智能传感器系统：新兴技术及其应用

传感器系统不断地要求小型化、低成本、低功耗，同时又要求更高的性能和可靠性，于是一些新的传感原理和技术应运而生，而将这些新原理和技术变为成熟的产品将需要更大的努力。除了提高传感器本身的性能外，传感器外围的系统同样重要，这些系统包括与传感器相连接的电路界面、保护传感器的系统封装、保证传感器性能的校准程序等。本书正是一本从系统角度全面介绍传感器及其相关电路设计的书，详细介绍了一些典型的传感器系统，内容实用并具有一定深度，是一本具有新颖性和基础性的微型传感器领域专业书籍。本书适合作为微机电系统（MEMS）相关专业高年级本科生和研究生的教材，以及传感器相关专业人员的参考用书。

目　　录
译者序
原书前言
第１章　智能传感器设计１
　１.１　引言１
　１.２　智能传感器２
　　１.２.１　接口电路３
　　１.２.２　校准和微调５
　１.３　智能温度传感器６
　　１.３.１　电路原理６
　　１.３.２　接口电路设计７
　　１.３.３　近期研究进展８
　１.４　智能风速传感器８
　　１.４.１　工作原理９
　　１.４.２　接口电路１０
　　１.４.３　近期研究进展１１
　１.５　智能霍尔传感器１１
　　１.５.１　电路原理１１
　　１.５.２　接口电路１２
　　１.５.３　近期研究进展１３
　１.６　本章小结１４
　参考文献１５
第２章　智能传感器的校准与自校准１７
　２.１　引言１７
　２.２　智能传感器的校准１８
　　２.２.１　校准术语１８
　　２.２.２　校准有效性的局限１９
　　２.２.３　智能传感器校准的特性２０
　　２.２.４　传感器中校准数据的存储２０
　　２.２.５　生产过程中的校准２２
　　２.２.６　智能传感器校准的机遇２４
　　２.２.７　案例分析：一种智能温度传感器２４
　２.３　自校准２６
　　２.３.１　自校准的局限性２６
　　２.３.２　通过结合多个传感器的自校准２６
　　２.３.３　自校准传感激励器２９
　　２.３.４　案例分析：一种智能磁场传感器３０
　　２.３.５　零位平衡传感激励器３２
　　２.３.６　案例分析：一种智能风速传感器３３
　　２.３.７　其他自校准方法３５
　２.４　总结和未来趋势３７
　　２.４.１　总结３７
　　２.４.２　未来趋势３８
　参考文献３９
第３章　精密仪表放大器４１
　３.１　引言４１
　３.２　仪表放大器的应用４２
　３.３　三运放仪表放大器４３
　３.４　电流反馈仪表放大器４４
　３.５　自动调零运算放大器和仪表放大器４７
　３.６　斩波运算放大器和仪表放大器５０
　３.７　斩波稳零运算放大器和仪表放大器５５
　３.８　斩波稳零及自动调零协同运算放大器和仪表放大器６０
　３.９　总结与展望６４
　参考文献６５
第４章　专用阻抗传感器系统６７
　４.１　引言６７ 　４.２　采用方波激励信号的电容式传感器接口电路７０ 　　４.２.１　单元素测量７０ 　　４.２.２　基于周期调制的高能效接口电路７１ 　　４.２.３　电容式传感器的高速高分辨测量７４ 　　４.２.４　接地电容测量：前馈有源保护７５ 　４.３　专用测量系统：微生物检测７７ 　　４.３.１　新陈代谢引起的电导改变特性７７ 　　４.３.２　张弛振荡器阻抗测量８０ 　４.４　专用测量系统：含水量的测量８２ 　　４.４.１　背景８２
　　４.４.２　电容值与含水量的关系８３
目　　录Ⅶ　
　　４.４.３　趋肤效应和邻近效应８３
　　４.４.４　测定含水量的专用接口电路系统８５
　４.５　专用测量系统：血液阻抗表征测量系统８７
　　４.５.１　血液及其电路模型的特征８７
　　４.５.２　有机体内血液分析系统９０
　　４.５.３　实验结果９３
　４.６　本章小结９５
　参考文献９６
第５章　低功耗振动式陀螺仪读出电路９９
　５.１　引言９９
　５.２　节能的科里奥利传感技术９９
　　５.２.１　振动式陀螺仪简介９９
　　５.２.２　电子接口电路１００
　　５.２.３　接口读出电路１０１
　　５.２.４　提高接口读出电路功效１０２
　　５.２.５　利用感应谐振１０３
　５.３　模式匹配１０５
　　５.３.１　评估失配１０５
　　５.３.２　调节失配１０９
　　５.３.３　关闭调谐回路１１０
　　５.３.４　实际考虑１１１
　５.４　力反馈１１４
　　５.４.１　模式匹配考虑１１４
　　５.４.２　初始系统架构和模型稳定性分析１１５
　　５.４.３　适应寄生谐振１１７
　　５.４.４　正反馈架构１２０
　５.５　实验样机１２６
　　５.５.１　实施１２７
　　５.５.２　实验结果１３０
　５.６　总结１３６
　参考文献１３６
第６章　基于ＣＭＯＳ工艺的ＤＮＡ生物芯片１３８
　６.１　引言１３８
　６.２　ＤＮＡ芯片的基本工作原理和应用１３８
　６.３　芯片修饰１４２
　６.４　ＣＭＯＳ集成１４３
　Ⅷ 智能传感器系统：新兴技术及其应用
　６.５　电化学读出技术１４６
　　６.５.１　探测原理１４６
　　６.５.２　电位法装置１５２
　　６.５.３　读出电路１５５
　６.６　其他读出技术１５７
　　６.６.１　基于标记方法１５７
　　６.６.２　无标记方法１５８
　６.７　封装集成附注１６０
　６.８　总结和展望１６１
　参考文献１６２
第７章　ＣＭＯＳ图像传感器１６５
　７.１　ＣＭＯＳ尺寸效应对图像传感器的影响１６５
　７.２　ＣＭＯＳ像素结构１６７
　７.３　光子散粒噪声１７１
　７.４　应用于ＣＭＯＳ图像传感器的模－数转换器１７２
　７.５　光灵敏度１７５
　７.６　动态范围１７６
　７.７　全局快门１７７
　７.８　结论１７８
　参考文献１７９
第８章　智能传感器探索之神经接口１８１
　８.１　引言１８１
　８.２　动态神经控制系统设计技术要点１８３
　８.３　动态控制框架中基于智能传感器的治疗设备：闭环心脏起搏器案例１８６
　８.４　“间接”智能传感方法的应用实例：一个针对慢性疼痛的
姿态响应脊髓刺激案例研究１８８
　　８.４.１　姿态响应型控制系统概述１８８
　　８.４.２　设计的挑战：定义病人预期状态１８９
　　８.４.３　物理传感器：三轴加速度计１９２
　　８.４.４　三轴加速度计的具体设计１９２
　　８.４.５　采用状态评估使传感器“智能化”：位置检测算法和刺激算法１９５
　　８.４.６　“闭环”：将惯性信息映射到基于姿态的自适应治疗的刺激参数１９６
　８.５　神经状态的直接感知：智能传感器用于测量神经状态和
实现闭环神经系统的案例研究１９８
　　８.５.１　植入式双向脑机接口系统设计１９９
　　８.５.２　斩波稳零ＥＥＧ仪表放大器设计概述２００
目　　录Ⅸ　
　　８.５.３　大脑的神经智能感知探索：动物样本原型试验２０８
　　８.５.４　展示大脑中智能传感的概念：实时大脑状态评估和刺激法２１４
　８.６　神经系统智能检测的未来趋势和机遇２２０
　参考文献２２２
第９章　微能源产生：原理和应用２２６
　９.１　引言２２６
　９.２　能量存储系统２２９
　　９.２.１　简介２２９
　　９.２.２　超级电容器２３０
　　９.２.３　锂离子电池２３０
　　９.２.４　薄膜锂离子电池２３２
　　９.２.５　能量存储系统应用２３３
　９.３　热电能量采集２３４
　　９.３.１　简介２３４
　　９.３.２　技术２３５
　　９.３.３　转化效率２３９
　　９.３.４　电源管理２４０
　　９.３.５　小结２４０
　９.４　振动与运动能量采集２４１
　　９.４.１　简介２４１
　　９.４.２　机械环境：谐振系统２４２
　　９.４.３　人类环境：非谐振系统２４６
　　９.４.４　电源管理２４８
　　９.４.５　小结２４８
　９.５　远场ＲＦ能量采集２４９
　　９.５.１　简介２４９
　　９.５.２　基本原理２４９
　　９.５.３　分析和设计２５２
　　９.５.４　应用２５３
　９.６　光伏２５４
　９.７　总结和未来趋势２５５
　　９.７.１　总结２５５
　　９.７.２　未来趋势２５６
　参考文献２５７

本书旨在给传感器及其系统的设计人员和使用者一个参考，或者作为一个灵感启发的源泉，来激发一些新的想法。本书的主体是基于一门跨学科的课程———“智能传感器系统”课程的教材，这门课程自从１９９５年以来每年都在代尔夫特理工大学开设。课程的目标是给那些更大范围的、跨学科的学生和老师介绍智能传感器系统的基本原理，来发展共同的语言和科学背景，去探讨设计这些系统带来的挑战，并且增进相互之间的合作。从这个意义上来说，我们希望能够促进这个人群的持续扩大，共同加入到智能传感器系统这个激动人心的领域中来。
当今智能传感器层出不穷，这个领域的研发工作还远远没有完成。它始终被更低成本、更小尺寸、更小功耗和更高性能、更好的可靠性这些需求驱动着。另一方面，新传感原理、新技术不断涌现，仍需要巨大的努力使这些原理和技术走向成熟。通常这个过程不仅仅包含提升传感器自身的性能，而且传感器周围的系统扮演着同样重要甚至更重要的角色。这个系统包含了传感器的接口电子电路、保护传感器不受环境影响的封装，以及确保能够满足一定性能指标的校准程序。
本书聚焦在这些系统中重要的方面，特别是聚焦在设计那些智能传感器系统。系统中传感器与电路部分结合在一个封装体内，甚至是一个芯片上，以提供更好的功能、性能和可靠性。这些传感器系统的基础知识在之前的《智能传感器系统》一书中已经介绍了，因此本书在该书的基础上补充了一些新技术、新应用，以及从系统层面更深入地探讨智能传感器的设计。
本书在开篇讨论了通过传感器与电子电路结合带来的令人激动的机会：弱传感器信号的准确处理（第１章）；自校准技术的采用（第２章）；精密仪表放大器的集成（第３章）。随后介绍了一些传感器系统，其中系统层面起着重要作用：通过测量阻抗方式感知物理和化学参量（第４章）；采用反馈和背景校准技术的低功率角速度感应（第５章）；探测ＤＮＡ等生物分子的传感器系统（第６章）；以ＣＭＯＳ图像传感器形式的片上光学传感系统（第７章）；能够与人类神经系统交互的智能传感器（第８章）。后，本书还描述了产生和存储能量的新兴技术，因为这对于真正实现无人传感系统非常重要（第９章）。
在撰写本书期间，我们得到了很多人的大力帮助。我们非常感谢审稿人给予的反馈和建议，他们是：代尔夫特理工大学的ＲｅｉｎｏｕｄＷｏｌｆｆｅｎｂｕｔｔｅｌ，弗劳恩霍夫微电子电路与系统研究所的ＭｉｃｈａｅｌＫｒａｆｔ，不来梅大学的ＭｉｃｈｉｅｌＶｅｌｌｅｋｏｏｐ，ＴｅｌｅｄｙｎｅＤＡＬＳＡ公司的ＪａｎＢｏｓｉｅｒｓ，欧洲微电子中心的ＦｉｒａｔＹａｚｉｃｉｏｇｌｕ，以及那些同时作为审稿人的本书作者。我们非常感谢ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｌｔｄ公司，责任编辑ＲｉｃｈａｒｄＤａｖｉｅｓ、ＬｉｚＷｉｎｇｅｔｔ和ＬａｕｒａＢｅｌｌ给予的支持、鼓励和帮助，以及出版编辑ＧｅｎｎａＭａｎａｏｇ和ＳａｎｇｅｅｔｈａＰａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙ在整个出版期间给予的帮助。
此外，感谢那些允许我们使用其照片和图表的大学、研究所和公司，以使本书能够更加吸引读者。后，感谢我们的家人：Ｒｕｍｉａｎａ、Ｈａｎｎａｈ和Ａｂｉ，感谢她们一如既往的爱和支持。
ＧｅｒａｒｄＭｅｉｊｅｒ、ＭｉｃｈｉｅｌＰｅｒｔｉｊｓ和ＫｏｆｉＭａｋｉｎｗａ代尔夫特，荷兰