基于面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)研究

張文豪

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150040）

0 前言

作為檢測(cè)裝置的一種，傳感器在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。傳感器的合理設(shè)計(jì)是能夠有效實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制系統(tǒng)自動(dòng)化的重要前提，微機(jī)械電子技術(shù)是傳感器設(shè)計(jì)的重要組成部分，對(duì)自動(dòng)化測(cè)量傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要以微機(jī)械電子技術(shù)為主要的技術(shù)支撐。對(duì)基于面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，能夠?yàn)樽詣?dòng)化測(cè)量傳感器功能的完善提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 傳感器與微機(jī)械電子技術(shù)

1.1 傳感器

電子信息技術(shù)的出現(xiàn)，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子信息工程奠定了發(fā)展的基礎(chǔ)。傳感器主要是基于電信號(hào)發(fā)展起來的，主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路以及輔助電源四個(gè)部分組成。這種檢測(cè)裝置能夠?qū)⒈粰z測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，或以其他形式輸出，用以滿足不同行業(yè)和領(lǐng)域裝置檢測(cè)的需要。從本質(zhì)上來說，傳感器承擔(dān)著獲取物體信息的重要職責(zé)[1]?，F(xiàn)階段，傳感器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測(cè)、生物工程等多個(gè)領(lǐng)域，在未來的社會(huì)發(fā)展中，傳感器技術(shù)能夠作用于現(xiàn)代化的所有工程，間接推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。

1.2 微機(jī)械電子技術(shù)

微機(jī)械電子技術(shù)是能夠應(yīng)用于集成電路、機(jī)械零件制作的重要技術(shù)，也是制作傳感器的主要技術(shù)來源之一。這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)⒅谱鞯碾娐坊蛄慵M可能的縮小，在保證電路能夠正常發(fā)揮功能的同時(shí)，形成可以用于大批量生產(chǎn)的、高度自動(dòng)化、智能化的微電子機(jī)械系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)從本質(zhì)上來說是一種機(jī)電系統(tǒng)，基于微機(jī)械電子技術(shù)而形成的微驅(qū)動(dòng)器、微傳感器等都是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中重要的儀器裝置。因而微機(jī)械電子技術(shù)也擁有廣闊的發(fā)展前景。

2 基于面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)方案分析

傳感器是一種檢測(cè)物體狀態(tài)的裝置，這種裝置與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，都是能夠促進(jìn)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展必不可缺的內(nèi)容。在工業(yè)生產(chǎn)逐漸朝著智能化、自動(dòng)化發(fā)展的今天，傳感器的設(shè)計(jì)研發(fā)也要朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展，才能夠更好的發(fā)揮其檢測(cè)的作用[3]。自動(dòng)化測(cè)量傳感器是微傳感器的一種，微機(jī)械電子技術(shù)是傳感器設(shè)計(jì)研發(fā)的主要技術(shù)之一，面向微機(jī)械電子技術(shù)來對(duì)自動(dòng)化測(cè)量傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅能夠提高傳感器的設(shè)計(jì)水平，為微傳感器的設(shè)計(jì)提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，還能夠有效促進(jìn)微機(jī)械電子技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展。在對(duì)基于面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要可以從以下幾個(gè)方面來入手。

2.1 設(shè)計(jì)原理

微機(jī)械電子技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，主要發(fā)揮的是數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)的作用，該技術(shù)能夠?qū)⑽鞲衅鞯膬?nèi)部部件縮小，在集成封裝之后，將其嵌入到其他設(shè)備當(dāng)中，并且不會(huì)對(duì)原有裝置的性能產(chǎn)生影響。由于不同的行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器類型也有所區(qū)別，本文中的設(shè)計(jì)方案以壓力傳感器為主。微傳感器的設(shè)計(jì)和研發(fā)是以集成電路為基礎(chǔ)的，微機(jī)械電子技術(shù)則主要應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)，因而在對(duì)壓力傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以模擬出整個(gè)傳感器的工作流程，對(duì)傳感器承受的壓力值、輸出電壓等數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

在基于面向微機(jī)械電子技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確自動(dòng)化測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)組成，即敏感膜片、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路、傳感器接口電路、傳感器工作程序五個(gè)部分。當(dāng)外界的壓力傳遞到傳感器中時(shí)，敏感膜片的電阻會(huì)發(fā)生變化，電橋也會(huì)失去平衡。在這種情況下，利用歐姆定律就可以計(jì)算出傳感器實(shí)際承受的壓力值。這個(gè)過程應(yīng)用的電阻變化數(shù)學(xué)公式為：

其中，ΔR/R代表壓敏電阻變化率，π1π2代表橫縱壓阻系數(shù)，σ1σ2代表橫縱應(yīng)力。除此之外，還要對(duì)傳感器未受到壓力的變化情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，并依據(jù)公式來計(jì)算出傳感器的輸出電壓。

2.2 敏感膜片設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)

敏感膜片是傳感器的重要組成部分，是傳感器中唯一能夠被直接檢測(cè)的部件，該部件在實(shí)際設(shè)計(jì)研發(fā)中以硅微加工技術(shù)、鍵合技術(shù)、LIGA技術(shù)和準(zhǔn)分子激光技術(shù)為主要的設(shè)計(jì)方式。本文中主要采取硅微加工技術(shù)來對(duì)敏感膜片進(jìn)行設(shè)計(jì)。敏感膜片的設(shè)計(jì)具體分為選擇襯底、單晶硅處理、刻蝕有源標(biāo)記、覆蓋保護(hù)膜、形成腔體、壓敏電阻條、清洗、沉積、電極板、光刻、降低厚度等步驟，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要嚴(yán)格保證每一步驟都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，還要盡量避免受到污染和損壞，影響敏感組件的性能。

傳感器中應(yīng)用的轉(zhuǎn)換元件，實(shí)質(zhì)上就是壓敏電阻，因而在對(duì)轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最主要的就是要依據(jù)傳感器的測(cè)量原理，對(duì)摻雜的類型和濃度進(jìn)行選擇，并保證電橋設(shè)計(jì)成開環(huán)形式，才能夠更好的保證轉(zhuǎn)換元件發(fā)揮作用。

2.3 信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

傳感器在實(shí)際工作中主要是將檢測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再按照檢測(cè)的需求進(jìn)行輸出，用以滿足物體的檢測(cè)需要。信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的作用主要是將傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制，提高信號(hào)的轉(zhuǎn)換和輸出質(zhì)量。在對(duì)傳感器中的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如圖1所示，不僅要盡量保證系統(tǒng)線路的運(yùn)行安全，還要能夠盡量保證傳感器內(nèi)部各個(gè)零部件的正常運(yùn)行。

圖1 自動(dòng)化測(cè)量傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖

2.4 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

傳感器是微機(jī)械電子系統(tǒng)中的一部分，在實(shí)際應(yīng)用中，需要與其他裝置連接起來，才能夠更好的發(fā)揮其價(jià)值。因而在對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還要重點(diǎn)關(guān)注傳感器接口電路的設(shè)計(jì)是否合理。在對(duì)傳感器的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，基于每個(gè)具體的接口電路的使用功能不同，接口電路的設(shè)計(jì)方式也存在著一定的差異。以本文設(shè)計(jì)中的壓力傳感器為例，該傳感器在設(shè)計(jì)中主要涉及到的接口共14個(gè)，主要包括接地、電路公共接地端電壓、接入電路電壓等14個(gè)不同的功能，因而在對(duì)傳感器的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也要充分考慮到這些不同功能會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)造成的影響。

2.5 傳感器性能檢測(cè)

本文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)化檢測(cè)傳感器類型為壓力傳感器，因而在對(duì)傳感器的精度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要應(yīng)用的是萬能壓力測(cè)試機(jī)。將傳感器放置在測(cè)試機(jī)壓板的正下方，調(diào)節(jié)測(cè)試機(jī)的壓力值，對(duì)傳感器在不同壓力值下產(chǎn)生的實(shí)際壓力值進(jìn)行差值計(jì)算，用以檢驗(yàn)傳感器的精度。

在對(duì)傳感器的可靠性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要需要檢測(cè)傳感器接口的質(zhì)量和密封情況，對(duì)可靠性進(jìn)行檢測(cè)的主要目的，就是檢查傳感器在實(shí)際應(yīng)用中是否會(huì)產(chǎn)生漏氣或漏電的現(xiàn)象。可靠性的檢測(cè)主要依據(jù)的是壓力測(cè)漏儀和兆歐表。

在對(duì)傳感器的靈敏度、非線性度以及遲滯性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要分別對(duì)傳感器在應(yīng)用中產(chǎn)生的壓力變化量、電壓輸出變化量、測(cè)量值曲線與壓力曲線的擬合偏差等數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，在得出具體的數(shù)值之后，將其與傳感器規(guī)定的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，就可以完成對(duì)傳感器質(zhì)量和性能的檢測(cè)?，F(xiàn)階段，傳感器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于社會(huì)生活的多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，不僅是現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展要求，同時(shí)也是滿足人們生活需求的重要途徑。