硅是一种用途广泛的材料,具有较为多样的物理性质,因此可以被用来制造很多种类的传感器。例如,通过霍尔效应感测磁场,通过塞贝克效应感测温差,通过压阻效应感测机械应力,以及通过光电效应检测光的传感器。除此以外,一些无法通过硅基材料直接测得的物理量可以通过与硅兼容的材料间接感测到。例如,湿度能通过吸湿性聚合物测得[2],同时气体浓度可以通过测量相应的吸附性金属氧化物的电阻获得[3]。因此,尽管硅基传感器或许无法获得同类最佳的性能,但基于其小尺寸、低成本以及与电路系统易于协同集成的特点,硅基传感器更加实用并被普及推广。

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    传感器可为更大的系统提供信息,并基于其所提供的信息运行工作,作为大系统的一部分最能体现它们的价值。因此,由传感器提供的信息必须采用可靠且标准化的方式传输到系统的其他部分。然而,由于传感器输出的均为较弱的模拟信号,信号传输工作需要额外的电路系统来完成,所以接口电路越靠近传感器越好,以便减小信号干扰、避免信号传输损耗。当把接口电路与传感器组合在一起,即协同集成在同一封装体内时就是我们所称的智能传感器系统。

    除了向外界提供可靠的信号,智能传感器系统的接口电路还可被用来实现例如滤波、线性化和压缩等传统的信号处理功能。并且该电路系统还可以通过自检测和校准功能来提升传感器的稳定性(将在本书第2章中详细讨论)。传感器之间的互相融合是近年来的一种趋势,集成在同一封装体中的多种传感器输出信号经过协同处理以期获得更为可靠的信号输出。例如,将陀螺仪、加速度计和磁性传感器的输出信号进行协同处理可以获得可靠的方位预测信息,因此可以使移动设各具各室内导航功能。

    本章将大致论述有关智能传感器设计的内容,特别是基于标准集成电路技术(如CMOS)的智能传感器设计。我们将给出采用上述现今最先进的制造技术进行设计的智能传感器系统的例子,比如用于测量温度、风速和磁场的传感器。尽管标准的CMOS技术限制了实际传感器的性能,但其降低了传感器的制造成本:与此同时,我们也会阐述通过充分利用协同集成接口电路.传感器系统总体性能将被显著提高。