一种阻性复合传感器阵列的读出电路及其读出方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种阻性复合传感器阵列的读出电路及其 读出方法。
【背景技术】
[0002] 阵列式传感装置就是将具有相同性能的多个传感元件，按照二维阵列的结构组合 在一起，它可以通过检测聚焦在阵列上的参数变化，改变或生成相应的形态与特征。这个特 性被广泛应用于生物传感、温度触觉和基于红外传感器等的热成像等方面。
[0003] 阻性传感阵列被广泛应用于红外成像仿真系统、力触觉感知与温度触觉感知。以 温度触觉为例，由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属 性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材 质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求。
[0004] 阻性传感阵列的质量或分辨率是需要通过增加阵列中的传感器的数量来增加的。 然而，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难。一般情 况下，要对一个MXN阵列的所有的阻性传感器的进行逐个访问，而每个阻性传感器具有两 个端口，共需要2XΜXN根连接线。这种连接方式不仅连线复杂，而且每次只能选定单个待 测电阻，扫描速度慢，周期长，效率低。为降低器件互连的复杂性，可以引入共用行线与列线 的二维阵列，将扫描控制器与单个运算放大电路和多路选择器结合，尽管如此，还是只能实 现单个待测电阻的测量，因此如何在每次扫描中同时选取多个待测电阻就成了一道需要攻 克的难题。
[0005] 关于电阻式传感阵列的检测研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于红外热成 像的阵列检测技术，测试结构是基于电阻传感网络配置，基于电阻的线性与齐次性使用补 偿网络定理和叠加网络定理开发了该电阻网络的理论模型。使用16X16阵列网络热辐射 计阵列验证，仅使用32个引脚，已经证实，该模型针对器件损坏或器件值的微小变化都可 以有效分辨，它具有一定精度，但是在检测速度上依然存在技术缺陷。2009年Y.J.Yang等 人提出了一个32X32阵列的温度和触觉传感阵列，用于机械手臂的人造皮肤，在阵列网络 中加入多路选择器，行选择与列选择速度大大加快，最大检测速率能够达到每秒3000个传 感单元，但该阵列的检测每次也只能检测单个待测单元，检测效率成为最大的技术瓶颈。
[0006] 一篇中国发明专利（CN201110148963. 2)公开了一种阵列式温度触觉传感装置， 采用电阻传感阵列实现温度触觉的传感，其反馈驱动隔离电路将待测电阻所在行的电压经 行选择器后的端电压VSG反馈回非选定行线与列线，虽然对精度有一定程度改善，但并未 在检测速度上有所突破。另有中国发明专利CN201410183065《一种增强电压反馈的阻性传 感阵列的检测电路》，它在专利CN201110148963. 2的基础上将扫描控制器、反馈电路、行多 路选择器及列多路选择器结合，其中反馈电路由单个运算放大器及分压电路组成，分压电 路中电阻R1与电阻R2选用特定阻值的电阻，将电阻R1与电阻R2的比值限定为R1 :R2 =Rr:Rs，其中，Rr表示行多路选择器的通道内阻，Rs表示采样电阻。该方法虽然可以有 效减小待测电阻的相邻列电阻和列多路选择器的内阻对被测电阻测量的干扰，显著提高其 测量精度，但依然每次只能选定单个待测电阻，所以在检测速度上，还需要更进一步的改进 提尚。
[0007] 随着传感器技术的发展，目前出现了一类阻性复合传感器，每一个传感器由多个 二端阻性敏感单元构成，可同时对多个相同或不同的物理量进行检测。对于由此类阻性复 合传感器所组成的传感器阵列，如采用传统的电压反馈法进行扫描测量，同样单次测量只 能获得单个阻性敏感单元的电阻，检测速度较低。此外，由于传感器阵列中的阻性敏感单元 数量更大，由此也带来了组阵所需的连线数量过多，复杂度过高的问题。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种阻性复合传感器阵 列的读出电路及其读出方法，针对由阻性复合传感器所构成的二维阵列，基于双电压反馈 法，提高单次检测所能读取的阻性敏感单元的数量，从而提高检测速度，同时有效降低传感 系统的复杂度。
[0009] 本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0010] -种阻性复合传感器阵列的读出电路，所述阻性复合传感器阵列为MXN个阻性 复合传感器所构成的二维阵列；每个阻性复合传感器包括2K个二端阻性敏感单元，2K个二 端阻性敏感单元的一端连接到该阻性复合传感器的公共端点，另一端为一个独立端点，每 个阻性复合传感器共有2K+1个端点；同一列阻性复合传感器的公共端点相互连接，构成该 列阻性复合传感器的共用列线，同一行阻性复合传感器中第i个阻性敏感单元的另一端相 互连接，构成该行阻性复合传感器的第i条共用行线，i= 1，2, 一,21(4为大于0的自然 数；所述读出电路包括：行多路选择器、列多路选择器、扫描控制器、第一电压反馈驱动电 路、第二电压反馈驱动电路、采样电阻、测试电压输入端；采样电阻一端接地，另一端连接第 一电压反馈驱动电路的输入端；每一行阻性复合传感器的2K条共用行线预先按照相同的 分组方式被分为两组；对于属于第一组的共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下 使得其中任一共用行线与测试电压输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开， 或者与第二电压反馈驱动电路的输出端接通而与测试电压输入端断开；对于属于第二组的 共用行线，行多路选择器可在扫描控制器控制下使得其中任一共用行线与第一电压反馈驱 动电路的输入端接通而与第二电压反馈驱动电路的输出端断开，或者与第二电压反馈驱动 电路的输出端接通而与第一电压反馈驱动电路的输入端断开；列多路选择器可在扫描控制 器控制下使得任一共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第一电压反馈驱 动电路的输出端断开，或者与第一电压反馈驱动电路的输出端接通而与第二电压反馈驱动 电路的输入端断开。
[0011] 优选地，所述第一电压反馈驱动电路包括第一运算放大器和第一驱动电路，第一 运算放大器的反相输入端与第一运算放大器的输出端及第一驱动电路的输入端连接，第一 运算放大器的同相输入端、第一驱动电路的输出端分别作为第一电压反馈驱动电路的输入 端、第一电压反馈驱动电路的输出端；所述第二电压反馈驱动电路包括第二运算放大器和 第二驱动电路，第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端及第二驱动电路 的输入端连接，第二运算放大器的同相输入端、第二驱动电路的输出端分别作为第二电压 反馈驱动电路的输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端。
[0012] 优选地，每一行阻性复合传感器的2K条共用行线被分为数量相同的两组。
[0013] 优选地，所述行多路选择器包括与阻性复合传感器阵列的MX2K条共用行线一一 对应的MX2K个二选一双向模拟开关；根据共用行线的分组情况，这MX2K个二选一双向模 拟开关被分为相应的两组；对于第一组中的每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输 出端与其所对应的共用行线连接，其两个独立输入/输出端分别与测试电压输入端、第二 电压反馈驱动电路的输出端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接；对于第二组中的 每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所对应的共用行线连接，其两个独 立输入/输出端分别与第一电压反馈驱动电路的输入端、第二电压反馈驱动电路的输出端 连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接。
[0014] 优选地，所述列多路选择器包括与阻性复合传感器阵列的N条共用列线一一对应 的N个二选一双向模拟开关；对于每一个二选一双向模拟开关，其公共输入/输出端与其所 对应的共用列线连接，其两个独立输入/输出端分别与第一电压反馈驱动电路的输出端、 第二电压反馈驱动电路的输入端连接，其控制信号输入端与扫描控制器连接。
[0015] 如上任一技术方案所述读出电路的读出方法，扫描控制器控制列多路选择器，使 得当前扫描列阻性复合传感器的共用列线与第二电压反馈驱动电路的输入端接通而与第 一电压反馈驱动电路的输出端断开，其余共用列线与第一电压反馈驱动电路的输出端接通 而与第二电压反馈驱动电路的输入端断开；同时，扫描控制器控制行多路选择器，使得当前 扫描行阻性复合传感器所对应的2K条共用行线中属于第一组的一条共用行线与测试电压 输入端接通，该行阻性复合传感器所对应的2K条共用行线中属于第二组的一条共用行线 与第一电压反馈驱动电路的输入端接通，阻性复合传感器阵列中的其余所有共用行线均与 第二电压反馈驱动电路的输出端接通；然后利用以下公式得到当前扫描行、列相交处的阻 性复合传感器中，与测试电压输入端接通的共用行线所对应的阻性敏感单元的电阻值R1， 以及与第一电压反馈驱动电路的输入端接通的共用行