智能传感器是指利用与传感单元集成的信息存储和处理单元,将由外部环境获取的特定信息处理后再进行输出的一类器件,一般包括获取环境信息的传感器和进行信息处理的信息处理单元,以及其他辅助功能单元。
智能传感器是指利用与传感单元集成的信息存储和处理单元,将由外部环境获取的特定信息处理后再进行输出的一类器件,一般包括获取环境信息的传感器和进行信息处理的信息处理单元,以及其他辅助功能单元。利用自身的信息处理能力,智能传感器可以更为准确并自动地获取环境中的信息,在无线传感网、战场侦察、环境探测等多个领域有着广泛的应用需求。
随着微纳电子工艺技术和集成微纳系统技术的快速发展,智能传感器多采用微纳集成制造方法实现多功能、高密度的集成,通常将一种或多种不同功能的传感器敏感结构与信号处理电路、控制电路集成在同一单元内。典型的集成智能传感器有集成压力传感器、集成温度传感器和微惯性测量单元等。
实现智能传感器集成化的关键技术之一, 是传感器敏感结构与信号处理电路的集成加工技术。目前,在主流的集成加工技术中,对于信号处理电路多采用CMOS集成电路工艺。根据集成方式的不同,传感器的集成技术可以分为单芯片集成技术和多芯片集成技术。
单芯片集成技术是指在单个芯片上实现传感器敏感结构与信号处理电路单元的协同设计和协同加工技术。成熟的单芯片集成技术可以减小传感器各单元之间互连引入的寄生效应影响,提高器件的性能,减小芯片面积,降低总体制造成本。但由于需要同时考虑电路工艺与微机械工艺对工艺温度、洁净级别等工艺条件的不同要求,单芯片集成技术也面临工艺复杂、开发周期长等问题。
根据集成电路工艺与微机械结构工艺的先后顺序不同,单芯片集成加工技术又可以分为微机械艺在电路工艺之前(Pre CMOS)、 微机械工艺在电路工艺中间(Hybrid CMOS)及微机械工艺在电路工艺之后(Post CMOS) 三类。前两类集成工艺可以放宽对微机械加工工艺参数的限制,但需要改变集成电路加工工艺的步骤或工艺条件,通常需要专门的生产线来实现,其典型代表如美国Analog Devices 公司的iMEMNS集成工艺。
微机械工艺全部在电路工艺之后的单芯片集成工艺可以基于标准的电路工艺在集成电路代工厂完成电路部分的加工,之后再完成微机械结构加工,其典型代表如美新半导体公司的热对流式加速度计系列产品采用的集成加工工艺。
多芯片集成(Multi-Chip Integration) 是指传感器敏感结构芯片和信号处理集成电路芯片分别采用独立的工艺进行设计和流片,之后通过专门的集成技术实现传感器的集成。由于多芯片集成避免了传感器敏感结构芯片和集成电路芯片之间的工艺限制,可以进行独立的优化、开发,具有开发周期短等优点。随着硅通孔(TSV)等三维集成技术的发展,多芯片集成实现的集成传感器在尺寸、成本等方面的竞争力也不断提升。
随着微电子和传感器集成技术的进步,智能传感器的信息获取和处理能力不断提升,既可以提高传感器的精度、可靠性、性价比,也可实现传感器的多功能化。因此,智能传感器在生产生活中的应用得到了迅猛的发展。意法半导体公司等生产的运动处理单元(Motion Processing Unit,MPU)是基于MEMS技术实现的智能传感器的一类典型代表, 包含三轴的磁传感器、加速度计、 陀蜾和温度传感器,可以直接输出用户的运动速度和姿态等信息,在智能终端中得到了大量的应用。
