的靈敏度。4個(gè)ploy-Al熱堆的熱端靠近相應(yīng)的加熱條，冷端連在一起與襯底接觸，用來作為測溫元件。這種結(jié)構(gòu)使得該熱堆既能提供控制信號，同時(shí)又能產(chǎn)生輸出與風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)的讀出信號。 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 （

8、b）剖面示意圖 圖2示意圖 每個(gè)熱堆由1 6根相同的熱電偶串聯(lián)而成，這樣它的輸出信號將是單個(gè)熱電偶的16倍，每個(gè)熱堆的內(nèi)阻為10k。當(dāng)傳感器表面沒有風(fēng)經(jīng)過時(shí)，圖1中，對稱點(diǎn) A和B的溫度相同所以溫差為零，相對熱堆的差模信號輸出為零。這一點(diǎn)優(yōu)異于那些采用集成晶體場氧化層上，因?yàn)槎趸璧臒釋?dǎo)率大約是硅的熱導(dǎo)率的1/70,從而減少了向襯底的熱傳導(dǎo)。 三、CMOS傳感器的驅(qū)動(dòng)及信號獲取3.1 CTD控制式驅(qū)動(dòng)電路任何一種熱流量傳感器都需要保持芯片溫度高于周圍環(huán)境， 因?yàn)橹挥羞@樣 在風(fēng)吹過表面時(shí)，才能夠引起與風(fēng)速相關(guān)的溫度梯度。所以在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中， 采用一個(gè)閉環(huán)控制以保證芯片溫度高于環(huán)境溫度設(shè)定值即

9、CTD控制。當(dāng)風(fēng)速增 加時(shí)，為了保證設(shè)定的溫差值保持不變(典型值10l5K )。加熱器上的耗散功率也要增加。測量與風(fēng)速有關(guān)的耗散功率，可以得到風(fēng)速信息。在恒溫差控制 下， 兩組相互垂直的熱堆差模輸出同樣也會(huì)隨著風(fēng)速的增加而增加。從這兩組信號中可以同時(shí)得到風(fēng)速和風(fēng)向的信息?？刂齐娐吩韴D如圖3所示。 圖3 CMO風(fēng)速計(jì)的CTD控制電路原理圖圖3中 Vx1,Vx2,.和Vy1，Vy2分別代表東西南北4個(gè)方向上熱堆的絕對輸出信號，在風(fēng)速為零時(shí)，必須保持芯片溫度高于環(huán)境溫度設(shè)定值，4個(gè)熱電偶的輸出信號的疊加正好代表芯片中心的平均溫度。通過熱堆疊加信號和設(shè)定參考電壓(代表溫差，這里為10K左右)，通過一

10、定的運(yùn)算控制三極管的導(dǎo)通程度。初始條件下，風(fēng)速為零放大器A2的輸出Vc會(huì)被設(shè)置成高電位，從而使得晶體管Q1打開， 加熱器R對芯片進(jìn)行加熱。隨著加熱溫度的升高，VC 逐漸下降，最終達(dá)到設(shè)定的溫差，維持加熱功率和熱耗散功率動(dòng)態(tài)平衡。隨著風(fēng)速的增加強(qiáng)迫對流冷卻4個(gè)熱堆熱端，會(huì)導(dǎo)致VC增加，進(jìn)一步增加加熱器中的加熱功率。通過測量電壓V0，可以在該控制電路上得到風(fēng)速的信息 。3.2信號獲取電路 風(fēng)速計(jì)的整個(gè)信號處理系統(tǒng)框圖如圖4所示，信號數(shù)據(jù)讀取電路的前端接成儀器放大器。儀器放大器的第一級是具有深度電壓負(fù)反饋的電路，它的輸入阻抗特別高，且兩運(yùn)算放大器的特性相同，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也相等，再通

11、過第二級放大，可以相互抵消，所以具有極強(qiáng)的共模抑制能力(CMRR)和較小的輸出電壓漂移。由于熱堆的輸出信號在數(shù)十微伏級，需要一個(gè)性能良好的低失調(diào)放大器，并設(shè)置差模增益不低于500。通過仿真，放大器的帶寬為 10kHz左右，輸入失調(diào)為l5V。能夠滿足設(shè)計(jì)的需求。圖4是X方向信號處理圖，對于Y方向，有同樣的結(jié)構(gòu)。放大處理后的信號進(jìn)一步送人數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC )，轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送入微機(jī)處理，并最終以RS一422格式輸出。參考文獻(xiàn)4中，采用一個(gè)多路開關(guān)在兩組熱堆輸出信號之間切換，簡化了電路結(jié)構(gòu)，但是需要數(shù)字切換信號。一般性能的商用放大器的等效輸入失調(diào)在毫伏量級，所以必須設(shè)計(jì)低失調(diào)運(yùn)算放大器。 圖4 風(fēng)

12、速計(jì)的方向信號處理框圖 四、測試結(jié)果 對傳感器的樣品進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)際測試結(jié)果如圖5所示，(a )圖表示風(fēng)影響下?lián)p失的功率和風(fēng)速的關(guān)系( 此處為加熱條上電壓，經(jīng)過了放大)；(b ) 圖表示 在 3m/s 的風(fēng)速下輸出信號和風(fēng)向的關(guān)系?？梢钥闯觯簜鞲衅髟?3m/s 內(nèi)具有較好的測量能力，線性度較好，并且該傳感器在360度范圍內(nèi)都有較高的敏感度。 （a）輸出與風(fēng)速的關(guān)系圖 (b) 輸出和風(fēng)向的關(guān)系圖 圖5 五、總結(jié) 本文介紹基于CMOS管制作工藝與原理而制作的風(fēng)速計(jì)，并且簡述了其工作控制模式即CTD控制模式。通過在傳感器表面對稱點(diǎn)處測量由于風(fēng)速而引起的溫度梯度，從而能夠同時(shí)得到流過的風(fēng)速和風(fēng)向的信息。在本文的后半部分主要討論了傳感器的驅(qū)動(dòng)控制和信號讀取電路的設(shè)計(jì)和其設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。而且樣品經(jīng)過試驗(yàn)，在風(fēng)速較小的情況下有較好的線性關(guān)系,并且360度范圍方向敏感。 參考文獻(xiàn) 1 王慶有圖像傳感器應(yīng)用技術(shù) 北京：電子工業(yè)出版社，2003:1