例分析:一种智能风速传感器

   本节描述一个零位平衡的传感激励器的范例:一种智能风速传感器这个传感器在本书第1章中已经介绍。它的操作原理图在图2.18a中简要概括。它包含一个CMOS芯片,被键合在一个薄陶瓷片中,保护芯片远离气流的直接接触。芯片包含4个加热器,4个热电堆和接口电路。通过加热芯片,将在圆盘表面产生一个过热点。气流不会均匀冷却圆盘,而会使过热的点远离圆盘中心,并且致使芯片中产生温度差。这个变量通过热电堆测量,并且它们的输出、流速和流动方向均可以由此获得。

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    加热器和热电堆被包含在反馈回路中是为了使温度差为零,而不会使得气流产生温度差。在这种被称为温度平衡的模式中,加热器没有被均匀驱动是为了促使热电堆的输出为零。风速和方向可以从加热器不对称的功率耗散中计算得出。图2.18b说明了南北方向的非对称性是如何通过使用一个定时反馈回路直接地被数字化的,称作热⒍gma~delta调制器。一个完全相同的调制器(未在图中标示)被用在了东西方向。在这些调制器中,热电偶使用比较器读出数据,而不是使用放大器。这些比较器检测热电堆电压信号,以确定芯片南北方向哪个方向更热。然后,比较器的输出通过一个时钟触发器转化为位序列以及这串比特流和它的反相驱动加热器。因此,加热器周期性地完全开或者关,取决于它们是芯片热的一边还是冷的一边。因为系统计时速率超过典型的流动引起的温度变化速率,加热器将提供平均功率差来消除流动引起的温度梯度。还可以在反馈环路中集成一个电子积分器以获得更强有力的平均热脉冲(或者在⒍⒏ma-delta术语中的高阶噪声整形)[4°]。关于风速的信息就能够轻易地靠通过比特流中一阶分量的比例(tlle△ac乩n of1′s)而获得。

    就像在一个连续的零位平衡环路中,热⒍gma~delta调制器的灵敏度完全由激励器决定(加热器),而不是由传感器(热电堆)决定。这使得智能风传感器对热电堆的灵敏度的生产公差不灵敏。零位平衡方法的一个更重要的优势是,它能自动抵消由传感器封装的热不对称性引起的温度梯度。在第一代风传感器中没有使用零位平衡,这些梯度必须靠手动消除。在智能风传感器中,这些昂贵的过程不再需要:传感器能够被自动校准,并且修正可以在比特流的数后处理中实施。经过此步骤,在风速分别,风速和方向各自的误差能够被减少到±5%和±3°以内。因此,自校准的形式被应用到传感器中并没有消除校准需求,但此举大大简化了校准和修正流程,显著地降低了传感器的生产成本。