《传感器及应用》集成传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》集成传感器-讲义 知识点一 大规模集成电路对传感器的影响 1、 传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展： 功能强而价格低的计算机系统在各方面的广泛使用，特别在工业自动控制、机器人技术和自动检测等方面的应用，要求有大量精度高、尺寸小和价格便宜的传感器与之相适应。 计算机要直接接收从传感器输出的信号，则要求传感器的输出直接是电学量。原来占主导地位的结构型传感器就显得不能适应，促使了传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展 2、 传感器制造工艺的革新： 为了不断促进集成度的增长，集成电路的工艺技术有着日新月异的发展。 目前的集成电路技术可提供高精度的细微加工技术、高密度的器件集成、制造工艺的严格一致性和高可靠性。这些技术和工艺为传感器制造工艺的革新提供了有力的手段。由于这些技术特别适合于许多固体传感器的制作，从而促使固体传感器得以较快地发展。 3、 集成传感器的形成： 集成电路的发展为制造传感器提供了许多成熟的材料。 半导体硅材料已能较自由地为人们所利用，它有许多适宜制造传感器的性质，并制成了实用的传感器。利用硅材料制作的半导体传感器，除了具有固体传感器的一般优点外，还可以把一些集成电路与传感器制作在一起，构成所谓的传感器集成电路或简称为集成传感器。 功能强而价格低的计算机系统在工业自动控制等方面的广泛应用，对传感器的要求不包括以下哪一项（ ） A. 精度高 B. 尺寸大 C. 价格便宜 D. 输出为电学量 【答案】B 【解析】对传感器的要求有大量精度高、尺寸小和价格便宜以及要求传感器的输出直接是电学量。 1. 原来占主导地位的结构型传感器不能适应计算机系统需求的原因（ ） A. 精度不够高 B. 尺寸太大 C. 输出不是电学量 D. 价格昂贵 【答案】C 【解析】计算机要直接接收从传感器输出的信号，则要求传感器的输出直接是电学量。原来占主导地位的结构型传感器就显得不能适应。 2. 集成电路工艺技术的发展不包括以下哪一项优势（ ） A. 高精度的细微加工技术 B. 低密度的器件集成 C. 制造工艺的严格一致性 D. 高可靠性 【答案】B 【解析】目前的集成电路技术可提供高精度的细微加工技术、高密度的器件集成、制造工艺的严格一致性和高可靠性。 3. 集成电路技术为传感器制造工艺革新提供有力手段，主要是因为这些技术（ ） A. 适合许多固体传感器的制作 B. 成本低 C. 操作简单 D. 不需要专业人员 【答案】A 【解析】 集成电路技术特别适合于许多固体传感器的制作，从而促使固体传感器得以较快地发展。 1. 半导体硅材料能被广泛用于制造传感器，是因为它（ ） A. 价格便宜 B. 容易获取 C. 有许多适宜制造传感器的性质 D. 外观好看 【答案】C 【解析】半导体硅材料已能较自由地为人们所利用，它有许多适宜制造传感器的性质，并制成了实用的传感器。 2. 利用硅材料制作的半导体传感器，除固体传感器一般优点外，还能（ ） A. 自行修复故障 B. 与一些集成电路制作在一起构成集成传感器 C. 直接与计算机连接 D. 检测所有物理量 【答案】B 【解析】利用硅材料制作的半导体传感器，除了具有固体传感器的一般优点外，还可以把一些集成电路与传感器制作在一起，构成所谓的传感器集成电路或简称为集成传感器。 3. 计算机在机器人技术中的应用，对传感器的要求使得传感器向（ ）方向发展 A. 大型化、复杂化 B. 固体化、半导体化和集成化 C. 模拟化、单一化 D. 机械化、智能化 【答案】B 【解析】功能强而价格低的计算机系统在各方面的广泛使用促使了传感器向固体化、半导体化和集成化方向的发展。 · 大规模集成电路增强了传感器的数据采集性能、可靠性和数据处理能力。 · 通过集成化技术，降低了传感器的制造成本和维护成本。 · 集成度高，使得传感器体积减小，更易于安装和携带。 · 低功耗设计延长了传感器的使用寿命，适用于更多需要长时间工作的场景。 知识点二 集成传感器的特点 集成传感器具有以下一些特点： （1） 成本低：由于硅集成电路工艺已十分完善，利用这种技术无疑会使产品的成本降低。 （2） 小型化：以硅技术为基础的微电子学，其主要特点之一就是微小型化。集成传感器意味着多个相同或本不相同的器件集成在一起，将原先的许多外引线都改为在芯片内部连接，显然可使体积大大缩小。 （3） 改善性能：集成传感器可以把温度补偿、信号放大及处理等电路做在同一块芯片上，这样就使环境温度变化和电源波动等外界因素对输出信号的影响减至最小。 （4） 提高可靠性：由于集成化的结果，使外引线变为内引线，器件的焊点大大减少，可靠性得以提高。 （5） 增加接口灵活性：根据需要可以在传感器芯片上设计阻抗变换电路、电平变换电路等，以适应不同的要求，便于与外电路连接。 集成传感器与传统传感器相比，最显著的优势是什么（ ） A. 成本更高 B. 性能提升 C. 体积增大 D. 能耗增加 【答案】B 【解析】 集成传感器通过高度集成化技术，提升了传感器的数据采集性能、可靠性和数据处理能力，这是其与传统传感器相比最显著的优势。 1. 集成传感器的主要功能不包括以下哪一项（ ） A. 数据采集 B. 数据处理 C. 数据存储 D. 数据传输 【答案】C 【解析】集成传感器的主要功能包括数据采集、数据处理和数据传输，但通常不包括数据存储。 2. 集成传感器中，哪种技术使得传感器体积大大减小（ ） A. 封装技术 B. 集成化技术 C. 传感材料 D. 信号处理技术 【答案】B 【解析】集成化技术使得传感器内部元件高度集成，从而大大减小了传感器的体积。 3. 集成传感器的哪个特点使其适用于需要长时间工作的场景（ ） A. 高性能 B. 低功耗 C. 大容量存储 D. 高速数据传输 【答案】B 【解析】 集成传感器的低功耗设计使其适用于需要长时间工作的场景，能够延长传感器的使用寿命。 1. 集成传感器在数据采集方面相比传统传感器有哪些改进（ ） A. 数据采集范围更广 B. 数据采集精度降低 C. 数据采集速度变慢 D. 数据采集稳定性变差 【答案】A 【解析】集成传感器通过改进数据采集技术，使得数据采集范围更广，精度更高，速度更快。 2. 集成传感器在数据处理方面有哪些优势（ ） A. 数据处理速度变慢 B. 数据处理精度降低 C. 数据处理能力强 D. 数据处理需要人工干预 【答案】C 【解析】集成传感器内置数据处理模块，具有强大的数据处理能力，能够快速准确地处理采集到的数据。 3. 集成传感器通常采用的信号传输方式是什么（ ） A. 模拟信号传输 B. 数字信号传输 C. 无线信号传输 D. 以上均可 【答案】D 【解析】集成传感器根据应用场景和需求，可以采用模拟信号传输、数字信号传输或无线信号传输等多种方式。 · 高度集成：体积小，便于安装与携带，提高了空间利用率。 · 高性能：数据采集精度高，处理能力强，传输速度快，提升了传感器的整体性能。 · 低功耗：优化电路设计，降低能耗，延长使用寿命。 知识点三 集成传感器 随着集成电路技术的发展，传感器可以和越来越多的信号处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内，这就是集成传感器。 集成传感器是一部分信号处理电路与传感器的集成，因此除了实现传感器的功能之外，还可以完成一部分原来由信号处理器完成的功能。 传感器的集成化也是一个由低级到高级、由简到繁的发展过程。在集成技术还不能把传感器和全部信号处理器电路集成在一起时，总是先选择一些较基本、较简单而集成化后可以为传感 器性能带来最大好处的电路，先把它们和传感器集成在一起。 1、 各种调节电路和补偿电路与传感器集成： 各种调节电路和补偿电路与传感器集成，如电源电压调整电路、温度补偿电路等。 把电源稳压电路与传感器集成在一起，不仅降低了传感器对外部电源的要求，使用起来方便了，而且输出信号的稳定性也得到了改善。 把温度补偿电路与传感器集成在一起，由于传感器的传感特性总有一定的温度灵敏性，在分立元件传感器的情况下，对温度的补偿是通过外部感温元件的补偿电路来实现，但由于外部感温元件不能很好地跟随传感元件的实际温度，因此难以达到预期的效果。如果把温度补偿电路与传感元件集成在同一芯片上，那么补偿电路就能很好地感知传感元件的温度，可取得较好的补偿效果。由于温度灵敏性比较高是一般半导体传感器的主要问题，因此良好的温度补偿更具有重要的意义。 2、 信号放大和阻抗变换电路与传感器集成： 把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对于改善电路的信噪比、抑制外来干扰的影响有很大的好处。 在没有集成时，传感器输出的电信号要经过传输线馈送到信号处理电路，如图1-a所示。传输线往往是干扰的一个来源，在传感器输出信号弱和传感器输出阻抗高的情况下，传输线上的干扰会对传输信号有很大的影响。 在集成传感器中，由于把放大器、阻抗变换电路和传感元件集成在一起，传感元件产生的信号经放大和阻抗变换后再经过传输线馈送到后面的信息处理电路作进一步处理，如图1-b所示，因此传输线上干扰的影响会被大大地削弱。所以，把放大器和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对改善系统的信噪比有很大的好处。 图1 信号传输过程 3、 信号数字化电路与传感器集成： 把模拟信号变换成数字信号可以改善抗干扰能力。 把模拟信号数字化一般要用到A/D 转换器。在集成度有困难的情况下，可以在芯片上先把模拟信号变换成一定频率的交变信号，再把交变信号变成数字信号。 各种电流控制振荡器和电压控制放大器都可用于此目的。 为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开、关两种状态的输出以实现控制。当被测信号强度高于某一阈值时，输出从一个状态变换到另一个状态。为了克服被测信号在阈值附近受干扰而影响输出状态，通常把一个施密特触发器和开关电路做在一起。 4、 多传感器的集成： 利用集成技术还可以把多个相同类型的传感器或多个不同类型的传感器集成在一起。 在多个相同类型的传感器集成在一起时，可通过对各个传感器的测量结果进行比较，去除性能异常或失效器件的测量结果，也可以对正常工作器件的测量结果求平均以改善测量精度。 把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个参数的测量。还可以对这些参数的测量结果进行综合处理，得到一个反映被测系统整体状态的参数。 5、 信号发送和接收电路与传感器集成： 在有的应用中，传感器需要种植到被测试的生物体内，附着在运动的物体上，或放置在有危险的封闭环境中进行工作。这时测得的信号需要通过无线电波、光或其他信号形式传送出来。 把信号发送电路和传感器集成在一起，测量系统的重量大大减轻，尺寸减小，给测量带来很多方便。 把传感器与射频信号接收电路以及一些控制电路集成在一起，传感器可以接受外部控制信号而改变测量方式和测量周期，甚至关闭电源以减少功率消耗等。 集成传感器的主要优势不包括以下哪一项（ ） A. 体积小 B. 能耗高 C. 精度高 D. 应用广泛 【答案】B 【解析】集成传感器的主要优势包括体积小、精度高、应用广泛等，而能耗高并不是其优势，反而是需要改进的方向。 1. 以下哪个不是集成传感器在工业自动化中的应用（ ） A. 温度监控 B. 压力测量 C. 湿度检测 D. 人脸识别 【答案】D 【解析】人脸识别更多应用于安全监控和人机交互等领域，而非工业自动化中的集成传感器应用。 2. 集成传感器在智能家居中的主要作用是（ ） A. 提供娱乐功能 B. 增强网络安全 C. 实现环境监测与控制 D. 提升家具美观度 【答案】C 【解析】集成传感器在智能家居中主要用于实现环境监测与控制，如温度、湿度、光照等参数的监测和自动调节。 3. 以下哪个因素不是影响集成传感器性能的主要因素（ ） A. 材料选择 B. 制造工艺 C. 使用环境 D. 品牌知名度 【答案】D 【解析】集成传感器的性能主要受材料选择、制造工艺和使用环境等因素的影响，而品牌知名度与其性能无直接关系。 1. 集成传感器在医疗健康领域常用于哪种参数的监测（ ） A. 心率 B. 血糖 C. 体重 D. 以上都是 【答案】D 【解析】集成传感器在医疗健康领域常用于心率、血糖等多种生理参数的监测，而体重虽然可能不直接通过集成传感器测量，但相关设备中也可能包含传感器技术。 2. 以下哪种类型的传感器不属于集成传感器（ ） A. 温度传感器 B. 加速度传感器 C. 红外传感器（单独封装） D. 湿度传感器 【答案】C 【解析】集成传感器通常指将多种传感器功能集成在一个芯片或模块中，而单独封装的红外传感器不属于集成传感器的范畴。 3. 集成传感器数据采集的精度主要取决于什么（ ） A. 传感器类型 B. 制造工艺 C. 数据处理算法 D. 以上都是 【答案】B 【解析】虽然传感器类型和数据处理算法也会影响数据采集精度，但制造工艺是决定集成传感器数据采集精度的关键因素之一。 · 集成传感器将多种传感器功能集成于单一芯片或模块，实现体积小型化、功能多样化。 · 采用先进制造工艺和优质材料，确保高精度数据采集。 · 在工业自动化、智能家居、医疗健康等领域有重要应用。 · 持续的技术创新推动性能提升，满足多样化需求。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$