智能傳感器系統(tǒng):新興技術(shù)及其應用
定 價:79 元
叢書名:智能傳感技術(shù)叢書
- 作者:杰拉德·梅杰
- 出版時間:2018/5/1
- ISBN:9787111594123
- 出 版 社:機械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TP212.6
- 頁碼:261
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16開
傳感器系統(tǒng)不斷地要求小型化、低成本、低功耗,同時又要求更高的性能和可靠性,于是一些新的傳感原理和技術(shù)應運而生,而將這些新原理和技術(shù)變?yōu)槌墒斓漠a(chǎn)品將需要更大的努力。除了提高傳感器本身的性能外,傳感器外圍的系統(tǒng)同樣重要,這些系統(tǒng)包括與傳感器相連接的電路界面、保護傳感器的系統(tǒng)封裝、保證傳感器性能的校準程序等。本書正是一本從系統(tǒng)角度全面介紹傳感器及其相關電路設計的書,詳細介紹了一些典型的傳感器系統(tǒng),內(nèi)容實用并具有一定深度,是一本具有新穎性和基礎性的微型傳感器領域?qū)I(yè)書籍。本書適合作為微機電系統(tǒng)(MEMS)相關專業(yè)高年級本科生和研究生的教材,以及傳感器相關專業(yè)人員的參考用書。
本書旨在給傳感器及其系統(tǒng)的設計人員和使用者一個參考,或者作為一個靈感啟發(fā)的源泉,來激發(fā)一些新的想法。本書的主體是基于一門跨學科的課程———“智能傳感器系統(tǒng)”課程的教材,這門課程自從1995年以來每年都在代爾夫特理工大學開設。課程的目標是給那些更大范圍的、跨學科的學生和老師介紹智能傳感器系統(tǒng)的基本原理,來發(fā)展共同的語言和科學背景,去探討設計這些系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn),并且增進相互之間的合作。從這個意義上來說,我們希望能夠促進這個人群的持續(xù)擴大,共同加入到智能傳感器系統(tǒng)這個激動人心的領域中來。
當今智能傳感器層出不窮,這個領域的研發(fā)工作還遠遠沒有完成。它始終被更低成本、更小尺寸、更小功耗和更高性能、更好的可靠性這些需求驅(qū)動著。另一方面,新傳感原理、新技術(shù)不斷涌現(xiàn),仍需要巨大的努力使這些原理和技術(shù)走向成熟。通常這個過程不僅僅包含提升傳感器自身的性能,而且傳感器周圍的系統(tǒng)扮演著同樣重要甚至更重要的角色。這個系統(tǒng)包含了傳感器的接口電子電路、保護傳感器不受環(huán)境影響的封裝,以及確保能夠滿足一定性能指標的校準程序。
本書聚焦在這些系統(tǒng)中最重要的方面,特別是聚焦在設計那些智能傳感器系統(tǒng)。系統(tǒng)中傳感器與電路部分結(jié)合在一個封裝體內(nèi),甚至是一個芯片上,以提供更好的功能、性能和可靠性。這些傳感器系統(tǒng)的基礎知識在之前的《智能傳感器系統(tǒng)》一書中已經(jīng)介紹了,因此本書在該書的基礎上補充了一些新技術(shù)、新應用,以及從系統(tǒng)層面更深入地探討智能傳感器的設計。
本書在開篇討論了通過傳感器與電子電路結(jié)合帶來的令人激動的機會:弱傳感器信號的準確處理(第1章);自校準技術(shù)的采用(第2章);精密儀表放大器的集成(第3章)。隨后介紹了一些傳感器系統(tǒng),其中系統(tǒng)層面起著重要作用:通過測量阻抗方式感知物理和化學參量(第4章);采用反饋和背景校準技術(shù)的低功率角速度感應(第5章);探測DNA等生物分子的傳感器系統(tǒng)(第6章);以CMOS圖像傳感器形式的片上光學傳感系統(tǒng)(第7章);能夠與人類神經(jīng)系統(tǒng)交互的智能傳感器(第8章)。最后,本書還描述了產(chǎn)生和存儲能量的新興技術(shù),因為這對于真正實現(xiàn)無人傳感系統(tǒng)非常重要(第9章)。
在撰寫本書期間,我們得到了很多人的大力幫助。我們非常感謝審稿人給予的反饋和建議,他們是:代爾夫特理工大學的ReinoudWolffenbuttel,弗勞恩霍夫微電子電路與系統(tǒng)研究所的MichaelKraft,不來梅大學的MichielVellekoop,TeledyneDALSA公司的JanBosiers,歐洲微電子中心的FiratYazicioglu,以及那些同時作為審稿人的本書作者。我們非常感謝JohnWiley&Sons,Ltd公司,責任編輯RichardDavies、LizWingett和LauraBell給予的支持、鼓勵和幫助,以及出版編輯GennaManaog和SangeethaParthasarathy在整個出版期間給予的幫助。
此外,感謝那些允許我們使用其照片和圖表的大學、研究所和公司,以使本書能夠更加吸引讀者。最后,感謝我們的家人:Rumiana、Hannah和Abi,感謝她們一如既往的愛和支持。
GerardMeijer、MichielPertijs和KofiMakinwa代爾夫特,荷蘭
目 錄
譯者序
原書前言
第1章 智能傳感器設計1
。.1 引言1
1.2 智能傳感器2
。.2.1 接口電路3
。.2.2 校準和微調(diào)5
。.3 智能溫度傳感器6
。.3.1 電路原理6
。.3.2 接口電路設計7
1.3.3 近期研究進展8
。.4 智能風速傳感器8
。.4.1 工作原理9
。.4.2 接口電路10
。.4.3 近期研究進展11
1.5 智能霍爾傳感器11
。.5.1 電路原理11
。.5.2 接口電路12
。.5.3 近期研究進展13
1.6 本章小結(jié)14
參考文獻15
第2章 智能傳感器的校準與自校準17
。.1 引言17
。.2 智能傳感器的校準18
。.2.1 校準術(shù)語18
2.2.2 校準有效性的局限19
。.2.3 智能傳感器校準的特性20
。.2.4 傳感器中校準數(shù)據(jù)的存儲20
。.2.5 生產(chǎn)過程中的校準22
2.2.6 智能傳感器校準的機遇24
。.2.7 案例分析:一種智能溫度傳感器24
。.3 自校準26
。.3.1 自校準的局限性26
。.3.2 通過結(jié)合多個傳感器的自校準26
。.3.3 自校準傳感激勵器29
。.3.4 案例分析:一種智能磁場傳感器30
。.3.5 零位平衡傳感激勵器32
。.3.6 案例分析:一種智能風速傳感器33
。.3.7 其他自校準方法35
。.4 總結(jié)和未來趨勢37
。.4.1 總結(jié)37
。.4.2 未來趨勢38
參考文獻39
第3章 精密儀表放大器41
。.1 引言41
。.2 儀表放大器的應用42
。.3 三運放儀表放大器43
。.4 電流反饋儀表放大器44
3.5 自動調(diào)零運算放大器和儀表放大器47
。.6 斬波運算放大器和儀表放大器50
。.7 斬波穩(wěn)零運算放大器和儀表放大器55
。.8 斬波穩(wěn)零及自動調(diào)零協(xié)同運算放大器和儀表放大器60
。.9 總結(jié)與展望64
參考文獻65
第4章 專用阻抗傳感器系統(tǒng)67
。.1 引言67 4.2 采用方波激勵信號的電容式傳感器接口電路70 。.2.1 單元素測量70 4.2.2 基于周期調(diào)制的高能效接口電路71 。.2.3 電容式傳感器的高速高分辨測量74 。.2.4 接地電容測量:前饋有源保護75 4.3 專用測量系統(tǒng):微生物檢測77 。.3.1 新陳代謝引起的電導改變特性77 4.3.2 張弛振蕩器阻抗測量80 。.4 專用測量系統(tǒng):含水量的測量82 4.4.1 背景82
。.4.2 電容值與含水量的關系83
目 錄Ⅶ
。.4.3 趨膚效應和鄰近效應83
。.4.4 測定含水量的專用接口電路系統(tǒng)85
4.5 專用測量系統(tǒng):血液阻抗表征測量系統(tǒng)87
。.5.1 血液及其電路模型的特征87
。.5.2 有機體內(nèi)血液分析系統(tǒng)90
。.5.3 實驗結(jié)果93
4.6 本章小結(jié)95
參考文獻96
第5章 低功耗振動式陀螺儀讀出電路99
。.1 引言99
。.2 節(jié)能的科里奧利傳感技術(shù)99
。.2.1 振動式陀螺儀簡介99
。.2.2 電子接口電路100
5.2.3 接口讀出電路101
。.2.4 提高接口讀出電路功效102
。.2.5 利用感應諧振103
。.3 模式匹配105
。.3.1 評估失配105
。.3.2 調(diào)節(jié)失配109
。.3.3 關閉調(diào)諧回路110
5.3.4 實際考慮111
。.4 力反饋114
5.4.1 模式匹配考慮114
。.4.2 初始系統(tǒng)架構(gòu)和模型穩(wěn)定性分析115
。.4.3 適應寄生諧振117
。.4.4 正反饋架構(gòu)120
。.5 實驗樣機126
。.5.1 實施127
5.5.2 實驗結(jié)果130
。.6 總結(jié)136
參考文獻136
第6章 基于CMOS工藝的DNA生物芯片138
。.1 引言138
。.2 DNA芯片的基本工作原理和應用138
。.3 芯片修飾142
6.4。茫停希蛹桑保矗
Ⅷ 智能傳感器系統(tǒng):新興技術(shù)及其應用
。.5 電化學讀出技術(shù)146
6.5.1 探測原理146
。.5.2 電位法裝置152
。.5.3 讀出電路155
。.6 其他讀出技術(shù)157
6.6.1 基于標記方法157
。.6.2 無標記方法158
6.7 封裝集成附注160
。.8 總結(jié)和展望161
參考文獻162
第7章 CMOS圖像傳感器165
。.1。茫停希映叽缧獙D像傳感器的影響165
。.2 CMOS像素結(jié)構(gòu)167
。.3 光子散粒噪聲171
。.4 應用于CMOS圖像傳感器的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器172
。.5 光靈敏度175
。.6 動態(tài)范圍176
7.7 全局快門177
。.8 結(jié)論178
參考文獻179
第8章 智能傳感器探索之神經(jīng)接口181
8.1 引言181
。.2 動態(tài)神經(jīng)控制系統(tǒng)設計技術(shù)要點183
。.3 動態(tài)控制框架中基于智能傳感器的治療設備:閉環(huán)心臟起搏器案例186
。.4 “間接”智能傳感方法的應用實例:一個針對慢性疼痛的
姿態(tài)響應脊髓刺激案例研究188
。.4.1 姿態(tài)響應型控制系統(tǒng)概述188
。.4.2 設計的挑戰(zhàn):定義病人預期狀態(tài)189
。.4.3 物理傳感器:三軸加速度計192
8.4.4 三軸加速度計的具體設計192
。.4.5 采用狀態(tài)評估使傳感器“智能化”:位置檢測算法和刺激算法195
。.4.6 “閉環(huán)”:將慣性信息映射到基于姿態(tài)的自適應治療的刺激參數(shù)196
。.5 神經(jīng)狀態(tài)的直接感知:智能傳感器用于測量神經(jīng)狀態(tài)和
實現(xiàn)閉環(huán)神經(jīng)系統(tǒng)的案例研究198
8.5.1 植入式雙向腦機接口系統(tǒng)設計199
。.5.2 斬波穩(wěn)零EEG儀表放大器設計概述200
目 錄Ⅸ
。.5.3 大腦的神經(jīng)智能感知探索:動物樣本原型試驗208
。.5.4 展示大腦中智能傳感的概念:實時大腦狀態(tài)評估和刺激法214
8.6 神經(jīng)系統(tǒng)智能檢測的未來趨勢和機遇220
參考文獻222
第9章 微能源產(chǎn)生:原理和應用226
。.1 引言226
。.2 能量存儲系統(tǒng)229
9.2.1 簡介229
。.2.2 超級電容器230
。.2.3 鋰離子電池230
9.2.4 薄膜鋰離子電池232
。.2.5 能量存儲系統(tǒng)應用233
。.3 熱電能量采集234
。.3.1 簡介234
9.3.2 最新技術(shù)235
。.3.3 轉(zhuǎn)化效率239
。.3.4 電源管理240
。.3.5 小結(jié)240
。.4 振動與運動能量采集241
。.4.1 簡介241
。.4.2 機械環(huán)境:諧振系統(tǒng)242
9.4.3 人類環(huán)境:非諧振系統(tǒng)246
。.4.4 電源管理248
。.4.5 小結(jié)248
。.5 遠場RF能量采集249
。.5.1 簡介249
9.5.2 基本原理249
。.5.3 分析和設計252
。.5.4 應用253
9.6 光伏254
。.7 總結(jié)和未來趨勢255
9.7.1 總結(jié)255
。.7.2 未來趨勢256
參考文獻257