eng
Содержание
Введение научного редактора перевода ....................................... 13
Предисловие ........................................................................... 17
Об авторах ............................................................................... 19
Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Йохан Х. Хюиджисинг.................................................................. 23
1.1.
Третья промышленная революция ............................................ 23
1.2.
Определения различных видов сенсоров .................................. 24
1.2.1
Определение сенсоров относительно физических эффектов ...... 24
1.2.2.
Определение интеллектуальных сенсоров ............................... 30
1.2.3.
Определение интегральных интеллектуальных сенсоров ........... 31
1.2.4.
Определение интегральных интеллектуальных сенсорных
систем ........................................................................................34
1.3.
Автоматизированные производственные машины.......................... 34
1.4.
Автоматизированные потребительские продукты .......................... 37
1.4.1.
Интеллектуальные автомобили ................................................ 37
1.4.2.
Интеллектуальные дома ..........................................................38
1.4.3.
Интеллектуальные бытовые приборы ...................................... 40
1.4.4.
Интеллектуальные игрушки .................................................... 41
1.5.
Заключение ............................................................................. 42
Литература .................................................................................... 42
Глава 2. Интерфейсная электроника и техника измерений
для интеллектуальных сенсорных систем
Джерард К. М. Мейджер .................................................................... 43
2.1.
Введение.................................................................................. 43
2.2.
Объектно-ориентированное проектирование сенсорных систем ..... 44
2.3.
Чувствительные элементы и сопровождающие паразитные
эффекты ......................................................................................... 45
2.3.1.
Совместимость компоновки ....................................................... 46
2.3.2.
Влияние импеданса кабеля и проводника ..................................... 47
2.3.3.
Паразитные и взаимные эффекты в чувствительных
элементах..................................................................................... ..47
2.3.4.
Сигналы возбуждения для чувствительных элементов ...................50
2.4.
Аналогово*цифровое преобразование ...........................................51
2.5.
Высокая точность в широком динамическом диапазоне ................54
2.5.1.
Систематические, случайные и многоканальные ошибки ............54
2.5.2.
Улучшенная технология прерывания.........................................55
2.5.3.
Автокалибровка .................................................................. 58
2.5.4.
Динамическое усиление ........................................................59
обработки сигнала ........................................................................62
2.6.
Универсальный интерфейс преобразователя ...............................63
6
Содержание
2.6.1.
Описание интерфейсной интегральной схемы
и прикладная техника измерения .................................................. 63
2.6.2.
Реализация и экспериментальные результаты ......................... 69
2.7.
Обобщение и перспективные тенденции .................................. 73
2.7.1.
Обобщение ..................................................................... ..73
2.7.2.
Перспективные тенденции ................................................ ..74
Задачи ..................................................................................... 74
Литература ............................................................................... 77
Глава 3. Кремниевые сенсоры: введение
Пэдди Дж. Френч ....................................................................79
3.1.
Введение.......................................................................... 79
3.2.
Системы измерения и управления ......................................... 80
3.3.
Преобразователи ............................................................ 81
3.3.1.
Форма энергии, несущей сигнал.......................................... 81
3.3.2.
Изменение сигнала в преобразователях .................................. 85
3.3.4.
Самогенерирующие и модулирующие преобразователи ............ 88
3.4.
Технологии преобразователей .................................................88
3.4.2.
Обобщение не кремниевых технологий .................................. 90
3.4.3.
Кремний ............................................................................ 92
3.5.
Примеры кремниевых сенсоров ................................................ 94
3.5.1.
Излучающие сенсоры .......................................................... 94
3.5.2.
Механические сенсоры ...................................................... 95
3.5.3.
Термические сенсоры........................................................ 97
3.5.4.
Магнитные сенсоры ........................................................... 99
3.5.5.
Химические сенсоры ........................................................ 100
3.6.
Обобщение и перспективные тенденции ................................ 102
3.6.1.
Обобщение .................................................................... 102
3.6.2.
Перспективные тенденции .................................................102
Литература ........................................................................ ......103
Глава 4. Оптические сенсоры на основе обнаружения фотонов
Райнольд Ф. Вольфенбуттель ...................................................... 105
4.1.
Введение............................................................................105
4.2.
Абсорбция фотонов в кремнии................................................108
4.3.
Граница раздела: прохождение фотонов в кремний.................... 111
4.4.
Обнаружение фотонов в кремниевых фотопроводниках ............. 115
4.4.1.
Фотопроводники в кремнии: эксплуатационные
и статические характеристики .......................................................121
4.5.
Обнаружение фотонов в кремниевых p!n*переходах ................... 121
4.5.1.
Определение обедненного слоя в p!n*переходах ..................... 123
4.5.2.
Электронно*дырочная совокупность в обедненном слое ............ 125
4.5.3.
Электронно*дырочная совокупность в подложке ..................... 126
Содержание 7
4.5.4.
Электронно*дырочная совокупность в приповерхностной зоне ... 127
4.5.5.
p!i!n*фотодиоды с обратной подсветкой ............................... 129
4.5.6.
Электронно*дырочная совокупность в двухуровневых
p!n*переходах ........................................................................ 131
4.6.
Предел обнаружения............................................................132
4.6.1.
Шум в оптическом сигнале ................................................ 133
4.6.2.
Шум детектора фотонов ....................................................134
4.6.3.
Считывание данных детектором фотонов ............................. 136
4.7.
Детекторы фотонов с усилением ...........................................138
4.7.1.
Фототранзистор................................................................139
4.7.3.
Время интегрирования заряда, генерированного фотонами ..... 142
4.8.
Примеры применения......................................................... 144
4.8.1.
Сенсор для определения цвета со структурой КМОП ............. 144
4.8.2.
Оптический микроспектрометр со структурой КМОП.............. 146
4.9.
Обобщение и перспективные тенденции .................................148
4.9.1.
Обобщение .....................................................................148
4.9.2.
Перспективные тенденции ................................................ 149
Задачи ..................................................................................150
Литература ........................................................................... 151
Глава 5. Физические хемосенсоры
Михаэль Дж. Веллекууп .........................................................153
5.1.
Введение........................................................................ 153
5.1.1.
Тонкопленочные химические поверхности раздела ............. 154
5.1.2.
Системы полного анализа ............................................... 154
5.2.
Физическая хемочувствительность ......................................155
5.3.
Энергетические области ................................................... 157
5.4.
Примеры и применения ....................................................159
5.5.
Примеры применения сенсоров «в среде» ........................... 160
5.5.1.
Оксиметр .................................................................... 160
5.5.2.
Детектор теплопроводности ............................................161
5.5.3.
Система мониторинга масла в двигателе ........................... 162
5.5.4.
Сенсор состояния масла на основе инфракрасных измерений
......................................................................................... 163
5.5.5.
Электронный нос ......................................................... 164
5.6.
Микрожидкостные приборы .............................................. 165
5.6.1.
Проекционный цитометр ............................................... 169
5.6.2.
Счетчик Культера ........................................................175
5.6.4.
Высокопроизводительные скрининговые матрицы .............. 179
5.6.5.
Бесконтактное обнаружение проводимости на основе
капиллярного электрофореза .................................................. 181
5.7.
Заключение ....................................................................182
Задачи ................................................................................ 183
Литература .......................................................................... 183
8
Содержание
Глава 6. Термические сенсоры
Зандер (А.В.) ван Херваарден .................................................. 187
6.1.
Функциональный принцип термических сенсоров ...................187
6.1.1.
Самогенерирующие термоэнергетические сенсоры ................ 187
6.1.2.
Модулирующие теплопроводные сенсоры ..............................188
6.2.
Механизмы теплопереноса .................................................... 189
6.3.
Термические структуры......................................................... 192
6.3.1.
Моделирование ..................................................................192
6.3.2.
Плавающие мембраны ........................................................ 196
6.3.3.
Консольные балки (кантилеверы) и мосты ............................. 198
6.3.4.
Закрытые мембраны ........................................................... 200
6.4.
Сенсоры на основе измерения разности температур .................. 202
6.4.1.
Введение ......................................................................... 202
6.4.2.
Термопары ...................................................................... 203
6.4.3.
Другие чувствительные элементы ........................................ 206
6.5.
Сенсоры на основе термических измерений ............................. 206
6.5.1.
Микрокалориметр ..............................................................207
6.5.2.
Психрометр ......................................................................208
6.5.3.
Инфракрасный сенсор ....................................................... 209
6.5.4.
Среднеквадратичный преобразователь ................................ 211
6.5.5.
Сенсор электромагнитного поля .......................................... 211
6.5.6.
Проточный сенсор ............................................................. 213
6.5.7.
Вакуумный сенсор...............................................................214
6.5.8.
Датчик теплопроводности .....................................................216
6.5.10.
Нанокалориметр ............................................................... 217
6.6.
Обобщения и перспективные тенденции ................................... 218
6.6.1.
Обобщения ........................................................................ 218
6.6.2.
Перспективные тенденции ................................................... 219
Задачи ...................................................................................... 219
Литература ................................................................................ 222
Глава 7. Интеллектуальные термические сенсоры и системы на их основе
Джерард К. М. Мейджер .......................................224
7.1.
Введение
7.2.
Проблемы и требования, связанные с применением термических
сенсоров .................................................................................. 228
7.2.1.
Точность .......................................................................... 228
7.2.2.
Кратковременная и длительная стабильность ......................... 229
7.2.3.
Шум и разрешение ............................................................ 230
7.2.4.
Самонагревание ................................................................ 231
7.2.5.
Утечка тепла по соединительным проводам............................. 233
7.2.6.
Динамические свойства ...................................................... 233
7.3.
Резистивные термочувствительные сенсоры ............................. 235
7.3.1.
Практические математические модели ................................. 235
Содержание 9
7.3.2.
Линейность и линеаризация ................................................ 238
7.4.
Термосенсорные свойства транзисторов ................................... 240
7.4.1.
Общие положения .............................................................. 240
7.4.2.
Физические и математические модели ................................... 241
7.4.3.
Температурные сенсоры, пропорциональные абсолютной
температуре (ПАТ*сенсоры) ......................................................... 243
7.4.4.
Температурные сенсоры с внутренним опорным
напряжением............................................................................. 248
7.4.5.
Калибровка и подстройка транзисторных термосенсоров ..........248
7.5.
Интеллектуальные термосенсоры и системы на их основе ...........249
по рабочему циклу выходным сигналом ........................................ 250
7.5.2.
Интеллектуальные термосенсорные системы
на дискретных элементах .......................................................... 253
7.6.
Изучение некоторых случаев применения интеллектуальных
сенсоров ................................................................................... 254
7.6.1.
Тепловое обнаружение микроорганизмов с помощью
интеллектуальных сенсоров ......................................................... 254
7.6.2.
Контроль температуры подложки .......................................... 259
7.7.
Обобщение и перспективные тенденции ................................... 262
7.7.1.
Обобщение ......................................................................... 262
7.7.2.
Перспективные тенденции .................................................... 263
Задачи ....................................................................................... 264
Литература ............................................................................... 265
Глава 8. Емкостные сенсоры
Худжин Ли и Джерард К. М. Мейджер
8.1.
Введение.............................................................................267
8.2.
Основы емкостных сенсоров ................................................... 268
8.2.1.
Принципы ............................................................................268
8.2.2.
Точность емкостных сенсоров ................................................. 269
8.3.
Примеры емкостных сенсоров .................................................... 269
8.3.1.
Угловое кодирующее устройство ............................................. 270
8.3.2.
Сенсоры влажности .............................................................. 272
8.3.3.
Датчик уровня жидкости ........................................................ 273
8.4.
Проектирование конфигурации электродов ................................ 273
8.4.1.
Воздействие электромагнитных помех .................................... 274
8.4.2.
Эффекты искажения электрического поля ............................... 275
8.4.3.
Электроды с активной защитой ............................................. 275
8.4.4.
Плавающие электроды ....................................................... 276
8.4.5.
Загрязнение и конденсация.................................................. 277
8.5.
Уменьшение эффекта искажения электрического поля:
сегментация ............................................................................... 277
8.5.1.
Трехслойная конструкция электрода .....................................278
8.5.2.
Модель электростатического поля в электродной конструкции ... 280
10
Содержание
8.5.3.
Влияние эффекта искривления электрического поля
на линейность характеристик ......................................................280
8.6.
Селективность электрических сигналов и электрических
параметров ............................................................................. 281
8.6.1.
Селективное обнаружение частот с ограниченной
полосой пропускания ................................................................ 282
8.6.2.
Селективное обнаружение избранного параметра ................. 282
8.6.3.
Техника измерения для уменьшения влияния
шунтирующих проводимостей ................................................... 283
8.7.
Обобщения и перспективные тенденции ............................... 290
Задачи ................................................................................... 291
Литература ............................................................................ 292
Глава 9. Интегральные магнитные сенсоры Холла
Радивое С. Попович, Павел Кеджик ........................................................................ .......294
9.1.
Введение....................................................................... 294
9.2.
Эффект Холла и элементы Холла ......................................... 295
9.2.1.
Эффект Холла ................................................................. 295
9.2.2.
Элементы Холла .............................................................. 298
9.2.3.
Характеристики элементов Холла ...................................... 299
9.2.4.
Интегральные горизонтальные пластины Холла ................... 302
9.2.5.
Интегральные вертикальные пластины Холла ....................... 304
9.3.
Интегральные сенсорные системы Холла ................................. 305
9.3.1.
Смещение устройства Холла .............................................. 306
9.3.2.
Уменьшение начального смещения и шума типа 1/f ................ 306
9.3.3.
Усиление напряжения Холла................................................. 309
9.3.4.
Интеграция магнитных функций............................................312
9.4.
Примеры интегральных магнитных сенсоров Холла .....................314
9.4.1.
Магнитный сенсор углового положения ...................................314
9.4.2.
Полностью интегрированный трехосный зонд Холла .................. 317
9.4.3.
Интегральный зонд Холла для магнитной микроскопии ............. 320
Задачи .......................................................................................324
Литература .................................................................................. 325
Глава 10. Универсальные асинхронные сенсорные интерфейсы
Джерард К. М. Мейджер, Худжин Ли ................................................ 326
10.1.
Введение ............................................................................ 326
10.2.
Универсальные сенсорные интерфейсы .................................... 328
10.3.
Асинхронные преобразователи ................................................ 331
10.3.1.
Преобразование сенсорных сигналов во временную область ..... 332
10.3.2.
Широкодиапазонное преобразование сенсорных сигналов
во временную область для очень малых или очень больших
сигналов ................................................................................... 335
10.3.3.
Выходные сигналы ............................................................ 337
10.3.4.
Шум квантования дискретизированных сигналов,
модулированных по времени ........................................................ 339
Содержание 11
10.3.5.
Сравнение между асинхронными и дельта*сигма*
преобразователями ...................................................................... 342
10.4.
Решение проблемы низкозатратного проектирования
универсальных интерфейсных ИС ................................................... 345
10.5.
Входные цепи ...................................................................... 346
10.5.1.
Взаимное влияние и взаимодействие .................................... 346
10.5.2.
Взаимные помехи ................................................................ 347
10.5.3.
Оптимизация компонентов, схем и монтажа ............................ 348
10.6.
Изучение конкретных примеров ...............................................350
10.6.1.
Входные схемы для емкостных сенсоров ................................ 350
10.6.2.
Входные схемы для мостов сопротивления ..............................352
10.6.3.
Входные схемы для процессоров термопара*напряжение .........356
10.7.
Обобщения и перспективные тенденции ................................... 357
10.7.1.
Обобщения .......................................................................358
Задачи ...................................................................................... 359
Литература ................................................................................. 362
Глава 11. Сбор данных для сенсоров с частотным и временным
представлением сигналов
Сергей Ю. Юриш........................................................................... 363
11.1.
Введение ............................................................................. 363
11.2.
Платы сбора данных: современный уровень ............................. 364
11.3.
Проектирование платы сбора данных для квазицифровых
сенсоров .................................................................................... 366
11.3.1.
Современные методы частотно*цифрового преобразования ..... 366
11.3.2.
Примеры ........................................................................... 374
11.3.3.
Методы преобразования рабочий цикл–цифровой сигнал ........ 375
11.3.4.
Методы преобразования фазовый сдвиг–цифровой сигнал ....... 377
11.4.
Универсальные частотно*цифровые преобразователи (УЧЦП) .....383
11.4.1.
ИС для частотно*цифрового преобразования:
современный уровень .................................................................... 384
11.4.2.
УЧЦП: свойства и характеристики ......................................... 385
11.5.
Применение и примеры ......................................................... 388
11.6.
Обобщения и перспективные тенденции .................................. 391
Задачи ...................................................................................... 393
Литература ............................................................................... 393
Глава 12. Микроконтроллеры и цифровые сигнальные процессоры
для интеллектуальных сенсорных систем
Рачо М. Иванов ......................................................................... 395
12.1.
Введение ............................................................................ 395
12.2.
Архитектура, организация, структура и периферийные устройства
микропроцессорного блока управления (МБУ) и цифрового
сигнального процессора ................................................................ 396
12.3.
Выбор энергосберегающего МБУ или ЦСП.................................. 400
12
Содержание
12.3.1.
Среднее потребление тока ................................................... 401
12.3.2.
Возбудитель и системные тактовые генераторы ........................ 402
12.3.3.
Прерывания ........................................................................ 404
12.3.4.
Периферийные устройства ..................................................... 404
12.3.5.
Обобщения .......................................................................... 404
12.4.
Таймерные модули.................................................................. 404
12.4.1.
Введение в таймерные модули................................................ 404
12.4.2.
Примеры применения таймерных модулей
для различных микроконтроллеров ...................................... 409
12.5.
Аналоговые устройства сравнения, АЦП и ЦАП, как модули
микроконтроллеров ....................................................................... 425
12.5.1.
Введение............................................................................425
12.5.2.
Примеры применения аналоговых модулей............................... 426
12.6.
Встроенные цепи и жидкокристаллический интерфейс ................429
12.7.
Инструментальные средства разработки и поддержки ................. 430
12.8.
Заключение ........................................................................ .430
Ссылки на сайты ............................................................................431
Приложение А. Информация о материалах........................................ 432
Приложение Б. Преобразование единиц, не подчиненных системе СИ ....433
Решения задач ........................................................................ 435
Предметный указатель ..........................................................455
Введение научного редактора перевода
Коллектив авторов книги, посвященной интеллектуальным сенсорным системам,
в первых же строках текста утверждает, что направление технического развития
человеческого социума, которое называется «сенсоризация» составляет содержание третьей промышленной революции, и на основе результатов двух первых механизации и информатизации, как полагают авторы, – по их прогнозам должна завершиться полной автоматизацией и роботизацией. Диалектический подход авторов к обсуждаемой проблеме «сенсоризация» следует признать естественным
в силу ее новизны и поэтому можно понять их стремление определить место нового направления в цивилизационных путях развития человечества.
Историческое место такого нового направления развития техники, как «сенсоризация», вероятно, надо искать не на уровне промышленных революций, а в пределах диалектического развития электроники. И это подтверждается всем дальней
шим содержанием книги, ибо обсуждаются, практически, только электронные
структуры. Различные физические эффекты, тем или иным образом, сводятся к
электронным сигналам. Таким образом, справедливо будет полагать, что «сенсоризация» или «сенсорика» являются новым направлением развития электроники. Разумеется, электроника занимает достойное место в определенной части второй и третьей промышленных революций.
Вместе с перспективой развития электроники в границах перманентного эволюционного процесса появилась новая ветвь электроники, связанная с пограничными физическими, химическими и биологическими явлениями относительно электронных процессов. Возникшие в качестве самостоятельных отдельных направлений, такие, как оптоэлектроника, магнитоэлектроника, акустоэлектроника, криоэлектроника, хемотроника, биоэлектроника вскоре обнаружили некоторую общность, которая состояла в том, что для любого направления существенно необходим пограничный элемент, преобразующий сигналы одной из физических,
химической или биологической областей в электронную. Такой элемент стали называть сенсором или первичным чувствительным элементом (ПЧЭ), новое направление развития электроники получило название «сенсорика».
Интенсивный прогресс этого направления и значительные накопления научных и практических результатов в области сенсорики привели, в частности, к факту
появления представляемой технической общественности русского перевода книги «Интеллектуальные сенсорные системы» (Smart Sensor Systems). Авторами обобщен большой опыт научной и практической деятельности по проектированию
и производству различных видов сенсоров и сенсорных систем.
Рассмотрено многообразие сенсоров, ориентированных на восприятие различных свойств окружающей среды, а также свойств материалов и состояний машин и
механизмов. Показаны возможные промышленные технологии изготовления сенсоров. С точки зрения конструктивной реализации предлагаются прогрессивные методы проектирования, получившие названия «система на кристалле» и «система в корпусе», которые позволяют использовать для целей оптимального интегрирования необходимых функций как монотехнологии, так и композиции разнородных технологий. На основании значительного опыта и, учитывая междисциплинарность и относительную открытость сенсорных подсистем, в противовес декомпозиционнокомпозиционным методам проектирования авторы рекомендуют объектно ориентированное проектирование, которое позволяет избежать избыточного числа итераций и, тем самым, сократить продолжительность создания системы.
Большое внимание уделяется таким параметрам сенсоров, как точность, скорость измерений, устойчивость к различным паразитным и перекрестным влияниям сигналов, в том числе фликкерного шума (1/f) и шума квантования, а также совместимости компоновки сенсоров и их интерфейсов. Рассматривая различные структуры чувствительных элементов, авторы приводят примеры разработки таких
МЭМС структур, как кантилеверы, плавающие и закрытые мембраны, МЭМС акселерометр с газовой сейсмической массой. В качестве интеллектуальных функций
сенсоров авторы предлагают автокалибровку, стабилизацию температуры подложки
сенсора, управление кратковремнной и длительной стабильностью сенсора, динамическое усиление, динамическое деление и другие динамические технологии обработки сигнала.
На основе достаточно большого разнообразия рассмотренных сенсоров показывается инвариантность решения одной и той же задачи, так измерение температуры возможно производить резистивным сенсором, термопарой, полупроводниковым сенсором, МЭМС структурами и др. Описанные преимущества и ограничения каждого вида сенсора позволяют при проектировании систем принимать решения близкие к оптимальным.
Следует отметить, что после каждого тематического раздела книги авторы
производят обобщения, которые позволяют читателю получить концентрирован
ное представление о рассмотренном материале, а после этого формулируются
перспективные тенденции развития обсуждаемого направления. Именно такая
последовательность создает логическую доказательную базу, убеждающую в правомерной научно технической позиции авторов.
Практическая направленность книги, в чем следует усматривать ее особую
ценность, состоит в том, что в конце каждой главы, посвященной либо одному из
видов сенсоров, либо сенсорных интерфейсов, либо сенсорной измерительной
технике авторы предлагают практические задачи, содержание которых позволяет
закрепить изложенный теоретический материал. И далее, в завершающем разделе книги приводится решение этих задач, так что имеется реальная возможность
проверки уровня освоения предлагаемых методов и технологий проектирования
интеллектуальных сенсоров и сенсорных систем на их основе.
Вместе с тем, может быть именно в силу новизны сенсорного направления и не
устоявшейся терминологии, в настоящей книге авторы определяют сенсоры, как преобразователи сигналов различной энергетической природы в электрические. Конечно,энергетическая характеристика первичного сигнала может достаточно универсально описать свойства среды, но иногда эту энергетику будет весьма сложно проявить в практической реализации сенсорного устройства. Например, как определить энергетику такой характеристики среды, как влажность? Далее, интеллектуальность сенсора определяется тем, что к собственно сенсору добавляется аналоговая интерфейсная схема, аналого цифровой преобразователь и интерфейс шины, т.е. содержательно весь интеллект сенсора заключается в том, что свойства среды представляются в цифровом виде. И, наконец, в книге имеется разд. 1.2.4 «Определение интегральных интеллектуальных сенсорных систем», но в двух абзацах этого раздела декларированного определения не приводится. При такой неопределенности исходных положений читателю будет достаточно сложно воспринимать последующий текст.В отечественной научно технической литературе направлению электроники,которое обозначено термином «сенсоризация», соответствует с некоторыми допущениями, понятие «микросистемотехника» (МСТ). С целью максимальной детерминированности места этого направления в диалектической спирали развития электроники приведем его возможно строгое определение, поскольку термин «микросистемотехника» и определяемое им понятие сегодня нельзя считать
окончательно установившимися,Итак, микросистемотехника – это комплексное технологическое направление электроники, использующее первичные чувствительные элементы (ПЧЭ) в микроэлектронном исполнении, позволяющие получить информацию о физических, химических, биологических свойствах среды в электронном виде для последующего направленного управления средой или исполнительными приборами и механизмами.МСТ, безусловно, можно считать новой ветвью развития электроники, которая, с одной стороны, опирается на технологические результаты предыдущих эта
пов (микроэлектроника, физика пограничных эффектов), а, с другой стороны,
использует инновационные возможности нанотехнологий. Последнее обстоятельство позволяет рассчитывать на определенный оптимизм в отношении перспектив развития электроники в пределах современного диалектического витка, основанного на эффекте переноса носителей заряда в твердом теле.
Технологическое направление микросистемотехники предполагает создание
и производство изделий микросистемотехники. Под такими изделиями мы понимаем устройства, получаемые совокупностью научно технических и технологи
ческих способов формирования в объеме и (или) на поверхности твердого тела
упорядоченной композиции микронных и субмикронных областей с заданными
составом, структурой и геометрией. Эти изделия должны реализовывать функции восприятия, преобразования информации из обобщенной физической (либо
химической, биологической) формы в электрическую, а также функций хранения, обработки (используя эффекты, отличные от традиционной транзисторной
электроники), трансляции информации, энергии и движения, а затем выработки
управляющих воздействий в требуемых режимах и условиях эксплуатации.
В такой постановке целевой функции изделия микросистемотехники становится
очевидным его интеллектуальность в силу направленного заранее запрограммиро
ванного инвариантного управления свойствами среды или контролируемого объекта.
Развитие инновационного направления микросистемотехники неизбежно
приводит к очередной технологической модернизации электронной отрасли, которая потребует значительных ресурсов для решения следующих задач:
– проектирования изделий МСТ на основе программных и аппаратных
средств нового поколения;
– создания наноструктурированных материалов;
– производства изделий МСТ на основе технологического и метрологичес
кого оборудования нового поколения;
– формирования и завоевания рынков сбыта систем на основе изделий МСТ.
В порядке реализации задачи ускоренного развития отечественной электроники предприятиями радиоэлектронной отрасли страны достигнуты значитель
16 Введение научного редактора перевода
ные успехи в создании следующих базовых технологий (БТ) и конструкций изделий МСТ и приборов на их основе:
– микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков ускорения и давления, позволяющих реализовать широкий спектр приборов, в том числе для блоков
ориентации малых космических аппаратов, ультразвуковых счетчиков газа;
– микросистем анализа магнитных полей, позволяющих создавать приборы
для научных исследований, машиностроения и медицины;
– формирования сверхпроводниковых структур туннельного типа для построения современных квантовых эталонов напряжения, приемо преобразовательных систем субмиллиметрового диапазона длин волн и элементной
базы квантовых компьютеров на основе Q битовой логики;
– матриц микрозеркал для модуляции оптического излучения;
– микроэлектромеханических переключателей и коммутаторов для комплексной миниатюризации специальной аппаратуры;
– производства полупроводниковых газовых сенсоров на основе композитных
и мембранных структур, обеспечивающих создание газовых течеискателей и
пороговых газоанализаторов, применяемых в промышленности и ЖКХ;
– производство сенсоров, использующих эффект поверхностных акустических
волн (ПАВ) и на их основе создание систем радиочастотной идентификации
(РЧИД) с уникальными ранее недостижимыми характеристиками по условиям эксплуатации, долговечности и устойчивости к информационному взлому;
– твердотельных гироскопов вибрационного типа на основе пьезоэффекта,
позволяющих реализовать устройства управления подвижными объектами
в экстремальных условиях;
– микроакустоэлектромеханических датчиков давления жидких и газообразных сред широкого спектра применений;
– параметрического ряда кантилеверов для прецизионных измерений, позволяющих создавать современные атомно силовые микроскопы.
Во всех этих работах в полном объеме используются схемотехнические, конструктивные и технологические принципы, которые в совокупности составляют
инновационное направление развития электроники – микросистемотехнику.
Издаваемая на русском языке книга, обобщающая опыт проектирования интеллектуальных сенсорных систем (в отечественной терминологии – изделий
микросистемотехники) коллектива Дельфтского технического университета (Нидерланды) и сотрудников компаний: Sentron AG, Sentronics AD, Senis GmbH,
Ametes AG, Bradford Engineering B. V., Landis & Gyr AG, Delft Instruments Company,
Nissan Motor Company, Smartec B. V., Xensor Integration B. V., безусловно, будет
весьма полезной разработчикам отечественной радиоэлектронной аппаратуры.
Научный редактор перевода выражает признательность к.т.н., доц. И.М. Лазеру за плодотворные обсуждения спорных позиций зарубежных коллег, сопоставительный ретроспективный анализ результатов развития электроники с целью
отработки научно обоснованных перспективных решений. Редактор благодарен директору книгоиздательских программ РИЦ «ТЕХНОСФЕРА» С.А. Орлову за содержательное методическое сопровождение издания книги, которое способствовало повышению качества издания.
Научный редактор перевода, д.т.н., проф. В.А. Шубарев
Предисловие
Благодаря весьма интенсивным усилиям большого числа ученых и инженеров технология сенсоров достигла стадии отрочества. Теперь можно ожидать, что начнется устойчивый период роста интеллектуального и технологического потенциала сенсорных систем, который, в конечном итоге, приведет к стадии зрелости.
Достаточно трудно прогнозировать, когда завершится этот процесс развития, и что
собой будет представлять его последняя стадия. В краткосрочной перспективе
ожидается прогресс автономных сенсоров, интегрированных в распределенные
системы с интеллектуальными сигнальными процессорами и интеллектуальным
регулированием исполнительных механизмов при минимальном потреблении
энергии. В долгосрочной перспективе сенсорные системы можно представить в
виде составляющей части роботов со свойственной животному или человеку системой архитектуры.Само собой разумеется, эти идеи не новы. Вполне уместен вопрос, почему
понадобилось так много времени, чтобы реализовать подобные разработки. Трудно
перейти на другой уровень технологического развития? Может быть, внедрение
нанотехнологий, позволяющее организовать структуру технического объекта на
атомарном уровне, откроет новые перспективы, к которым мы стремимся?
Никто этого точно не знает, но очевидно, что одна из основных причин
«вялотекущего» прогресса технологии сенсоров связана с междисциплинарным
характером данной области знаний, предполагающим необходимость тесного сотрудничества физиков, химиков, инженеров электриков и инженеров механиков,
экспертов в области информационных технологий. Кроме того, следует взаимодействовать с медицинскими работниками, агрономами, садоводами и экономистами.Эта книга представляет собой справочное пособие для проектировщиков и пользователей сенсоров и сенсорных систем. Написана на основе материала, из
ложенного в междисциплинарном курсе «Интеллектуальные сенсорные системы»,
организованном Дельфтским техническим университетом в 1995 г. Цель курса –
представление базовых принципов современных сенсорных систем для широко
го круга специалистов в различных областях знаний, разработка общего языка и
научных основ для обсуждения проблем и развития взаимного сотрудничества.
Таким образом, мы надеемся внести свой вклад в непрерывный процесс расширения во всем мире аудитории, участвующей в подобных возбуждающих живой
интерес разработках.Во время написания этой книги многие люди оказали нам помощь и внесли свой посильный вклад в ее издание. Мы высоко ценим поддержку в подготовке
данной книги со стороны руководства факультетов прикладных и академических
институтов. Большую помощь нам оказали предложения, сделанные нашими рецензентами: доктором Фэрри Н. Тот (Exalon Сorp.), доктором Михаэлем ПертиджсNational Semiconductors), исследователем Джероеном ван Меером (Xensor
Integration), профессором Альбертом Дж. П. Тьювиссеном (TUDelft), доктором
Андре Бошем (TUDelft), исследователем Ки Джиа (TUDelft) и всеми авторами,
которые также выступали в качестве рецензентов.
18 Предисловие
В отношении нашего издателя, John Wiley & Sons Ltd., мы хотели бы выразить
слова признательности менеджеру проекта Никки Скиннеру за техническую редакцию рукописи, выпускающему редактору Симоне Тейлор за поддержку и помощь в организации договоров. Также хотелось бы отметить миссис Труди Хауве
линг (TUDelft) за оказание секретарской помощи в ходе работы, а также Р. Джанс
за выполнение рисунков для издания. Мы также признательны Сарре Фон Галам
бос за ее превосходный английский язык и лингвистические исправления. Кроме
того, мы хотели бы выразить благодарность университетам, исследовательским
институтам и компаниям, которые разрешили нам написать эту книгу и помогли
с иллюстративными материалами, что позволило сделать книгу более привлека
тельной для нашего читателя.
Фирменный сайт по книге: www.wiley.com/go/meijer_smart.
Джерард К. М. Мейджер
Дельфт, Нидерланды
Глава 1
Йохан Х. Хюиджисинг
1.1. Третья промышленная революция
Автоматизация включает три стадии:
1. Механизацию.
2. Информатизацию.
3. Сенсоризацию.
Человечество всегда стремилось расширить свои возможности (рис. 1.1). Сначала это выражалось в наращивании механической мощи: изобретены паровой
двигатель и двигатель внутреннего сгорания, электрический мотор и реактивный
двигатель. Механизация полностью изменила общество. Так состоялась первая
промышленная революция.Затем человечество развило свой интеллектуальный потенциал: изобретены средства искусственной логики и коммуникации – компьютер и интернет. Стадия информатизации снова меняет общество и когда она завершится, прогнозировать достаточно сложно. Тем не менее, это далеко еще не все. Создав сенсоры, человечество учится искусственно расширять их чувствительные возможности. Сенсоризация в сочетании с механизацией и информатизацией завершит третью промышленную революцию полной автоматизацией или роботизацией.
Показательный пример – автоматизированная система контроля полета современного самолета (рис. 1.2). Она включает множество сенсоров для мониторинга процесса. Компьютеры выдают сигналы, сравнивают их с заданными значениями и передают регулирующие сигналы на двигатели, рули и заслонки, которые приводят самолет в движение. Тройственная взаимосвязь механики, компьютеров и сенсоров обеспечивает полет самолета на автопилоте.
Рис. 1.1. Сенсоризация: третья революция автоматизации
Механизация
Информатизация Сенсоризация
24 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Если самолет может лететь в автоматическом режиме, почему до сих пор мы
не можем заставить наши автомобили везти нас на работу, просто сообщив им об этом? Потому что сенсорная система для водителя автомобиля слишком тяжелая,
громоздкая и дорогая в производстве. Поэтому, прежде чем применять сенсорные
системы в умных автомобилях, умных домах и производственных машинах, необходимо уменьшить их стоимость, размеры и массу. Решение этой задачи – современная проблема разработки интегральных интеллектуальных сенсоров (табл. 1.1).
Рис. 1.2. Полностью автоматизированный самолет: тройственная связь между механизацией, информатизацией и сенсоризацией
Сенсор Компьютер Исполнительный механизм
1.2. Определения различных видов сенсоров
В данном разделе будут представлены определения различных видов сенсоров, а
именно: сенсоры (обобщенное понятие);
– интеллектуальные сенсоры;
– интегральные интеллектуальные сенсоры;
– интеллектуальные сенсорные системы.
1.2.1 Определение сенсоров относительно физических эффектов
Сенсоры преобразуют сигналы различной энергетической природы в электрические.
На рис. 1.3 приведена классификация сигналов по шести физическим явлениям.
Глава1.1. 1.2. Определения различных видов сенсоров 25
Верхняя часть на рис. 1.3 включает все сигналы излучающей или оптической
природы. Данные сенсоры способны преобразовывать оптические сигналы в электрические, которые изображены в нижней части рисунка. Пример – датчик изображения, который преобразует изображение в электрический сигнал. Следующий
элемент справа – область механических сигналов. Например, акселерометр или
датчик подушки безопасности в состоянии преобразовать механическое ускорение в электрический сигнал. Подобным образом термодатчик преобразует температуру в электрический сигнал. Существуют даже электрические сенсоры. Они преобразуют электрические сигналы одних видов в другие, например, для точного измерения разницы потенциалов между двумя кожными электродами на груди пациента. Слева расположена область магнитных сигналов. Пластина датчика Холла в состоянии преобразовать магнитный сигнал в электрический. Наконец,сенсоры химической и биохимической области позволяют трансформировать сигналы этой природы в электрические. В качестве примера можно привести сенсоры pH и ДНК.
Физические эффекты сенсоров можно описать различными уравнениями по локализации энергии или мощности [1]. Параметры кросс эффектов между раз
личными энергетическими областями описывают перекрестную чувствительность
сенсора между этими двумя сигналами. В табл. 1.2 в систематизированном виде
приведены физические эффекты, реализуемые в сенсорах. Слева расположены
области входных сигналов сенсора. Сверху – области выходных сигналов. Все
эффекты по диагонали: левый верх – правый низ, относятся к явлениям в пределах одной физической области. Пример – фотолюминесценция существует в пределах области излучающих сигналов. Все явления в колонке с электрическими
выходными сигналами описывают эффекты собственно сенсоров, например, фотопроводимость. Все явления в строке с входным электрическим сигналом описывают эффекты исполнительного механизма.Далее, сенсоры можно разделить на два типа: пассивные (самогенерирующие)и активные (модулирующие) (рис. 1.4). Пассивные сенсоры, например, электродинамический микрофон, приобретают выходную энергию от входного сигнала; активные сенсоры, например, конденсаторный микрофон, – от внутреннего источника питания. Активные сенсоры могут достигать большого усиления по мощности между входным и выходным сигналами. Сенсорный куб (рис. 1.5) представляет собой трехмерное пространство сигналов: входного, выходного и источника питания.Рис. 1.3. Классификация сенсорных сигналов по шести физическим явлениям
Излучающие Электрические Магнитные Химические Термические Механические
26 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Дополнительная классификация сенсоров приведена на рис. 1.6. Различают два
класса: открытые системы без обратной связи и замкнутые системы с обратной
связью. Пружинные весы – хороший механический пример первой системы; аналитические весы – второй.
Для измерения с помощью аналитических весов объекты необходимо поместить на чаши, чтобы установить стрелку на ноль. Преимущество подобной системы заключается в том, что фактически требуется только сенсор для точного считывания отклонения от нулевой точки. Значение сигнала обратной связи опреде
ляет величину измеряемого объекта. В открытой системе сенсор должен обеспечить линейность и точность передачи сигнала.
Глава 1.2. [1]
Рис. 1.4. Самогенерирующие и модулирующие сенсоры [2]
Объект
измерения
Объект
измерения
Входной
сигнал
Входной
сигнал
Сенсор
Сенсор
Выходная
мощность
Выходной
сигнал
Выходная
мощность
Выходной
сигнал
Потери
Потери
а) Самогенерирующий сенсор
б) Модулирующий сенсор
Мощность
эффекта
Мощность
эффекта
Мощность
входного
сигнала
Мощность
входного
сигнала
Источник
питания
1.2. Определения различных видов сенсоров 27
На рис. 1.7 и 1.8 показано множество материалов, которые можно выбирать
для создания сенсоров. Полупроводники приобретают все большую популярность
как сенсорные материалы из за их стабильной кристаллической структуры, по
стоянного улучшения стандартизации при массовом производстве и низкой цены.
Негативное влияние на экономику производства оказывает множество пара
метров сенсора, которые необходимо измерять (табл. 1.3).
Химич.
Модуляция
Выход
Вход
0
Излуч.
Излуч.
Излуч.
Механич.
Механич.
Механич.
Термич.
Термич.
Термич.
Электр.
Электр.
Электр.
Магнитн.
Магнитн.
Магнитн.
Химич.
Химич.
Рис. 1.6. Открытая и закрытая сенсорные системы относительно петли обратной
связи
Рис. 1.5. Сенсорный куб [1]
Пружинные весы
Вход
Вход
Преобразователь
(пружина)
Компаратор
а) Открытая система (без обратной связи)
б) Закрытая система (с обратной связью)
Аналитические весы
* Установка весов добавляется или уменьшается для того,
чтобы сделать разбалансировку нулевой
Смещение
(напряжение
пружины)
Выход
Выход
Объект
Установка
весов*
Объект
Объект
Сигнал
разбаланси8
ровки
(отклонение
указателя
от нуля)
28 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Аналоговый Частотно8
аналоговый Цифровой
Фольга
Давление,
влажность,
уровень
СВЧ
Движение,
уровень,
скорость
Керамика
Температура,
газы
Опто8
электроника
Излучение,
положение
Трафаретная
печать
(толстая
пленка)
Температура
Движение
Объем
Расход
Уровень
Давление
Звук
Кислотность
Газ
Влажность
Температура
Излучение
Яркость
Цвет
Плотность
Масса
Время
Момент
Усилие
Скорость вращения
Ускорение
Скорость
Вибрация
Положение
Угол
Длина
Тонкая
пленка
Температура,
давление
Полу8
проводник
(первичный
кремний)
Давление,
температура,
расход,
положение
Частотно8
импульсный
Рис. 1.7. Материалы сенсоров [3]
Рис. 1.8. Какой из них? [2]
Который же мне выбрать?
1.2. Определения различных видов сенсоров 29
Даже для одного параметра, например, давления, существует множество тех
нических условий: точность, чувствительность, шум, разрешение, динамический
диапазон, требования к окружающей среде. Как следствие, на рынке имеются
тысячи разнообразных датчиков давления (рис. 1.9).
Другой усложняющий фактор – множество типов выходных сигналов сенсо
ров. Некоторые из них приведены в табл.1.4.
И далее требуется стандартизация и миниатюризация. Выходом из сложив
шейся ситуации является интеллектуальный сенсор (рис. 1.10).
1.4. 30 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
1.2.2. Определение интеллектуальных сенсоров
Интеллектуальный сенсор представляет собой комбинацию из сенсора, аналого
вой интерфейсной схемы, аналогово цифрового преобразователя (АЦП) и интер
фейса шины в одном корпусе. Три гибридных интеллектуальных сенсора (рис. 1.11),
отличаются по степени интеграции в сенсорной ИС. В этом вопросе требуется
стандартизация и, как следствие, повышение интеллектуального потенциала
сенсора.
Рис. 1.9. Чувствительность? Точность? [2]
Точность, минимально
обнаруживаемое количество,
чувствительность, внутренний шум,
разрешение, динамический диапазон,
отношение сигнал/шум…
Интеллектуальный
сенсор?
Рис. 1.10. Интеллектуальный сенсор? [2]
1.2. Определения различных видов сенсоров 31
В первом гибридном интеллектуальном сенсоре можно использовать универ
сальный сенсорный интерфейс (УСИ) для соединения его с цифровой шиной. Во
втором – осуществлена интеграция сенсора и блока формирования сигнала. При
этом АЦП и интерфейс шины располагаются отдельно. В третьем случае сенсор
уже соединен с интерфейсной схемой в одной ИС, что обеспечивает стандартный
рабочий цикл или цифровой поток. Шинный интерфейс все еще располагается
отдельно.
В этом случае возможно множество форматов выходных сигналов (табл. 1.5).
Рис. 1.11. Гибридные интеллектуальные сенсоры
Шина
Цифровой
I Аналоговый II III
Сенсор
Корпус
Шина
Цифровой
Аналоговый
Сенсор
Шина
Цифровой
Аналоговый
Сенсор
1.2.3. Определение интегральных интеллектуальных сенсоров
Если интегрировать все функции от сенсора до шинного интерфейса в одной ИС,
получаем интегральный интеллектуальный сенсор (рис. 1.12).
Интегральный интеллектуальный сенсор должен включать все необходимые
элементы в одном конструктиве: один или несколько собственно первичных
сенсоров, усилители, модулятор и мультиплексоры, АЦП, буферные устрой
ства, шинный интерфейс, адреса, регулирующие и энергетические устройства
(рис. 1.13).
Хотя полная интеграция всех функций является достаточно дорогой операцией, тем не менее, при массовом производстве готовых изделий стоимость интегрального сенсора может оставаться на приемлемом уровне.
1.5.
Рис. 1.12. Интегральный интеллектуальный сенсор
Опти8
ческий
Механи8
ческий
Хими8
ческий
Терми8
ческий
Магнит8
ный
Адреса Интерфейс Контроллер
Цифровой
Аналоговый
Сенсор 1 Сенсор 2 Одна ИС
Усилитель
Модулятор/мультиплексор
АЦП
Счетчик
Питание
Земля
Тактовые импульсы
Данные
Рис. 1.13. Функции интегрального интеллектуального сенсора
Излучающие
Электрические
Магнитные
Химические
Термические
Механические
1.2. Определения различных видов сенсоров 33
Другая положительная сторона заключается в том, что благодаря простой мо
дульной архитектуре можно существенно сократить стоимость всей сенсорной
системы.
Тем не менее, для реализации всех функций на одной ИС необходима ин
теграция разнообразных сенсоров. С этой целью была разработана технология
производства совмещенной ИС на основе трехмерного микроструктурирования.
В табл. 1.6 приведен ряд разрабатываемых в настоящее время сенсоров, технологически совместимых с промышленными ИС.
Тем не менее, дополнительно необходимо разработать интерфейсные ИС, при
годные для интеграции в сенсорную ИС. Табл. 1.7 содержит ряд примеров интег
ральных интеллектуальных сенсоров с интерфейсными ИС на одном кристалле.
Рис. 1.14. Развитие интеллектуальной сенсорной системы
Внешняя шина
Универ8
сальный
сенсорный
интерфейс
Сенсор Сенсор
Аналогово8
цифровой
модулятор
Интерфейс
локальной
шины
Интерфейс
внешней
шины
Калибровка
Самотести8
рование
Аналогово8
цифровой
модулятор
Сенсор Сенсор
Будущее
Решение
на основе
одной ИС
Большой
объем
Локальная шина
Решение
на основе
одной ИС
Большой
объем
Улучшенное
гибридное
решение
Средний
объем
Общее
гибридное
решение
Малый
объем
Микро8
процессор
Микро8
процессор Локальная шина
ISS, I2C
Домашняя, полевая, CAN
Аналогово8
цифровой
модулятор
1.2.4. Определение интегральных интеллектуальных сенсорных систем
На рис. 1.14 показано развитие интегральных интеллектуальных сенсорных систем с многочисленными промежуточными стадиями. Чем больше рынок интеллектуальных сенсоров определенного типа, тем большая интеграция для них экоомически оправдана.
Наша заветная мечта показана на рис. 1.15. Если удастся интегрировать беспроводный источник питания и беспроводную связь, будет создана новая комплексная концепция амбициозных сенсоров, многие из которых можно будет применять в автомобилях, домах, одежде, во время спортивных состязаний для получения ценной информации.
1.3. Автоматизированные производственные машины
Интегральные интеллектуальные сенсоры будут применяться во всех областях
повседневной жизни: в интеллектуальных домах и бытовых приборах, автомобилях и производственных машинах. В табл. 1.8 приведены области, где уже используются интегральные интеллектуальные сенсоры в производственных машинах и
при профессиональном мониторинге процессов.
В химической и биохимической промышленности применяется большое количество типов сенсоров для анализа химических и биохимических веществ. В каче
стве примера можно привести быстродействующую скрининговую ИС (рис. 1.16),
которая содержит множество наноразмерных отверстий.
Функции:
сенсоры
и исполнительные механизмы,
интерфейсная схемотехника,
процессор
и программный продукт,
самотестирование,
автоконфигурирование,
беспроводная связь,
беспроводный источник питания
Применения:
уличное
движение,
биомедицинская
промышленность,
строительство,
безопасность,
сейсмика
СЕТЬ
Рис. 1.15. Автономные микросенсоры
1.3. Автоматизированные производственные машины 35
Каждое отверстие содержит различный химический реагент, а также нагреватель, источник света и фотоприемник. Для анализа требуется всего лишь одна
капля образца, поскольку он может заполнить множество наноразмерных отверстий.
Изучение сенсоров в машиностроении с 1995 г. выявило области применения, в которых необходимо применение сенсоров (рис. 1.17).
Области применения:
медицина,
процессы ферментации,
анализ биологических жидкостей
(Суб)наноразмерное отверстие
Источник света
Детектор
объема
жидкости
Фотодиод
Нагреватель
Рис. 1.16. Быстродействующий скрининг (Vellekoop)
Рис. 1.17. Сенсоры в машиностроении [3]
Магнитные
Оптические
Химические
Ускорения
Наклона
Длины/расстояния
Усилия
Расхода
Уровня
Температуры
Вращения/скорости
Массы
Давления
Положения
0 20 40 60 80 В % относительно
всех машин
36 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Кроме того, на рис. 1.18 показаны преимущества использования сенсоров в
машиностроении. Очевидно, что тогда обеспечивается повышение уровня автоматизации, например, для своевременной диагностики повреждений оборудования. Как следствие, доля электроники в стоимости машин постоянно увеличивается примерно до 10–20% (рис. 1.19).
Рис. 1.18. Преимущества использования сенсоров [3]
Упако8
вочные
машины
Лифтовое
и погрузочно8
разгрузочное
оборудование
Текстиль8
ные
машины
Дерево8
обрабаты8
вающие
машины
Лифтовое и погрузочно8разгрузочное
оборудование 15,0 млрд евро
Сельскохозяйственные машины 11,0 млрд евро
Текстильные машины 7,0 млрд евро
Упаковочные машины 5,0 млрд евро
Деревообрабатывающие машины 4,5 млрд евро
Пищевое оборудование
и машины для производства напитков 4,5 млрд евро
Пищевое
оборудо8
вание
Сельско8
хозяйственные
машины
20
15
10
5
0
0 2 4 6
Автоматика – доля в общей стоимости, %
Электроника – доля в общей стоимости, %
Рис. 1.19. Доля сенсорной электроники в общей стоимости машиностроительной
продукции
Своевременная диагностика
Автоматический контроль качества
Оптимизация процессов
Гибкость
Комфорт
Повышение качества
Сокращение затрат
Снижение загрязнения
Расширение областей применения
Сокращение отходов
Увеличение экономии
Повышение производительности
Экономия материалов
Экономия энергии
0 20 40 60 80 В %
1.4. Автоматизированные потребительские продукты 37
Все больше сенсоров используется в сельском хозяйстве. Например, в парни
ках применяются автоматические устройства, системы регулирования климата и
борьбы с вредителями, подачи воды и питательных веществ, роботы для уборки
урожая и т.п.
В автомобилестроении современные роботы используются для осуществле
ния сложных сборочных операций (рис. 1.20).
1.4. Автоматизированные потребительские продукты
Автоматизированные потребительские продукты стремительно проникают в нашу
жизнь в форме интеллектуальных автомобилей, домов, бытовой техники, игру
шек и других изделий.
1.4.1. Интеллектуальные автомобили
В 2005 г. автомобили включали около 40 сенсоров (рис. 1.21). Разместить их станет возможным, если вместо сенсорной системы, соединенной звездой, будет
применяться распределенная сенсорная шина. Эту задачу можно решить экономически эффективным способом только в случае использования интеллектуальных сенсоров.
В противном случае автомобиль разрушится под весом проводов
(рис. 1.22).
Рис. 1.20. Сварочный робот для производства автомобилей (предоставлено ф. Rolan
Robotics)
38
1.4.2. Интеллектуальные дома
В «доме будущего», построенного в Росмалене ( Нидерланды, 1988 г.), использу
ется множество сенсоров (рис. 1.23).
Подобно автомобилям в домах можно установить большое количество сенсоров, если вместо точечной сети использовать распространенную шинную систему (рис. 1.24).
Датчик регулирования всасывания
Датчик абсолютного давления в коллекторе
Датчик оценки рециркуляции
выхлопных газов
Датчик пропусков
зажигания в цилиндрах
Датчик положения
дросселя
Датчик наличия пассажира
Датчик кислорода
Датчик веса
Датчик синхронизации
тахометра
Датчик синхронизации
коленчатого вала
Датчик нагрузки
Датчик момента
Датчик качества
масла
Датчик температуры
охладителя
Датчик скорости
автомобиля
Датчик давления
масла
Датчик уровня охладителя
Датчик радиолокационной
системы торможения
Датчик давления воздуха
Датчик предотвращения
столкновения
Датчик скорости трансмиссии
Датчик давления в системе
кондиционирования воздуха
Датчик положения смещения
трансмиссии Датчик инжекции топлива
под высоким давлением
Датчик скорости
управления
Датчик положения педали
Датчик давления в шинах
Датчик угловой скорости рыскания
Противоугонный датчик
Датчик положения сиденья
Датчик ускорения подушки безопасности
Датчик ускорения
Датчик бокового удара
Датчик регулирования
плавности хода
Датчик давления
в топливном баке
Датчик уровня
топлива
Датчик высоты
автомобиля
Датчик угла поворота
Датчик скорости
колеса
Датчик давления в шинах
Датчик дождя/влаги
Датчик температуры воздуха
Датчик синхронизации
распределительного вала
Рис. 1.22. Сенсорные системы, соединенные звездой и с распределительной шиной
Рис. 1.21. Сенсоры в автомобиле
1.4. Автоматизированные потребительские продукты 39
Рис. 1.24. Интеллектуальный дом с сенсорной шинной системой вместо точечной [4]
Рис. 1.23. Дом будущего [4]
40
1.4.3. Интеллектуальные бытовые приборы
Бытовые приборы все еще не в состоянии выполнять весь комплекс работ по домашнему хозяйству. Но придет такое время, когда один раз в неделю пылесос будет автоматически покидать свою базу и перемещаться по комнатам, производя
очистку, не натыкаясь при этом на кота или вазу. Чистить ковер он будет до техпор, пока тот не станет чистым, и не дольше. После этого пылесос автоматически
возвращается на свою базу для зарядки (рис. 1.25).
Холодильник обнаружит снижение запасов определенных продуктов и сообщит об этом, что послужит сигналом для их пополнения.
Рис. 1.25. Очистка дома с помощью автоматического пылесоса iRobot® Roomba®
Рис. 1.26. Домашний робот
1.4. Автоматизированные потребительские продукты 41
Стиральная машина определит, сколько необходимо моющих средств для стир
ки белья и израсходует точно необходимое количество. Она будет осуществлять
промывку до тех пор, пока в белье не останется ни малейшего количества мыла, и
ни секундой дольше. Стиральная машина незамедлительно остановит полоска
ние, если красный свитер угрожает окрасить белье в розовый цвет.
Возможно, наступит время, когда в каждом доме будет роботизированный
дворецкий, который сможет удовлетворять требования членов семьи (рис. 1.26).
Только интегрированные интеллектуальные сенсоры могут обеспечить это.
1.4.4. Интеллектуальные игрушки
Игрушки могут выглядеть как живые существа, если будут снабжены сенсорами.
Пример – AIBO компании Sony (рис. 1.27).
Используемые в виртуально реальных перчатках сенсоры позволяют производить мониторинг движений, что дает возможность адаптироваться к наблюдаемой виртуальной реальности (рис. 1.28).
Рис. 1.27. AIBO (компания Sony Benelux B.V.)
Рис. 1.28. Ощущение и видение виртуальной реальности (Sunrise Virtual Reality Inc.)
42 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Симулятор гонок можно использовать для инструктажа по играм или вожде
нию. В настоящее время симулятор позволяет даже играть (в теннис) с кем нибудь на другом конце света (рис. 1.29).
1.5. Заключение
Показано, как третья промышленная революция может стать реальностью за счет
использования интеллектуальных сенсорных систем. Рассмотрено их применение в таких областях, как автоматизированные производственные машины и автоматические потребительские продукты.
Литература
1. Middelhoek, S. and Audet, S.A. (1989). Silicon Sensors, Academic Press. Reproduced by
permission of S.Middelhoek.
2. Ohba, R. (1992). Intelligent Sensor Technology, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester.
3. Centrum voor Micro Elektronica (1993). Use of Sensors and Actuators in the German and
Dutch Machine Building Industries. Reproduced by permission of Ton van Schadewijk.
4. Titulaer, C. and de Kort, N. (1991). Kantoor van de Toekomst, Chriet Titulaer Produkties,
Houten. Reproduced by permission of Chriet Titulaer.
Рис. 1.29. Игра в теннис по всему миру
Джерард К. М. Мейджер
2.1. Введение
В интеллектуальных сенсорных системах функции сенсоров и их интерфейсов объединены в общей системе, включающей первичное преобразование параметра среды,
формирование электронного сигнала, аналогово цифровое преобразование, сопряжение с шиной и обработку данных. В эту совокупность могут включаться также
функции более высокого иерархического уровня, например, самотестирование,
автокалибровка, оценка и идентификация данных. Во многих физических и химических сенсорах ширина полосы пропускания информации достаточно узкая, намного уже, чем полоса пропускания электронного узла системы. Это дает возможность
проектировщику при реализации сложных измерений применить одну электронную
систему поддержки нескольких чувствительных элементов. Кроме того, можно использовать избыточность соотношения время/полоса пропускания электронного узла
с целью повышения точности, надежности, длительной стабильности системы или
уменьшения потребляемой мощности. В этой главе обсуждаются вопросы возмож
ных технологий измерения, предназначенных для улучшения системы, а также пути их реализации в схемах на основе интеллектуальных сенсоров и интерфейсов. Кроме
того, будет показано, как применение передовых технологий измерения, например,
вложенного прерывания, динамического согласования элементов и автокалибров
ки, позволяет решить традиционные проблемы электронных схем, в частности, смещение, шум 1/f, интерференционные наводки и длительный дрейф.
Рассматриваемая система состоит из ряда мультиплексированных чувствитель
ных элементов, специфических для сенсора внешних интерфейсов, модуляторов
или преобразователей, а также микроконтроллера или цифрового сигнального
процессора (ЦСП). Подобные системы хорошо укладываются в стандартные сборки в соответствии с нормами IEEE 1451 [1].
В главе представлен объектно ориентированный подход проектирования, как
наиболее приемлемый метод быстрого конструирования недорогих и высокоэффективных систем.
Многие чувствительные элементы имеют характерную проблему – перекрест
ную чувствительность: кроме чувствительности к измеряемому параметру они об
Глава 2. Интерфейсная электроника и техника измерений
для интеллектуальных сенсорных систем нежелательной чувствительностью к другим физическим величинам. Более того, помимо требуемого электрического выходного сигнала они проявляют паразитные электрические эффекты. В этой главе рассматривается вопрос, каким образом можно обеспечить селективное обнаружение измеряемой величины с высокой невосприимчивостью в отношении паразитных эффектов, мешающих сигналов и дрейфа параметров. Представлена сборка, в которой аналоговые сенсорные сигналы преобразуются в аналоговые сигналы временной области с использованием модулированных по времени генераторов. Аналогово цифровое преобразование сигнала временной области можно реализовать в микроконтроллере или ЦСП. Для демонстрации возможных решений по разработке электронного узла системы рассматриваются два случая: универсальный сенсорный интерфейс и динамический процессор напряжения.
2.2. Объектно$ориентированное проектирование сенсорных систем
Характеристики системы в значительной степени можно улучшить, а затраты сократить за счет объединения и переоценки функций сенсоров, исполнительных
механизмов, аналоговых интерфейсных схем и цифровых процессоров в рамках
одной конструкции. Там, где это позволяет технология, систему можно реализовать на общей подложке или однокристальной ИС.
В этой главе рассматриваются сенсорные системы, ориентированные на не
дорогой средний по размерам рынок промышленных сенсоров. Согласно [2], при
проектировании сенсорной системы традиционные подходы сверху – вниз (декомпозиция) и снизу – вверх (композиция) имеют серьезные ограничения, которые обусловлены междисциплинарным и относительно открытым характером
сенсорных подсистем. Как следствие, традиционные методы проектирования часто требуют слишком много итерационных шагов, увеличивается продолжитель
ность конструирования, да и сама конструкция не получается достаточно гибкой.
Для преодоления этих ограничений следует использовать максимальную унификацию конструкций и характеристик применяемых элементов. По аналогии с
подходом проектирования при разработке программного обеспечения Toth назы
вает его объектно ориентированным. На рис. 2.1 приведена возможная конфигу
рация аппаратного обеспечения, составленная на основе такого подхода для сенсорной системы, в которой применяются функционально сложные компоненты, например, микроконтроллеры, персональные компьютеры, а также сенсорные интерфейсы (разд. 2.6 и гл. 10). Наличие памяти в микроконтроллере дает возможность аккумулировать данные, полученные от нескольких сенсоров, в течение длительного периода времени. Это обеспечивает реализацию нескольких важных функций системы, например, автокалибровку, самотестирование, компенсацию и фильтрацию нежелательных сигналов и эффектов. Как будет показа но в разд. 2.4, аналогово цифровое преобразование можно осуществить в микроконтроллере, который в состоянии выполнить эту задачу даже без применения встроенного АЦП при преобразовании сенсорного сигнала во временную область с использованием периодического модулятора в интерфейсе преобразователя.
2.3. Чувствительные элементы и сопровождающие паразитные эффекты 45
Интерфейс датчика оснащен электронными средствами внешней связи для
сенсоров разных типов. Иногда, но не всегда, можно объединить функции чувствительных элементов и их интерфейсов и реализовать их на одном кристалле
ИС, создав, тем самым, «интеллектуальный сенсор» (см. рис. 2.1). В любом случае электрические параметры электронных средств внешней связи должны точно
соответствовать характеристикам чувствительных элементов, принимая во внимание специфические свойства и различные реальные условия. При разработке
объектно ориентированное проектирование будет способствовать ускорению
процесса конструирования и позволит сэкономить средства. Для достижения этой
цели важно понять основные свойства и проблемы наиболее распространенных
типов чувствительных элементов и сенсорных систем. В следующем разделе будет приведено описание подхода для проектирования сенсорных систем высокой
точности в широком динамическом диапазоне, когда необходимо уменьшить влияние паразитных элементов. С описанием других аспектов проектирования, на
пример, простоты и легкости создания прототипа, читатель ознакомится в гл. 10.
Коллектив авторов книги, посвященной интеллектуальным сенсорным системам,
в первых же строках текста утверждает, что направление технического развития
человеческого социума, которое называется «сенсоризация» составляет содержание третьей промышленной революции, и на основе результатов двух первых механизации и информатизации, как полагают авторы, – по их прогнозам должна завершиться полной автоматизацией и роботизацией. Диалектический подход авторов к обсуждаемой проблеме «сенсоризация» следует признать естественным
в силу ее новизны и поэтому можно понять их стремление определить место нового направления в цивилизационных путях развития человечества.
Историческое место такого нового направления развития техники, как «сенсоризация», вероятно, надо искать не на уровне промышленных революций, а в пределах диалектического развития электроники. И это подтверждается всем дальней
шим содержанием книги, ибо обсуждаются, практически, только электронные
структуры. Различные физические эффекты, тем или иным образом, сводятся к
электронным сигналам. Таким образом, справедливо будет полагать, что «сенсоризация» или «сенсорика» являются новым направлением развития электроники. Разумеется, электроника занимает достойное место в определенной части второй и третьей промышленных революций.
Вместе с перспективой развития электроники в границах перманентного эволюционного процесса появилась новая ветвь электроники, связанная с пограничными физическими, химическими и биологическими явлениями относительно электронных процессов. Возникшие в качестве самостоятельных отдельных направлений, такие, как оптоэлектроника, магнитоэлектроника, акустоэлектроника, криоэлектроника, хемотроника, биоэлектроника вскоре обнаружили некоторую общность, которая состояла в том, что для любого направления существенно необходим пограничный элемент, преобразующий сигналы одной из физических,
химической или биологической областей в электронную. Такой элемент стали называть сенсором или первичным чувствительным элементом (ПЧЭ), новое направление развития электроники получило название «сенсорика».
Интенсивный прогресс этого направления и значительные накопления научных и практических результатов в области сенсорики привели, в частности, к факту
появления представляемой технической общественности русского перевода книги «Интеллектуальные сенсорные системы» (Smart Sensor Systems). Авторами обобщен большой опыт научной и практической деятельности по проектированию
и производству различных видов сенсоров и сенсорных систем.
Рассмотрено многообразие сенсоров, ориентированных на восприятие различных свойств окружающей среды, а также свойств материалов и состояний машин и
механизмов. Показаны возможные промышленные технологии изготовления сенсоров. С точки зрения конструктивной реализации предлагаются прогрессивные методы проектирования, получившие названия «система на кристалле» и «система в корпусе», которые позволяют использовать для целей оптимального интегрирования необходимых функций как монотехнологии, так и композиции разнородных технологий. На основании значительного опыта и, учитывая междисциплинарность и относительную открытость сенсорных подсистем, в противовес декомпозиционнокомпозиционным методам проектирования авторы рекомендуют объектно ориентированное проектирование, которое позволяет избежать избыточного числа итераций и, тем самым, сократить продолжительность создания системы.
Большое внимание уделяется таким параметрам сенсоров, как точность, скорость измерений, устойчивость к различным паразитным и перекрестным влияниям сигналов, в том числе фликкерного шума (1/f) и шума квантования, а также совместимости компоновки сенсоров и их интерфейсов. Рассматривая различные структуры чувствительных элементов, авторы приводят примеры разработки таких
МЭМС структур, как кантилеверы, плавающие и закрытые мембраны, МЭМС акселерометр с газовой сейсмической массой. В качестве интеллектуальных функций
сенсоров авторы предлагают автокалибровку, стабилизацию температуры подложки
сенсора, управление кратковремнной и длительной стабильностью сенсора, динамическое усиление, динамическое деление и другие динамические технологии обработки сигнала.
На основе достаточно большого разнообразия рассмотренных сенсоров показывается инвариантность решения одной и той же задачи, так измерение температуры возможно производить резистивным сенсором, термопарой, полупроводниковым сенсором, МЭМС структурами и др. Описанные преимущества и ограничения каждого вида сенсора позволяют при проектировании систем принимать решения близкие к оптимальным.
Следует отметить, что после каждого тематического раздела книги авторы
производят обобщения, которые позволяют читателю получить концентрирован
ное представление о рассмотренном материале, а после этого формулируются
перспективные тенденции развития обсуждаемого направления. Именно такая
последовательность создает логическую доказательную базу, убеждающую в правомерной научно технической позиции авторов.
Практическая направленность книги, в чем следует усматривать ее особую
ценность, состоит в том, что в конце каждой главы, посвященной либо одному из
видов сенсоров, либо сенсорных интерфейсов, либо сенсорной измерительной
технике авторы предлагают практические задачи, содержание которых позволяет
закрепить изложенный теоретический материал. И далее, в завершающем разделе книги приводится решение этих задач, так что имеется реальная возможность
проверки уровня освоения предлагаемых методов и технологий проектирования
интеллектуальных сенсоров и сенсорных систем на их основе.
Вместе с тем, может быть именно в силу новизны сенсорного направления и не
устоявшейся терминологии, в настоящей книге авторы определяют сенсоры, как преобразователи сигналов различной энергетической природы в электрические. Конечно,энергетическая характеристика первичного сигнала может достаточно универсально описать свойства среды, но иногда эту энергетику будет весьма сложно проявить в практической реализации сенсорного устройства. Например, как определить энергетику такой характеристики среды, как влажность? Далее, интеллектуальность сенсора определяется тем, что к собственно сенсору добавляется аналоговая интерфейсная схема, аналого цифровой преобразователь и интерфейс шины, т.е. содержательно весь интеллект сенсора заключается в том, что свойства среды представляются в цифровом виде. И, наконец, в книге имеется разд. 1.2.4 «Определение интегральных интеллектуальных сенсорных систем», но в двух абзацах этого раздела декларированного определения не приводится. При такой неопределенности исходных положений читателю будет достаточно сложно воспринимать последующий текст.В отечественной научно технической литературе направлению электроники,которое обозначено термином «сенсоризация», соответствует с некоторыми допущениями, понятие «микросистемотехника» (МСТ). С целью максимальной детерминированности места этого направления в диалектической спирали развития электроники приведем его возможно строгое определение, поскольку термин «микросистемотехника» и определяемое им понятие сегодня нельзя считать
окончательно установившимися,Итак, микросистемотехника – это комплексное технологическое направление электроники, использующее первичные чувствительные элементы (ПЧЭ) в микроэлектронном исполнении, позволяющие получить информацию о физических, химических, биологических свойствах среды в электронном виде для последующего направленного управления средой или исполнительными приборами и механизмами.МСТ, безусловно, можно считать новой ветвью развития электроники, которая, с одной стороны, опирается на технологические результаты предыдущих эта
пов (микроэлектроника, физика пограничных эффектов), а, с другой стороны,
использует инновационные возможности нанотехнологий. Последнее обстоятельство позволяет рассчитывать на определенный оптимизм в отношении перспектив развития электроники в пределах современного диалектического витка, основанного на эффекте переноса носителей заряда в твердом теле.
Технологическое направление микросистемотехники предполагает создание
и производство изделий микросистемотехники. Под такими изделиями мы понимаем устройства, получаемые совокупностью научно технических и технологи
ческих способов формирования в объеме и (или) на поверхности твердого тела
упорядоченной композиции микронных и субмикронных областей с заданными
составом, структурой и геометрией. Эти изделия должны реализовывать функции восприятия, преобразования информации из обобщенной физической (либо
химической, биологической) формы в электрическую, а также функций хранения, обработки (используя эффекты, отличные от традиционной транзисторной
электроники), трансляции информации, энергии и движения, а затем выработки
управляющих воздействий в требуемых режимах и условиях эксплуатации.
В такой постановке целевой функции изделия микросистемотехники становится
очевидным его интеллектуальность в силу направленного заранее запрограммиро
ванного инвариантного управления свойствами среды или контролируемого объекта.
Развитие инновационного направления микросистемотехники неизбежно
приводит к очередной технологической модернизации электронной отрасли, которая потребует значительных ресурсов для решения следующих задач:
– проектирования изделий МСТ на основе программных и аппаратных
средств нового поколения;
– создания наноструктурированных материалов;
– производства изделий МСТ на основе технологического и метрологичес
кого оборудования нового поколения;
– формирования и завоевания рынков сбыта систем на основе изделий МСТ.
В порядке реализации задачи ускоренного развития отечественной электроники предприятиями радиоэлектронной отрасли страны достигнуты значитель
16 Введение научного редактора перевода
ные успехи в создании следующих базовых технологий (БТ) и конструкций изделий МСТ и приборов на их основе:
– микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков ускорения и давления, позволяющих реализовать широкий спектр приборов, в том числе для блоков
ориентации малых космических аппаратов, ультразвуковых счетчиков газа;
– микросистем анализа магнитных полей, позволяющих создавать приборы
для научных исследований, машиностроения и медицины;
– формирования сверхпроводниковых структур туннельного типа для построения современных квантовых эталонов напряжения, приемо преобразовательных систем субмиллиметрового диапазона длин волн и элементной
базы квантовых компьютеров на основе Q битовой логики;
– матриц микрозеркал для модуляции оптического излучения;
– микроэлектромеханических переключателей и коммутаторов для комплексной миниатюризации специальной аппаратуры;
– производства полупроводниковых газовых сенсоров на основе композитных
и мембранных структур, обеспечивающих создание газовых течеискателей и
пороговых газоанализаторов, применяемых в промышленности и ЖКХ;
– производство сенсоров, использующих эффект поверхностных акустических
волн (ПАВ) и на их основе создание систем радиочастотной идентификации
(РЧИД) с уникальными ранее недостижимыми характеристиками по условиям эксплуатации, долговечности и устойчивости к информационному взлому;
– твердотельных гироскопов вибрационного типа на основе пьезоэффекта,
позволяющих реализовать устройства управления подвижными объектами
в экстремальных условиях;
– микроакустоэлектромеханических датчиков давления жидких и газообразных сред широкого спектра применений;
– параметрического ряда кантилеверов для прецизионных измерений, позволяющих создавать современные атомно силовые микроскопы.
Во всех этих работах в полном объеме используются схемотехнические, конструктивные и технологические принципы, которые в совокупности составляют
инновационное направление развития электроники – микросистемотехнику.
Издаваемая на русском языке книга, обобщающая опыт проектирования интеллектуальных сенсорных систем (в отечественной терминологии – изделий
микросистемотехники) коллектива Дельфтского технического университета (Нидерланды) и сотрудников компаний: Sentron AG, Sentronics AD, Senis GmbH,
Ametes AG, Bradford Engineering B. V., Landis & Gyr AG, Delft Instruments Company,
Nissan Motor Company, Smartec B. V., Xensor Integration B. V., безусловно, будет
весьма полезной разработчикам отечественной радиоэлектронной аппаратуры.
Научный редактор перевода выражает признательность к.т.н., доц. И.М. Лазеру за плодотворные обсуждения спорных позиций зарубежных коллег, сопоставительный ретроспективный анализ результатов развития электроники с целью
отработки научно обоснованных перспективных решений. Редактор благодарен директору книгоиздательских программ РИЦ «ТЕХНОСФЕРА» С.А. Орлову за содержательное методическое сопровождение издания книги, которое способствовало повышению качества издания.
Научный редактор перевода, д.т.н., проф. В.А. Шубарев
Предисловие
Благодаря весьма интенсивным усилиям большого числа ученых и инженеров технология сенсоров достигла стадии отрочества. Теперь можно ожидать, что начнется устойчивый период роста интеллектуального и технологического потенциала сенсорных систем, который, в конечном итоге, приведет к стадии зрелости.
Достаточно трудно прогнозировать, когда завершится этот процесс развития, и что
собой будет представлять его последняя стадия. В краткосрочной перспективе
ожидается прогресс автономных сенсоров, интегрированных в распределенные
системы с интеллектуальными сигнальными процессорами и интеллектуальным
регулированием исполнительных механизмов при минимальном потреблении
энергии. В долгосрочной перспективе сенсорные системы можно представить в
виде составляющей части роботов со свойственной животному или человеку системой архитектуры.Само собой разумеется, эти идеи не новы. Вполне уместен вопрос, почему
понадобилось так много времени, чтобы реализовать подобные разработки. Трудно
перейти на другой уровень технологического развития? Может быть, внедрение
нанотехнологий, позволяющее организовать структуру технического объекта на
атомарном уровне, откроет новые перспективы, к которым мы стремимся?
Никто этого точно не знает, но очевидно, что одна из основных причин
«вялотекущего» прогресса технологии сенсоров связана с междисциплинарным
характером данной области знаний, предполагающим необходимость тесного сотрудничества физиков, химиков, инженеров электриков и инженеров механиков,
экспертов в области информационных технологий. Кроме того, следует взаимодействовать с медицинскими работниками, агрономами, садоводами и экономистами.Эта книга представляет собой справочное пособие для проектировщиков и пользователей сенсоров и сенсорных систем. Написана на основе материала, из
ложенного в междисциплинарном курсе «Интеллектуальные сенсорные системы»,
организованном Дельфтским техническим университетом в 1995 г. Цель курса –
представление базовых принципов современных сенсорных систем для широко
го круга специалистов в различных областях знаний, разработка общего языка и
научных основ для обсуждения проблем и развития взаимного сотрудничества.
Таким образом, мы надеемся внести свой вклад в непрерывный процесс расширения во всем мире аудитории, участвующей в подобных возбуждающих живой
интерес разработках.Во время написания этой книги многие люди оказали нам помощь и внесли свой посильный вклад в ее издание. Мы высоко ценим поддержку в подготовке
данной книги со стороны руководства факультетов прикладных и академических
институтов. Большую помощь нам оказали предложения, сделанные нашими рецензентами: доктором Фэрри Н. Тот (Exalon Сorp.), доктором Михаэлем ПертиджсNational Semiconductors), исследователем Джероеном ван Меером (Xensor
Integration), профессором Альбертом Дж. П. Тьювиссеном (TUDelft), доктором
Андре Бошем (TUDelft), исследователем Ки Джиа (TUDelft) и всеми авторами,
которые также выступали в качестве рецензентов.
18 Предисловие
В отношении нашего издателя, John Wiley & Sons Ltd., мы хотели бы выразить
слова признательности менеджеру проекта Никки Скиннеру за техническую редакцию рукописи, выпускающему редактору Симоне Тейлор за поддержку и помощь в организации договоров. Также хотелось бы отметить миссис Труди Хауве
линг (TUDelft) за оказание секретарской помощи в ходе работы, а также Р. Джанс
за выполнение рисунков для издания. Мы также признательны Сарре Фон Галам
бос за ее превосходный английский язык и лингвистические исправления. Кроме
того, мы хотели бы выразить благодарность университетам, исследовательским
институтам и компаниям, которые разрешили нам написать эту книгу и помогли
с иллюстративными материалами, что позволило сделать книгу более привлека
тельной для нашего читателя.
Фирменный сайт по книге: www.wiley.com/go/meijer_smart.
Джерард К. М. Мейджер
Дельфт, Нидерланды
Глава 1
Йохан Х. Хюиджисинг
1.1. Третья промышленная революция
Автоматизация включает три стадии:
1. Механизацию.
2. Информатизацию.
3. Сенсоризацию.
Человечество всегда стремилось расширить свои возможности (рис. 1.1). Сначала это выражалось в наращивании механической мощи: изобретены паровой
двигатель и двигатель внутреннего сгорания, электрический мотор и реактивный
двигатель. Механизация полностью изменила общество. Так состоялась первая
промышленная революция.Затем человечество развило свой интеллектуальный потенциал: изобретены средства искусственной логики и коммуникации – компьютер и интернет. Стадия информатизации снова меняет общество и когда она завершится, прогнозировать достаточно сложно. Тем не менее, это далеко еще не все. Создав сенсоры, человечество учится искусственно расширять их чувствительные возможности. Сенсоризация в сочетании с механизацией и информатизацией завершит третью промышленную революцию полной автоматизацией или роботизацией.
Показательный пример – автоматизированная система контроля полета современного самолета (рис. 1.2). Она включает множество сенсоров для мониторинга процесса. Компьютеры выдают сигналы, сравнивают их с заданными значениями и передают регулирующие сигналы на двигатели, рули и заслонки, которые приводят самолет в движение. Тройственная взаимосвязь механики, компьютеров и сенсоров обеспечивает полет самолета на автопилоте.
Рис. 1.1. Сенсоризация: третья революция автоматизации
Механизация
Информатизация Сенсоризация
24 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Если самолет может лететь в автоматическом режиме, почему до сих пор мы
не можем заставить наши автомобили везти нас на работу, просто сообщив им об этом? Потому что сенсорная система для водителя автомобиля слишком тяжелая,
громоздкая и дорогая в производстве. Поэтому, прежде чем применять сенсорные
системы в умных автомобилях, умных домах и производственных машинах, необходимо уменьшить их стоимость, размеры и массу. Решение этой задачи – современная проблема разработки интегральных интеллектуальных сенсоров (табл. 1.1).
Рис. 1.2. Полностью автоматизированный самолет: тройственная связь между механизацией, информатизацией и сенсоризацией
Сенсор Компьютер Исполнительный механизм
1.2. Определения различных видов сенсоров
В данном разделе будут представлены определения различных видов сенсоров, а
именно: сенсоры (обобщенное понятие);
– интеллектуальные сенсоры;
– интегральные интеллектуальные сенсоры;
– интеллектуальные сенсорные системы.
1.2.1 Определение сенсоров относительно физических эффектов
Сенсоры преобразуют сигналы различной энергетической природы в электрические.
На рис. 1.3 приведена классификация сигналов по шести физическим явлениям.
Глава1.1. 1.2. Определения различных видов сенсоров 25
Верхняя часть на рис. 1.3 включает все сигналы излучающей или оптической
природы. Данные сенсоры способны преобразовывать оптические сигналы в электрические, которые изображены в нижней части рисунка. Пример – датчик изображения, который преобразует изображение в электрический сигнал. Следующий
элемент справа – область механических сигналов. Например, акселерометр или
датчик подушки безопасности в состоянии преобразовать механическое ускорение в электрический сигнал. Подобным образом термодатчик преобразует температуру в электрический сигнал. Существуют даже электрические сенсоры. Они преобразуют электрические сигналы одних видов в другие, например, для точного измерения разницы потенциалов между двумя кожными электродами на груди пациента. Слева расположена область магнитных сигналов. Пластина датчика Холла в состоянии преобразовать магнитный сигнал в электрический. Наконец,сенсоры химической и биохимической области позволяют трансформировать сигналы этой природы в электрические. В качестве примера можно привести сенсоры pH и ДНК.
Физические эффекты сенсоров можно описать различными уравнениями по локализации энергии или мощности [1]. Параметры кросс эффектов между раз
личными энергетическими областями описывают перекрестную чувствительность
сенсора между этими двумя сигналами. В табл. 1.2 в систематизированном виде
приведены физические эффекты, реализуемые в сенсорах. Слева расположены
области входных сигналов сенсора. Сверху – области выходных сигналов. Все
эффекты по диагонали: левый верх – правый низ, относятся к явлениям в пределах одной физической области. Пример – фотолюминесценция существует в пределах области излучающих сигналов. Все явления в колонке с электрическими
выходными сигналами описывают эффекты собственно сенсоров, например, фотопроводимость. Все явления в строке с входным электрическим сигналом описывают эффекты исполнительного механизма.Далее, сенсоры можно разделить на два типа: пассивные (самогенерирующие)и активные (модулирующие) (рис. 1.4). Пассивные сенсоры, например, электродинамический микрофон, приобретают выходную энергию от входного сигнала; активные сенсоры, например, конденсаторный микрофон, – от внутреннего источника питания. Активные сенсоры могут достигать большого усиления по мощности между входным и выходным сигналами. Сенсорный куб (рис. 1.5) представляет собой трехмерное пространство сигналов: входного, выходного и источника питания.Рис. 1.3. Классификация сенсорных сигналов по шести физическим явлениям
Излучающие Электрические Магнитные Химические Термические Механические
26 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Дополнительная классификация сенсоров приведена на рис. 1.6. Различают два
класса: открытые системы без обратной связи и замкнутые системы с обратной
связью. Пружинные весы – хороший механический пример первой системы; аналитические весы – второй.
Для измерения с помощью аналитических весов объекты необходимо поместить на чаши, чтобы установить стрелку на ноль. Преимущество подобной системы заключается в том, что фактически требуется только сенсор для точного считывания отклонения от нулевой точки. Значение сигнала обратной связи опреде
ляет величину измеряемого объекта. В открытой системе сенсор должен обеспечить линейность и точность передачи сигнала.
Глава 1.2. [1]
Рис. 1.4. Самогенерирующие и модулирующие сенсоры [2]
Объект
измерения
Объект
измерения
Входной
сигнал
Входной
сигнал
Сенсор
Сенсор
Выходная
мощность
Выходной
сигнал
Выходная
мощность
Выходной
сигнал
Потери
Потери
а) Самогенерирующий сенсор
б) Модулирующий сенсор
Мощность
эффекта
Мощность
эффекта
Мощность
входного
сигнала
Мощность
входного
сигнала
Источник
питания
1.2. Определения различных видов сенсоров 27
На рис. 1.7 и 1.8 показано множество материалов, которые можно выбирать
для создания сенсоров. Полупроводники приобретают все большую популярность
как сенсорные материалы из за их стабильной кристаллической структуры, по
стоянного улучшения стандартизации при массовом производстве и низкой цены.
Негативное влияние на экономику производства оказывает множество пара
метров сенсора, которые необходимо измерять (табл. 1.3).
Химич.
Модуляция
Выход
Вход
0
Излуч.
Излуч.
Излуч.
Механич.
Механич.
Механич.
Термич.
Термич.
Термич.
Электр.
Электр.
Электр.
Магнитн.
Магнитн.
Магнитн.
Химич.
Химич.
Рис. 1.6. Открытая и закрытая сенсорные системы относительно петли обратной
связи
Рис. 1.5. Сенсорный куб [1]
Пружинные весы
Вход
Вход
Преобразователь
(пружина)
Компаратор
а) Открытая система (без обратной связи)
б) Закрытая система (с обратной связью)
Аналитические весы
* Установка весов добавляется или уменьшается для того,
чтобы сделать разбалансировку нулевой
Смещение
(напряжение
пружины)
Выход
Выход
Объект
Установка
весов*
Объект
Объект
Сигнал
разбаланси8
ровки
(отклонение
указателя
от нуля)
28 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Аналоговый Частотно8
аналоговый Цифровой
Фольга
Давление,
влажность,
уровень
СВЧ
Движение,
уровень,
скорость
Керамика
Температура,
газы
Опто8
электроника
Излучение,
положение
Трафаретная
печать
(толстая
пленка)
Температура
Движение
Объем
Расход
Уровень
Давление
Звук
Кислотность
Газ
Влажность
Температура
Излучение
Яркость
Цвет
Плотность
Масса
Время
Момент
Усилие
Скорость вращения
Ускорение
Скорость
Вибрация
Положение
Угол
Длина
Тонкая
пленка
Температура,
давление
Полу8
проводник
(первичный
кремний)
Давление,
температура,
расход,
положение
Частотно8
импульсный
Рис. 1.7. Материалы сенсоров [3]
Рис. 1.8. Какой из них? [2]
Который же мне выбрать?
1.2. Определения различных видов сенсоров 29
Даже для одного параметра, например, давления, существует множество тех
нических условий: точность, чувствительность, шум, разрешение, динамический
диапазон, требования к окружающей среде. Как следствие, на рынке имеются
тысячи разнообразных датчиков давления (рис. 1.9).
Другой усложняющий фактор – множество типов выходных сигналов сенсо
ров. Некоторые из них приведены в табл.1.4.
И далее требуется стандартизация и миниатюризация. Выходом из сложив
шейся ситуации является интеллектуальный сенсор (рис. 1.10).
1.4. 30 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
1.2.2. Определение интеллектуальных сенсоров
Интеллектуальный сенсор представляет собой комбинацию из сенсора, аналого
вой интерфейсной схемы, аналогово цифрового преобразователя (АЦП) и интер
фейса шины в одном корпусе. Три гибридных интеллектуальных сенсора (рис. 1.11),
отличаются по степени интеграции в сенсорной ИС. В этом вопросе требуется
стандартизация и, как следствие, повышение интеллектуального потенциала
сенсора.
Рис. 1.9. Чувствительность? Точность? [2]
Точность, минимально
обнаруживаемое количество,
чувствительность, внутренний шум,
разрешение, динамический диапазон,
отношение сигнал/шум…
Интеллектуальный
сенсор?
Рис. 1.10. Интеллектуальный сенсор? [2]
1.2. Определения различных видов сенсоров 31
В первом гибридном интеллектуальном сенсоре можно использовать универ
сальный сенсорный интерфейс (УСИ) для соединения его с цифровой шиной. Во
втором – осуществлена интеграция сенсора и блока формирования сигнала. При
этом АЦП и интерфейс шины располагаются отдельно. В третьем случае сенсор
уже соединен с интерфейсной схемой в одной ИС, что обеспечивает стандартный
рабочий цикл или цифровой поток. Шинный интерфейс все еще располагается
отдельно.
В этом случае возможно множество форматов выходных сигналов (табл. 1.5).
Рис. 1.11. Гибридные интеллектуальные сенсоры
Шина
Цифровой
I Аналоговый II III
Сенсор
Корпус
Шина
Цифровой
Аналоговый
Сенсор
Шина
Цифровой
Аналоговый
Сенсор
1.2.3. Определение интегральных интеллектуальных сенсоров
Если интегрировать все функции от сенсора до шинного интерфейса в одной ИС,
получаем интегральный интеллектуальный сенсор (рис. 1.12).
Интегральный интеллектуальный сенсор должен включать все необходимые
элементы в одном конструктиве: один или несколько собственно первичных
сенсоров, усилители, модулятор и мультиплексоры, АЦП, буферные устрой
ства, шинный интерфейс, адреса, регулирующие и энергетические устройства
(рис. 1.13).
Хотя полная интеграция всех функций является достаточно дорогой операцией, тем не менее, при массовом производстве готовых изделий стоимость интегрального сенсора может оставаться на приемлемом уровне.
1.5.
Рис. 1.12. Интегральный интеллектуальный сенсор
Опти8
ческий
Механи8
ческий
Хими8
ческий
Терми8
ческий
Магнит8
ный
Адреса Интерфейс Контроллер
Цифровой
Аналоговый
Сенсор 1 Сенсор 2 Одна ИС
Усилитель
Модулятор/мультиплексор
АЦП
Счетчик
Питание
Земля
Тактовые импульсы
Данные
Рис. 1.13. Функции интегрального интеллектуального сенсора
Излучающие
Электрические
Магнитные
Химические
Термические
Механические
1.2. Определения различных видов сенсоров 33
Другая положительная сторона заключается в том, что благодаря простой мо
дульной архитектуре можно существенно сократить стоимость всей сенсорной
системы.
Тем не менее, для реализации всех функций на одной ИС необходима ин
теграция разнообразных сенсоров. С этой целью была разработана технология
производства совмещенной ИС на основе трехмерного микроструктурирования.
В табл. 1.6 приведен ряд разрабатываемых в настоящее время сенсоров, технологически совместимых с промышленными ИС.
Тем не менее, дополнительно необходимо разработать интерфейсные ИС, при
годные для интеграции в сенсорную ИС. Табл. 1.7 содержит ряд примеров интег
ральных интеллектуальных сенсоров с интерфейсными ИС на одном кристалле.
Рис. 1.14. Развитие интеллектуальной сенсорной системы
Внешняя шина
Универ8
сальный
сенсорный
интерфейс
Сенсор Сенсор
Аналогово8
цифровой
модулятор
Интерфейс
локальной
шины
Интерфейс
внешней
шины
Калибровка
Самотести8
рование
Аналогово8
цифровой
модулятор
Сенсор Сенсор
Будущее
Решение
на основе
одной ИС
Большой
объем
Локальная шина
Решение
на основе
одной ИС
Большой
объем
Улучшенное
гибридное
решение
Средний
объем
Общее
гибридное
решение
Малый
объем
Микро8
процессор
Микро8
процессор Локальная шина
ISS, I2C
Домашняя, полевая, CAN
Аналогово8
цифровой
модулятор
1.2.4. Определение интегральных интеллектуальных сенсорных систем
На рис. 1.14 показано развитие интегральных интеллектуальных сенсорных систем с многочисленными промежуточными стадиями. Чем больше рынок интеллектуальных сенсоров определенного типа, тем большая интеграция для них экоомически оправдана.
Наша заветная мечта показана на рис. 1.15. Если удастся интегрировать беспроводный источник питания и беспроводную связь, будет создана новая комплексная концепция амбициозных сенсоров, многие из которых можно будет применять в автомобилях, домах, одежде, во время спортивных состязаний для получения ценной информации.
1.3. Автоматизированные производственные машины
Интегральные интеллектуальные сенсоры будут применяться во всех областях
повседневной жизни: в интеллектуальных домах и бытовых приборах, автомобилях и производственных машинах. В табл. 1.8 приведены области, где уже используются интегральные интеллектуальные сенсоры в производственных машинах и
при профессиональном мониторинге процессов.
В химической и биохимической промышленности применяется большое количество типов сенсоров для анализа химических и биохимических веществ. В каче
стве примера можно привести быстродействующую скрининговую ИС (рис. 1.16),
которая содержит множество наноразмерных отверстий.
Функции:
сенсоры
и исполнительные механизмы,
интерфейсная схемотехника,
процессор
и программный продукт,
самотестирование,
автоконфигурирование,
беспроводная связь,
беспроводный источник питания
Применения:
уличное
движение,
биомедицинская
промышленность,
строительство,
безопасность,
сейсмика
СЕТЬ
Рис. 1.15. Автономные микросенсоры
1.3. Автоматизированные производственные машины 35
Каждое отверстие содержит различный химический реагент, а также нагреватель, источник света и фотоприемник. Для анализа требуется всего лишь одна
капля образца, поскольку он может заполнить множество наноразмерных отверстий.
Изучение сенсоров в машиностроении с 1995 г. выявило области применения, в которых необходимо применение сенсоров (рис. 1.17).
Области применения:
медицина,
процессы ферментации,
анализ биологических жидкостей
(Суб)наноразмерное отверстие
Источник света
Детектор
объема
жидкости
Фотодиод
Нагреватель
Рис. 1.16. Быстродействующий скрининг (Vellekoop)
Рис. 1.17. Сенсоры в машиностроении [3]
Магнитные
Оптические
Химические
Ускорения
Наклона
Длины/расстояния
Усилия
Расхода
Уровня
Температуры
Вращения/скорости
Массы
Давления
Положения
0 20 40 60 80 В % относительно
всех машин
36 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Кроме того, на рис. 1.18 показаны преимущества использования сенсоров в
машиностроении. Очевидно, что тогда обеспечивается повышение уровня автоматизации, например, для своевременной диагностики повреждений оборудования. Как следствие, доля электроники в стоимости машин постоянно увеличивается примерно до 10–20% (рис. 1.19).
Рис. 1.18. Преимущества использования сенсоров [3]
Упако8
вочные
машины
Лифтовое
и погрузочно8
разгрузочное
оборудование
Текстиль8
ные
машины
Дерево8
обрабаты8
вающие
машины
Лифтовое и погрузочно8разгрузочное
оборудование 15,0 млрд евро
Сельскохозяйственные машины 11,0 млрд евро
Текстильные машины 7,0 млрд евро
Упаковочные машины 5,0 млрд евро
Деревообрабатывающие машины 4,5 млрд евро
Пищевое оборудование
и машины для производства напитков 4,5 млрд евро
Пищевое
оборудо8
вание
Сельско8
хозяйственные
машины
20
15
10
5
0
0 2 4 6
Автоматика – доля в общей стоимости, %
Электроника – доля в общей стоимости, %
Рис. 1.19. Доля сенсорной электроники в общей стоимости машиностроительной
продукции
Своевременная диагностика
Автоматический контроль качества
Оптимизация процессов
Гибкость
Комфорт
Повышение качества
Сокращение затрат
Снижение загрязнения
Расширение областей применения
Сокращение отходов
Увеличение экономии
Повышение производительности
Экономия материалов
Экономия энергии
0 20 40 60 80 В %
1.4. Автоматизированные потребительские продукты 37
Все больше сенсоров используется в сельском хозяйстве. Например, в парни
ках применяются автоматические устройства, системы регулирования климата и
борьбы с вредителями, подачи воды и питательных веществ, роботы для уборки
урожая и т.п.
В автомобилестроении современные роботы используются для осуществле
ния сложных сборочных операций (рис. 1.20).
1.4. Автоматизированные потребительские продукты
Автоматизированные потребительские продукты стремительно проникают в нашу
жизнь в форме интеллектуальных автомобилей, домов, бытовой техники, игру
шек и других изделий.
1.4.1. Интеллектуальные автомобили
В 2005 г. автомобили включали около 40 сенсоров (рис. 1.21). Разместить их станет возможным, если вместо сенсорной системы, соединенной звездой, будет
применяться распределенная сенсорная шина. Эту задачу можно решить экономически эффективным способом только в случае использования интеллектуальных сенсоров.
В противном случае автомобиль разрушится под весом проводов
(рис. 1.22).
Рис. 1.20. Сварочный робот для производства автомобилей (предоставлено ф. Rolan
Robotics)
38
1.4.2. Интеллектуальные дома
В «доме будущего», построенного в Росмалене ( Нидерланды, 1988 г.), использу
ется множество сенсоров (рис. 1.23).
Подобно автомобилям в домах можно установить большое количество сенсоров, если вместо точечной сети использовать распространенную шинную систему (рис. 1.24).
Датчик регулирования всасывания
Датчик абсолютного давления в коллекторе
Датчик оценки рециркуляции
выхлопных газов
Датчик пропусков
зажигания в цилиндрах
Датчик положения
дросселя
Датчик наличия пассажира
Датчик кислорода
Датчик веса
Датчик синхронизации
тахометра
Датчик синхронизации
коленчатого вала
Датчик нагрузки
Датчик момента
Датчик качества
масла
Датчик температуры
охладителя
Датчик скорости
автомобиля
Датчик давления
масла
Датчик уровня охладителя
Датчик радиолокационной
системы торможения
Датчик давления воздуха
Датчик предотвращения
столкновения
Датчик скорости трансмиссии
Датчик давления в системе
кондиционирования воздуха
Датчик положения смещения
трансмиссии Датчик инжекции топлива
под высоким давлением
Датчик скорости
управления
Датчик положения педали
Датчик давления в шинах
Датчик угловой скорости рыскания
Противоугонный датчик
Датчик положения сиденья
Датчик ускорения подушки безопасности
Датчик ускорения
Датчик бокового удара
Датчик регулирования
плавности хода
Датчик давления
в топливном баке
Датчик уровня
топлива
Датчик высоты
автомобиля
Датчик угла поворота
Датчик скорости
колеса
Датчик давления в шинах
Датчик дождя/влаги
Датчик температуры воздуха
Датчик синхронизации
распределительного вала
Рис. 1.22. Сенсорные системы, соединенные звездой и с распределительной шиной
Рис. 1.21. Сенсоры в автомобиле
1.4. Автоматизированные потребительские продукты 39
Рис. 1.24. Интеллектуальный дом с сенсорной шинной системой вместо точечной [4]
Рис. 1.23. Дом будущего [4]
40
1.4.3. Интеллектуальные бытовые приборы
Бытовые приборы все еще не в состоянии выполнять весь комплекс работ по домашнему хозяйству. Но придет такое время, когда один раз в неделю пылесос будет автоматически покидать свою базу и перемещаться по комнатам, производя
очистку, не натыкаясь при этом на кота или вазу. Чистить ковер он будет до техпор, пока тот не станет чистым, и не дольше. После этого пылесос автоматически
возвращается на свою базу для зарядки (рис. 1.25).
Холодильник обнаружит снижение запасов определенных продуктов и сообщит об этом, что послужит сигналом для их пополнения.
Рис. 1.25. Очистка дома с помощью автоматического пылесоса iRobot® Roomba®
Рис. 1.26. Домашний робот
1.4. Автоматизированные потребительские продукты 41
Стиральная машина определит, сколько необходимо моющих средств для стир
ки белья и израсходует точно необходимое количество. Она будет осуществлять
промывку до тех пор, пока в белье не останется ни малейшего количества мыла, и
ни секундой дольше. Стиральная машина незамедлительно остановит полоска
ние, если красный свитер угрожает окрасить белье в розовый цвет.
Возможно, наступит время, когда в каждом доме будет роботизированный
дворецкий, который сможет удовлетворять требования членов семьи (рис. 1.26).
Только интегрированные интеллектуальные сенсоры могут обеспечить это.
1.4.4. Интеллектуальные игрушки
Игрушки могут выглядеть как живые существа, если будут снабжены сенсорами.
Пример – AIBO компании Sony (рис. 1.27).
Используемые в виртуально реальных перчатках сенсоры позволяют производить мониторинг движений, что дает возможность адаптироваться к наблюдаемой виртуальной реальности (рис. 1.28).
Рис. 1.27. AIBO (компания Sony Benelux B.V.)
Рис. 1.28. Ощущение и видение виртуальной реальности (Sunrise Virtual Reality Inc.)
42 Глава 1. Интеллектуальные сенсорные системы: Почему? Где? Как?
Симулятор гонок можно использовать для инструктажа по играм или вожде
нию. В настоящее время симулятор позволяет даже играть (в теннис) с кем нибудь на другом конце света (рис. 1.29).
1.5. Заключение
Показано, как третья промышленная революция может стать реальностью за счет
использования интеллектуальных сенсорных систем. Рассмотрено их применение в таких областях, как автоматизированные производственные машины и автоматические потребительские продукты.
Литература
1. Middelhoek, S. and Audet, S.A. (1989). Silicon Sensors, Academic Press. Reproduced by
permission of S.Middelhoek.
2. Ohba, R. (1992). Intelligent Sensor Technology, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester.
3. Centrum voor Micro Elektronica (1993). Use of Sensors and Actuators in the German and
Dutch Machine Building Industries. Reproduced by permission of Ton van Schadewijk.
4. Titulaer, C. and de Kort, N. (1991). Kantoor van de Toekomst, Chriet Titulaer Produkties,
Houten. Reproduced by permission of Chriet Titulaer.
Рис. 1.29. Игра в теннис по всему миру
Джерард К. М. Мейджер
2.1. Введение
В интеллектуальных сенсорных системах функции сенсоров и их интерфейсов объединены в общей системе, включающей первичное преобразование параметра среды,
формирование электронного сигнала, аналогово цифровое преобразование, сопряжение с шиной и обработку данных. В эту совокупность могут включаться также
функции более высокого иерархического уровня, например, самотестирование,
автокалибровка, оценка и идентификация данных. Во многих физических и химических сенсорах ширина полосы пропускания информации достаточно узкая, намного уже, чем полоса пропускания электронного узла системы. Это дает возможность
проектировщику при реализации сложных измерений применить одну электронную
систему поддержки нескольких чувствительных элементов. Кроме того, можно использовать избыточность соотношения время/полоса пропускания электронного узла
с целью повышения точности, надежности, длительной стабильности системы или
уменьшения потребляемой мощности. В этой главе обсуждаются вопросы возмож
ных технологий измерения, предназначенных для улучшения системы, а также пути их реализации в схемах на основе интеллектуальных сенсоров и интерфейсов. Кроме
того, будет показано, как применение передовых технологий измерения, например,
вложенного прерывания, динамического согласования элементов и автокалибров
ки, позволяет решить традиционные проблемы электронных схем, в частности, смещение, шум 1/f, интерференционные наводки и длительный дрейф.
Рассматриваемая система состоит из ряда мультиплексированных чувствитель
ных элементов, специфических для сенсора внешних интерфейсов, модуляторов
или преобразователей, а также микроконтроллера или цифрового сигнального
процессора (ЦСП). Подобные системы хорошо укладываются в стандартные сборки в соответствии с нормами IEEE 1451 [1].
В главе представлен объектно ориентированный подход проектирования, как
наиболее приемлемый метод быстрого конструирования недорогих и высокоэффективных систем.
Многие чувствительные элементы имеют характерную проблему – перекрест
ную чувствительность: кроме чувствительности к измеряемому параметру они об
Глава 2. Интерфейсная электроника и техника измерений
для интеллектуальных сенсорных систем нежелательной чувствительностью к другим физическим величинам. Более того, помимо требуемого электрического выходного сигнала они проявляют паразитные электрические эффекты. В этой главе рассматривается вопрос, каким образом можно обеспечить селективное обнаружение измеряемой величины с высокой невосприимчивостью в отношении паразитных эффектов, мешающих сигналов и дрейфа параметров. Представлена сборка, в которой аналоговые сенсорные сигналы преобразуются в аналоговые сигналы временной области с использованием модулированных по времени генераторов. Аналогово цифровое преобразование сигнала временной области можно реализовать в микроконтроллере или ЦСП. Для демонстрации возможных решений по разработке электронного узла системы рассматриваются два случая: универсальный сенсорный интерфейс и динамический процессор напряжения.
2.2. Объектно$ориентированное проектирование сенсорных систем
Характеристики системы в значительной степени можно улучшить, а затраты сократить за счет объединения и переоценки функций сенсоров, исполнительных
механизмов, аналоговых интерфейсных схем и цифровых процессоров в рамках
одной конструкции. Там, где это позволяет технология, систему можно реализовать на общей подложке или однокристальной ИС.
В этой главе рассматриваются сенсорные системы, ориентированные на не
дорогой средний по размерам рынок промышленных сенсоров. Согласно [2], при
проектировании сенсорной системы традиционные подходы сверху – вниз (декомпозиция) и снизу – вверх (композиция) имеют серьезные ограничения, которые обусловлены междисциплинарным и относительно открытым характером
сенсорных подсистем. Как следствие, традиционные методы проектирования часто требуют слишком много итерационных шагов, увеличивается продолжитель
ность конструирования, да и сама конструкция не получается достаточно гибкой.
Для преодоления этих ограничений следует использовать максимальную унификацию конструкций и характеристик применяемых элементов. По аналогии с
подходом проектирования при разработке программного обеспечения Toth назы
вает его объектно ориентированным. На рис. 2.1 приведена возможная конфигу
рация аппаратного обеспечения, составленная на основе такого подхода для сенсорной системы, в которой применяются функционально сложные компоненты, например, микроконтроллеры, персональные компьютеры, а также сенсорные интерфейсы (разд. 2.6 и гл. 10). Наличие памяти в микроконтроллере дает возможность аккумулировать данные, полученные от нескольких сенсоров, в течение длительного периода времени. Это обеспечивает реализацию нескольких важных функций системы, например, автокалибровку, самотестирование, компенсацию и фильтрацию нежелательных сигналов и эффектов. Как будет показа но в разд. 2.4, аналогово цифровое преобразование можно осуществить в микроконтроллере, который в состоянии выполнить эту задачу даже без применения встроенного АЦП при преобразовании сенсорного сигнала во временную область с использованием периодического модулятора в интерфейсе преобразователя.
2.3. Чувствительные элементы и сопровождающие паразитные эффекты 45
Интерфейс датчика оснащен электронными средствами внешней связи для
сенсоров разных типов. Иногда, но не всегда, можно объединить функции чувствительных элементов и их интерфейсов и реализовать их на одном кристалле
ИС, создав, тем самым, «интеллектуальный сенсор» (см. рис. 2.1). В любом случае электрические параметры электронных средств внешней связи должны точно
соответствовать характеристикам чувствительных элементов, принимая во внимание специфические свойства и различные реальные условия. При разработке
объектно ориентированное проектирование будет способствовать ускорению
процесса конструирования и позволит сэкономить средства. Для достижения этой
цели важно понять основные свойства и проблемы наиболее распространенных
типов чувствительных элементов и сенсорных систем. В следующем разделе будет приведено описание подхода для проектирования сенсорных систем высокой
точности в широком динамическом диапазоне, когда необходимо уменьшить влияние паразитных элементов. С описанием других аспектов проектирования, на
пример, простоты и легкости создания прототипа, читатель ознакомится в гл. 10.