（农业电气化与自动化专业论文）低电压低功耗土壤湿度传感技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 图表目录 图2 1 湿敏元件的感湿特性曲线图9 图2 2电容型土壤湿度传感器结构示意图“1 l 图2 3电容型土壤湿度传感器俯视图“1 2 图2 4 电阻型土壤湿度传感器结构示意图1 2 图2 5 离子敏型土壤湿度传感器结构示意图13 图2 6电容型土壤湿度传感器z c 的等效形式及测量微分电路图1 3 图2 7 电阻型土壤湿度传感器简化电路和等效电路图一1 5 图2 8 土壤湿度转换流程图“17 图3 15 5 5 定时器构成多谐振荡器图2 0 图3 25 5 5 定时器矩形脉冲信号图2 1 图3 3多谐振荡器信号转换电路图”2 2 图3 4当r 1 增大时的功耗图2 3 图3 5电压倍增电路图2 4 图3 6 基于5 5 5 定时器的低电压低功耗信号转换电路图2 4 图3 7 基于5 5 5 定时器的信号转换电路各部分功耗仿真图一2 5 图3 8 基于5 5 5 定时器的信号转换电路的电池v l 功耗仿真波形图2 5 图3 9 基于5 5 5 定时器的信号转换电路各部分功耗仿真波形图- 2 5 图3 1 0 运算放大器电路图2 6 图3 1 l 基于运算放大器的信号转换电路图2 7 图3 1 2 基于运算放大器的功耗仿真图一2 9 图3 1 3 基于运算放大器的信号转换电路的电池v l 功耗仿真波形图3 0 图3 1 4 基于运算放大器的信号转换电路电池v 卜v 2 、v 3 功耗仿真波形图3 0 图3 1 5 电阻在线测量原理图- 3 l 图3 1 6 电阻在线检测电路实际电路图3 2 图3 1 7 电阻在线检测电路p s p i c e 仿真图3 2 图3 1 8 基于电阻电压的信号转换电路功耗仿真图3 3 图3 1 9 基于电阻电压的信号转换电路的电池v 7 功耗仿真波形图3 3 图3 2 0 基于电阻电压的信号转换电路的功耗仿真波形图3 3 图4 1实验平台系统框图一3 6 图4 2 基于l m 2 9 1 7 的频率电压转换电路3 7 图4 3简易低功耗升压电路原理图”3 8 图4 4 模拟信号预处理框图3 9 江苏大学硕士学位论文 图4 5电容频率印刷电路板布局图4 l 图4 6电容频率p c b 图4 1 图4 7电容频率印刷电路板实物图4 2 图4 8 土壤湿度传感器特征曲线4 4 图4 9 线性模型拟合图4 6 图4 1 0 二次函数模型拟合图_ 4 7 图4 1l 三次多项式函数模型拟合图4 8 图4 1 2 拟合曲线对照图4 8 图4 13t d r 3 型土壤水分传感器5 0 表1 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表4 1 表4 2 表4 3 常见型号土壤湿度传感器的性能特点及单价表4 5 5 5 定时器功能表2 0 当r 1 阻值为定值、变化r 2 阻值时的功耗表2 2 当r 2 阻值为定值、变化r 1 阻值时的功耗表2 3 当r 6 与r 7 阻值为定值时、变化r 8 阻值时的功耗表2 8 当r 7 阻值为定值时、改变r 6 阻值时的功耗表2 8 当r 6 阻值为定值时、改变r 7 阻值时的功耗表2 9 三种不同类型的信号转换电路各自工作电压与功耗比较表3 5 称重法测量记录表4 3 试验测量数据对应关系表4 3 测量结果对照表。5 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名： 商丽厕p 签字日期：辟莎月分日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 工 ， 豁m 覆年 ，仍y秽 名 期 签 日 师 字 导 签 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：雨翮调f 1 日期：2 0 0 8 年5 月8 日 江苏大学硕士学位论文 外已有很多生产厂家。在国内，自上个世纪6 0 年代初第一只土壤湿度传感器问世 以来【i6 】，至今已有很多家研究单位和生产厂家，共有几十种产品。但总的看来， 国内湿敏元件和土壤湿度传感器虽然在研制水平方面与国际先进水平相差不多， 但其在宏观生产规模、应用范围和产品商业化程度等方面，则和发达国家差距甚 远。因此加速研制开发各种可靠、价廉、使用方便的通用土壤湿度传感器是发展 我国土壤湿度传感器的首要任务。 为了得到精确的土壤湿度值，首先要求有性能良好的湿度敏感器件。湿度敏 感器件是基于其功能材料能发生与湿度有关的物理反应或化学反应的基础上制 造的，它具有可将湿度物理量转换为电信号的功能。这些功能可以通过与湿度有 关的电阻或电容的变化、长度或体积的胀缩、以及结型器件或m o s 器件的某些 电参数的变化，诸如p n 结反向漏电流、m o s 器件的沟道电阻等来得到实现。 目前市场上常用的土壤湿度传感器有如下几种型号：d t s 1 土壤湿度传感 器、p h1o o i u m l 土壤湿度传感器、g a r d e n a ( 嘉丁拿) 土壤湿度传感器、x q t r 精密土壤湿度传感器、f d r 精密土壤湿度传感器、s i n t e k 4 土壤湿度传感器、 i t t r 型土壤湿度传感器等。其特性讨论简单如下： d t s 1 型土壤湿度传感器，可根据需要安装在不同深度或部位，随时监测土 壤中水分含量分布状况。其体积小、重量轻、测量速度快、操作简便、测量时不 破坏土壤结构，能进行远距离测量【1 7 】。 p h l o o h u m l 型土壤湿度传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤湿度的 传感器。具有安装简单、可水平及垂直放置、精度高、功耗低、体积小巧、便于 携带等突出特点。但由于敏感元件长期暴露在一些化学物质中，可能改变它的性 能，缩短其使用寿命，应及时更换。 g a r d e n a ( 嘉丁拿) 土壤湿度传感器的工作原理为毛细管作用，当土壤干燥 时，水分从陶瓷传感器往外蒸发，低压升高；当土壤潮湿时，陶瓷传感器就吸入 水分，低压降低。由控制按钮设定所需要的湿度水平，用在花箱浇水时设置自动 操作，尤其方便。 x q t r 型和f d r 型精密土壤湿度传感器，具有操作简便、可直接连接到手 持仪表或数据采集器、而且材料环保、全密封、可长期埋设在地下任意深度、 作连续测量等优点，但工作电压较高，售价贵。 3 江苏大学硕士学位论文 s i n t e k 4 土壤湿度传感器和l t t r 型土壤湿度传感器，目前市场价格也比 较昂贵，很难推广进行大面积使用。 以上各种型号的土壤湿度传感器的性能特点及单价如表1 1 所示： 表1 1常见型号的土壤湿度传感器的性能特点及单价表 相对工作电压单价 型号温度范围 精度 湿度 ( d c )( r m b ) d t s 1 型o 4 0 l 9 5 l 9 v5 0 0 p h l 0 0 h u m l 型 0 6 5 1 9 9 士1 5 5 18 v6 8 0 g a r d e n a 型 o 5 5 1 9 9 士1 7 5 18 v3 2 9 x q t r 型f d r 型 1 0 8 0 l 9 9 殳3 1 2 v 2 4 v4 2 9 0 士9 v 、 s i n t e k 4 型 0 5 0 0 1 9 9 土2 8 9 0 士1 2 v i t t r 型叽8 0 1 9 9 士2 1 2 18 v 2 2 0 0 从表1 1 可以看出，目前市场上使用的各类土壤湿度传感器难以满足温室无 线传感网络技术的要求，且价格较昂贵，大大增加了使用成本，造成资源浪费。 因此上述几种土壤湿度传感器还不符合低电压低功耗的要求，而无线传感网络技 术需要的低电压低功耗的土壤湿度传感器市场上还没出现，因此迫切需要研制低 电压低功耗的土壤湿度传感器来解决问题。同时，随着科学技术的发展，要求土 壤湿度传感器向微型化和集成化方向发展【l8 1 ，同时要求传感器抗污染、长寿命， 对环境湿度的控制将直接影响产品质量和产品的成败问题，因此，随着工业、农 业、国防、科技及整个国民经济的迅猛发展，对环境湿度的控制和检测越来越受 到人们的重视，市场需求也越来越大。 1 2 2 土壤湿度传感器种类 经过半个多世纪的发展，土壤湿度传感器已经种类繁多、形式多样。湿度的 测量具有一定的复杂性，人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现 代要求的实际需要。因此，人们研制了各种土壤湿度传感器。湿度传感器按照其 测量的原理，一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波型等， 4 江苏大学硕士学位论文 本文主要介绍了常见的电容型、电阻型、离子敏型土壤湿度传感器。 1 2 2 1 电容型土壤湿度传感器 电容型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为金属氧化 物、高分子聚合物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环 境湿度的变化而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生 变化，电容器的电容值也就发生变化。把电容值的变化转变为电信号，就可以对 湿度进行监测。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生改变 时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相 对湿度成正比，利用这一特性即可测量湿度。常用的电容型土壤湿度传感器的感 湿介质主要有：多孔硅、聚酞亚胺，此外还有聚砜( p s f ) 、聚苯乙烯( p s ) 、p m m a ( 线 性、交联、等离子聚合) 【1 9 2 3 1 。 为了获得良好的感湿性能，希望电容型土壤湿度传感器的两级越接近、作用 面积和感湿介质的介电常数变化越大越好，所以通常采用三明治型结构的电容土 壤湿度传感器。它的优势在于可以使电容型土壤湿度传感器的两级较接近，从而 提高电容型土壤湿度传感器的灵敏度。 1 2 2 2电阻型土壤湿度传感器 电阻型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介 质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强，吸附水分后电阻率电导 率会随湿度的变化而变化，这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化，电阻值 的变化就可以转化为需要的电信号。例如，氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜， 随着空气中水蒸气含量的增减，薄膜吸湿脱湿，溶液中的盐的浓度减小、增大， 电阻率随之增大、减小，两级问蠹型鲁戡搿戮， x 江苏大学硕士学位论文 膨胀性吸湿高分子中制成湿敏膜。随湿度变化，膜发生膨胀或收缩，从而使导电 粉末间距变化，电阻随之改变。但是这类传感器长期稳定性差，且难以实现规模 化生产，所以应用较少。离子导电型土壤湿度传感器，它是高分子湿敏膜吸湿后， 在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移率增加，同时吸附的水分子电离使离 子载体增多，膜电导随湿度增加而增加，由电导的变化可测知环境湿度，这类传 感器应用较多。在电阻型土壤湿度传感器中通过使用小尺寸传感器和高阻值的电 阻薄膜，可以改善电流的静态损耗。 1 2 2 3 离子敏型土壤湿度传感器 离子敏场效应晶体管( i o ns e l l s i t i v ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，i s f e t ) 属于半导体 生物传感器，是上个世纪七十年代由p b e r g 、，e l d 发明的。i s f e t 通过栅极上不同 敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子缓冲溶液接触，进而可以测出溶液中的离子 浓度。 离子敏场效应管( i s f e t ) 兼有电化学与m o s f e t 的双重特性，与传统的离子 选择性电极( i s e ) 相比，i s f e t 具有体积小、灵敏、响应快、无标记、检测方便、 容易集成化与批量生产的特点。但是，离子敏场效应管( i s f e t ) 与普通的m o s f e t 相似，只是将m o s f e t 栅极的多晶硅层移去，用湿敏材料所代替【2 8 】。当湿度发生 变化时，栅极的两个金属电极之间的电势会发生变化，栅极上湿敏材料的介电常 数的变化将会影响通过非导电物质的电荷流【2 9 】。 因此，i s f e t 在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境 检测等领域有广阔的应用前景。 1 3 课题来源、研究意义和研究内容 本课题来源于国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划项目“温室新型变结构自组 织无线传感网络测控系统研究( 2 0 0 6 a a l o z 2 5 8 ) ”。 在国内，以低电压低功耗土壤湿度传感器为节点的无线传感器网络在温室等 农业设施中具体应用，尚未见报道。低电压低功耗土壤湿度传感器应用研究才刚 刚起步，目前处于试验阶段，并没有开发出完整的、适合无线传感器网络特点的 低电压低功耗土壤湿度传感器。 随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术的 6 江苏大学硕士学位论文 飞速发展和同益成熟，出现了具有感知、计算、处理和无线通信能力的微型传感 器，从而带动无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t 、o r k ，w s n ) 技术的发展。无线传 感器网络技术是2 1 世纪最有影响的2 1 项技术之一，是改变世界的十大技术之一， 是全球未来三大高新科技产业之一。无线传感网络技术可为智能温室测控系统服 务，而土壤湿度传感器是无线传感网络技术的一个重要节点。此节点如果在使用 电池作电源的情况下，可降低能耗、延长工作时间、增加设备的有用性，从而延 长了整个测量系统的工作寿命、增加了设备的工作时间。 过去，无论是考虑到极度复杂的制作工艺，还是加工所需的高昂成本，都使 得采用c m o s 的低功耗电路设计及其应用只能局限在电子表、袖珍计算器、起博 器以及一些集成传感器这样的对低功耗要求极为苛刻的产品。时至今同，低功耗 设计己经成为所有高性能电子设备所必须遵循的规范，因为功耗是影响设计的重 要因素之一。随着现代通信设备对电能的使用程度与日俱增，低功耗设计也与日 益提高的全球性环境保护意识直接联系起来，因此，功耗也就成为集成电路最为 重要的设计和性能参数之一。尽管动态功率主要取决于电源电压、杂散电容和工 作频率，但总电源电压的影响还是居于主导地位，伴随着总电源电压的降低，电 路的功耗也会大幅度减小3 0 3 3 1 。 本文在现有土壤湿度传感器的研究基础上设计了一种低电压、低功耗土壤湿 度传感器，提出了一种新的土壤湿度测量方法，达到了电压低、功耗小，从而达 到了降低能耗、延长测量设备的工作寿命等目的，为无线传感网络技术、温室测 控系统、农业节水灌溉等开辟了新的道路。这项研究对于我国土壤湿度传感器性 能的提高和发展具有重要的意义，而且能够满足智能温室测控系统开发的需要， 会对提升我国的社会经济效益以及国民经济实力具有深远的意义。 本文具体研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章论述了本文的研究背景和必要性，介绍了土壤湿度传感器的国内外研究 现状及种类，确定了以低电压、低功耗土壤湿度传感器的设计为本文 的研究重点，最后对本课题内容做了安排。 第二章研究了土壤湿度传感器的主要参数以及几种常见类型的结构模型和等 效形式，并提出了设计方案与研究步骤。 第三章根据设计方案，本章设计了三种不同类型的低电压低功耗土壤湿度传感 7 江苏大学硕士学位论文 第二章土壤湿度传感器模型分析与选择 2 1 土壤湿度传感器的主要参数 土壤湿度传感器的主要特性参数有量程、相对湿度特征曲线、灵敏度湿敏、 湿度温度系数、响应时间、滞回特性等【3 4 1 。具体如下； 1 ) 保证一个湿敏期间能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范 围，称为这个湿敏元件的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想 的湿敏元件的湿度量程应当是o 1 0 0 r h 。 2 ) 每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。湿 敏元件的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线，称为该元件的相对湿度特 征曲线，简称感湿特性曲线。人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的，曲线 各处斜率相等，即特性曲线呈直线。斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低； 斜率过大，稳定性降低，这都会给测量带来困难。 一般而言，希望相对湿度特征曲线应当在全量程上是连续并呈线性关系，如 图2 1 所示为电阻随相对湿度变化的特性曲线。其中实线为理想情况的特性曲线， 是满量程测量且为线性，虚线为一般情况，相对理想情况，量程范围窄且仅接近 于线性。 、 c ： 龋 一， 应 删 0 6 0 5 0 0 2 04 06 08 0 相对湿度( r h ) 图2 1湿敏元件的感湿特性曲线 对于实际情况，引入线性度的概念。线性度是指所选定的拟合曲线和响应曲 线之间的最大偏差。线性度好坏影响着传感器的电路设计和测量精度。 9 江苏大学硕士学位论文 用寿命长，受温度影响小，线性重复性好，灵敏度高，迟滞误差小，响应速度快， 且有比较好的互换性。 2 2 土壤湿度传感器选择 2 2 1 土壤湿度传感器结构模型 图2 2 为常见的电容型土壤湿度传感器的结构示意图，交叉指状的铝条构成 了电容器的两个电极，每个电极有若干铝条，每条铝条长4 0 0 岬，宽8 岬，铝条 间有一定的间距。铝条及铝条间的空隙都暴露在空气中，这使得空气充当电容器 的电介质。由于空气的介电常数随空气相对湿度的变化而变化，电容器的电容值 随之变化，因而该电容器可用作湿度传感器。多晶硅的作用是制造加热电阻，该 电阻工作时可以利用热效应排除沾在湿度传感器表面的可挥发性物质【3 引。上述电 容型土壤湿度传感器的俯视图如图2 3 所示。 l_-_- 图2 2 电容型土壤湿度传感器结构示意图 铝 场栅 多晶硅 硅衬底 饧园臣；口 江苏大学硕士学位论文 图2 3 电容型土壤湿度传感器俯视图 电阻型土壤湿度传感器结构模型示意图如图2 4 所示。会属层1 作为连续的电 极，它与另一个电极是隔丌的。活性物质被淀积在薄膜上，用来作为两个电极之 间的连接，并且这个连接是通过感湿传感层的，湿敏薄膜则直接暴露在空气中， 在金属层2 上挖去一定的区域直到金属层1 ，用这些区域作为传感区。金属层和 金属层2 只是作为电极，它们之问是没有直接接触的。整个传感器是山许多这样 的小单元组成的。根据传感器所需的电阻值的不同，小单元的数目是可以调节的。 因为两个电极之问的连接只能在侮个小单元中确定，所以整个传感器的构造可以 看成是一系列的平行电阻。 。+ 1 。1 。 厂 厂i 一r _ 1f i 厂、寸7 矗爿白i 7 小单元格 图2 4 电阻型土壤湿度传感器结构示意图 离子敏型土壤湿度传感器结构模型示意图如图2 5 所示。离子敏感器件由。 子选择膜( 敏感膜) 和转换器两部分组成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转 换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应管在绝缘栅上制作一层 敏感膜，不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。 ；l；：tl：l，if；i；wr 江苏大学硕士学位论文 栅电极 | o _ 1 口 敏感材料 栅 f 一o 口 图2 5 离子敏型土壤湿度传感器结构示意图 2 2 2 土壤湿度传感器等效形式 2 2 2 1 电容型土壤湿度传感器等效形式 电容型土壤湿度传感器在测量过程中，就相当于一个微小电容，对于电容的 测量，主要涉及到两个参数，即电容值c 和品质参数q 。土壤湿度传感器并不 是一个纯电容，它的等效形式如图2 6 虚线部分所示，相当于个电容和一个电 阻的并联。 r f c x 、一l 一八 矽 广一。1 一 尺j 厂弋。 二卜 士 图2 6电容型土壤湿度传感器z c 的等效形式及测量微分电路图 土壤湿度传感器的单元测量微分电路由湿度传感器z c 与反馈电阻厮构成了 一个有源微分电路。输入信号k n 在经过该电路后受反馈电阻和土壤湿度传感器 的影响形成输出电压圪m ，由图2 6 中虚线部分湿度传感器的等效形式可知： 士：+ 善 ( 2 2 ) z cr x x c 。 江苏大学硕士学位论文 由图2 6 可知： 将式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 可得： 设： 圪埘= 圪+ 圪 由式( 2 4 ) 可知： 由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可知： 由于： 。一净 。一( 去妻) 圪u 。的实部： 圪m 的虚部： 圪一r 圪k d ：旦 x c ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 可知： q = 毒 ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可知：品质因数q 的值为微分电路输出的复数电压虚部和实部的 比值。所以对q 值的测量就转换成对微分电路输出的复数电压虚部和实部的测 量。 2 2 2 2电阻型土壤湿度传感器等效形式 根据高分子薄膜电阻型湿度传感器的物理结构及高分子材料的感湿机理，可 将电阻型湿敏元件的电路等效为一个电阻和电容并联或串联的模型，如图2 7 所 示。 1 4 吩一风 b 一以 一 一 = = 江苏大学硕士学位论文 等效 c o凡 r 一1 卜 二) l 奎j2 ，电阻型土壤湿度儒懋蠢问化吧蛤和寺双吧蛤图 实际上，图2 7 中的两种等效方法是一致的，不同的是，采用右图可以直接 得到传感器阻抗的实部和虚部，即传感器的电阻与电容分量【3 6 1 ，其等效转化如下： z o = f 基 ( 2 1 0 ) r = 丽 ( 2 1 1 ) c o = 等警 ( 2 1 2 ) c o2 t 五矿z j ( 2 1 3 ) 式中，r o 和c o 分别是湿度传感器等效成串联模型时的电阻分量和电容分 量；z o 是串联模型时的复阻抗；iz oi 为复阻抗的模。 2 - 2 - 3 三种土壤湿度传感器的比较分析 通过对三种土壤湿度传感器的研究可知：电容型土壤湿度传感器是由交叉指 状铝条构成电容器的电极，利用空气充当电容器的电介质，随空气相对湿度的变 化其介电常数发生变化，电容器的电容值也将随之变化，所以该电容器可用作土 壤湿度传感器；电阻型土壤湿度传感器是由通过感湿传感层的两个电极构成的许 多小单元组成，利用小单元的数目改变，使电阻值发生变化，所以可用作土壤湿 度传感器；离子敏型土壤湿度传感器由敏感膜和转换器两部分组成，利用敏感膜 来识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号，因此也 可作为土壤湿度传感器。同时根据对三种不同类型的土壤湿度传感器结构示意图 研究发现：由于多孔硅与c m o s 工艺不兼容，并且多孔硅制备的工艺条件及后 处理、孔隙及孔径大小的控制很困难，同时多孔硅的感湿机理比较复杂，因此 1 5 江苏大学硕士学位论文 c m o s 湿度传感器的主要感湿介质以聚酞亚胺为主。聚酞亚胺类的传感器可与 c m o s 工艺兼容，成本也较低，并且无需高温加工和加热清洁，它对湿度的感应 不像多孔陶瓷易受污染。而若用c m o s 工艺生产电阻型湿度传感器和离子敏型 湿度传感器，它们需要改动较多c m o s 的工艺。例如：改变生产过程的先后顺 序，使用新的掩膜板等，这些都会耗费大量的流片资金【3 7 】；并且与标准的c m o s 工艺相比，工艺较不成熟，增加了流片的风险性；同时它们存在着难与外围电子 封装在一起的困难。 另外，电容型湿度传感器( c h s ) 由于感应相对湿度范围大，并且结构与等 效形式较简单，生产过程较容易，因此对它的研究受到了广泛重视。因此本论文 选择以梳状铝电极结构的聚酞亚胺作为电容型土壤湿度传感器的感湿介质【3 8 】。 它的优点主要是可与c m o s 工艺相兼容，可利用成熟的标准c m o s 工艺来加工， 且加工工艺较简单，所以能够把更多的器件( 敏感器件或外围的电路器件) 集成在 同一块芯片上或封装在一起，使土壤湿度传感器具有更好的性能或更多的功能。 同时有利于使土壤湿度传感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向 发展。 综上而述，电容型土壤湿度传感器无论是在结构模型还是在制作加工工艺等 方面都存在明显的优点，满足实际生产需要。 2 3 研究方案与步骤 为了达到低电压低功耗土壤湿度传感器的设计要求，最关键的是设计低电压 低功耗的信号转换电路。本文将设计三种不同类型的信号转换电路，分别比较各 自的工作电压、电路功耗，从而确定选择工作电压既低电路功耗又小的电路作为 信号转换电路。 实验过程中通过烘干称重法得到若干种土壤样本的土壤湿度值；然后将湿敏 元件插入每块待测土壤的土壤样本中，此时电容式湿敏元件产生湿度感应信号， 通过c f 信号转换电路把湿敏元件的电容信号转换成频率信号，再由f 转换电 路将频率信号转换为电压信号，通过单片机可以得到此时的输出电压值；最后将 土壤湿度值与电压输出值选用适当的拟合方法，归纳得到相应的数学模型，从而 可以根据测量输出的电压值计算出此时的土壤湿度值。 1 6 江苏大学硕士学位论文 土壤湿度转换流程图如图2 8 所示。 待测土壤 一专一一一一一一一一一一 湿敏元件 j r 信号转化电路 土壤： 、。目i c 碰，曼! f v 变换 传感器； 一十一一一一一一一一j 数据采集 i 电雎值 数学模型 图2 8 土壤湿度转换流程图 根据图2 8 的设计流程框图，实验研究流程可按如下步骤进行： 1 ) 首先分别比较了电容型、电阻型、离子敏型土壤湿度传感器的结构 模型、感应介质、加工工艺以及与外围电子电路封装的难易度等方 面的优缺点，确定了本论文选择以梳状铝电极结构的聚酞亚胺作为 电容型土壤湿度传感器的感湿介质。因为它不但可与c m o s 工艺相兼 容，加工工艺较简单，而且能够把更多的敏感器件或外围电路器件 集成在同一芯片上，使土壤湿度传感器的性能更多更优；同时也有 利于使土壤湿度传感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等方 向发展； 2 ) 本文选择了5 5 5 定时器型、运算放大器型、电阻电压型三种具有代表 性的信号转换电路来进行理论研究。设计过程中通过p s p i c e 电路仿 真软件来仿真分析每一电路各自的功耗，并比较各自的工作电压以 及电路功耗大小，从而确定低电压低功耗土壤湿度传感器的信号转 换电路； 1 7 江苏大学硕士学位论文 3 ) 为了进一步实验需要，通过理论研究结果，将上述三种信号转换电 路制作成印刷电路板，并调试电路，为实验提供了必要的硬件设备， 设计过程中应充分考虑印制电路板的抗干扰等难点问题； 4 ) 在实验所需的信号转化电路印刷电路板制作完成之后，还必须选择 合适的湿敏元件来组成完整的土壤湿度传感器以供实验所需。实验 过程中应使得相应的湿敏元件不但与待测土壤有良好的传感作用， 而且要与p c b 板有良好的接触，这样才能准确的测量待测土壤的湿 度值； 5 ) 实验前应准备若干种不同湿度品质的土壤样本，通过烘干称重法实 验得到这些土壤样本的土壤湿度值，并做好记录；然后通过设计的 土壤湿度传感器测量这些土壤样本的土壤湿度，并通过单片机数据 采集系统得到相关的电压值，并记录相关数据。为了得到本文设计 的土壤湿度传感器的准确度与精确度，本文选用辽宁省锦州市阳光 科技发展有限公司生产的t d r 3 型土壤水分传感器做对比实验； 6 、) 为了更直观的得到测量数据，本文通过几种数据拟合方法的比较， 确定选择三次多项式函数模型拟合上述得到的土壤湿度值与电压输 出值，建立二者的数学关系方程式( 数学模型) 。当单片机读出输 出的电压值时，由图中对应关系可以得知此时的土壤湿度值。 2 4 结论 本章介绍了土壤湿度传感器的主要参数，并通过研究几种不同种类的土壤湿 度传感器的模型结构和等效形式发现：电容型湿度传感器( c h s ) 由于感应相对 湿度的范围大，并且结构与其等效形式较简单、可与c m o s 工艺相兼容，可利用 成熟的标准c m 0 s 工艺来加工，且加工工艺较简单，因此对它的研究受到了广泛 重视。本章最后给出了土壤湿度转换流程图，并简述了本文的研究方案与步骤， 为进一步的实验研究奠定了基础。 江苏大学硕士学位论文 v c 2 3 v c c l 3 v c c o v o o 图3 25 5 5 定时器矩形脉冲信号 脉冲信号的频率为： 厂2 志 ( 3 1 ) 根据式( 3 1 ) 可得 e 2 右 b 2 ， 3 2 1 2 低功耗信号转换电路设计 根据上述介绍以及为了达到低电压、低功耗的设计要求，选择由5 5 5 定时器 构成的多谐振荡器作为土壤湿度传感器的信号转换电路。首先设计5 5 5 定时 器的外围电路以达到低电压、低功耗的设计要求。 选择电路仿真软件p s p i c e ，对电路进行仿真，确定电路功耗最低时外围电路 的阻值大小。由5 5 5 定时器构成的多谐振荡器信号转换电路如图3 3 所示。 2 l 江苏大学硕士学位论文 v c 2 3 v c c l 3 v c c o v o o 图3 25 5 5 定时器矩形脉冲信号 脉冲信号的频率为： 厂2 志 ( 3 1 ) 根据式( 3 1 ) 可得 e 2 右 b 2 ， 3 2 1 2 低功耗信号转换电路设计 根据上述介绍以及为了达到低电压、低功耗的设计要求，选择由5 5 5 定时器 构成的多谐振荡器作为土壤湿度传感器的信号转换电路。首先设计5 5 5 定时 器的外围电路以达到低电压、低功耗的设计要求。 选择电路仿真软件p s p i c e ，对电路进行仿真，确定电路功耗最低时外围电路 的阻值大小。由5 5 5 定时器构成的多谐振荡器信号转换电路如图3 3 所示。 2 l 江苏大学硕士学位论文 7 0 图3 3 多谐振荡器信号转换电路 对于图3 3 的多谐振荡器信号转换电路，确定尺l 、r 2 的阻值( 实际电路设计 中电阻阻值均小于2 0 0 k q ) ，使得电路的功耗达到最小，可作如下2 个假设： 1 ) 假设尺l 阻值为定值5 0 k q ，变化尺2 阻值大小，用p s p i c e 软件仿真图3 3 电路， 得到表3 2 关系： 表3 2当r l 阻值为定值、变化尺2 阻值时的功耗表 r i ，w 1 ( k 剑p w ) r 2 厂w 2 ( k 剑p w )w ( m w ) 5 0 1 8 0 7o 0 1 3 4 2 8 f w7 5 1 5 5 0 1 8 0 70 1 3 4 2 8 聊7 5 1 5 5 0 l8 0 71 0 3 4 2 87 5 1 5 5 0 1 8 0 85 0 1 7 1 47 5 1 5 5 0 1 8 0 910 0 3 4 2 87 5 1 6 5 0 1 8 1 01 5 0 5 1 4 27 5 1 6 5 0 1 8 1 12 0 0 6 8 5 67 5 1 6 通过表3 2 可知：尺l 阻值选定时，尺2 的功耗很小( 可忽略不计) ，r 2 阻值的 变化对电路功耗变化的影响几乎为零。 2 ) 假设尺2 阻值为定值l o ok q ，变化尺l 阻值的大小，用p s p i c e 软件仿真图3 3 电路，得到表3 3 关系： 江苏大学硕士学位论文 表3 3当r 2 阻值为定值、变化r l 阻值时的功耗表 r l 朋l r 2 ，w 2 ( k 剑p w )w ( m w ) l o q 6 3 7 3p w1 0 0 1 3 2 8n w4 6 9 9 10 0 q 6 2 5 3m wl0 0 2 5 7 3n w4 6 1 0 1k q 9 0 6 0m w1 0 0 3 5 2 8p w 2 9 o o 1 0k 剑9 0 5 1 “wl o o 3 4 6 2p w 9 2 7 0 5 0k q 1 8 0 9p w l o o 3 4 2 8p w7 5 1 6 1 0 0k 剑9 0 4 4p w 1 0 0 3 4 1 4p w7 2 7 9 1 5 0k q 6 0 2 8 “w1 0 0 3 4 0 5p w7 1 9 4 2 0 0k 纠4 5 2 1 “w1 0 0 3 4 o op w7 1 4 8 通过表3 3 可知，尺2 的功耗很小( 可忽略不计) ，随着r l 的增大，电路的总 功耗逐渐降低，如图3 4 所示。 r 1 暇q ) 图3 4r 。增大时的功耗图 综上两个仿真可知：实际电路设计应用过程中，为使得多谐振荡器信号转换 电路的功耗最小，选择r l = 2 0 0k q ，r 2 = 1 0 0k q ，此时总功耗w = 7 1 4 8m w 。 3 2 1 3 低电压设计 5 5 5 定时器产品有双极型和单极型两种，常用的为双极型5 5 5 定时器，其电 源电压在4 5 1 8 v 之间。为了达到低电压的设计要求，让5 5 5 定时器正常工作， 必须设计一个电压倍增电路，将1 5 v 电压升至4 5 v ，根据电路设计原理，设计的 倍增电路如图3 5 所示，运算放大电路选择由美国模拟器件公司( a d i ) 推出的新 型低功耗低电压精密运算放大器( o 脚) a d 8 5 0 0 ，它满足了便携式电池供电应 0 5 0 5 d 5 d 5 0 5 0 5 4 4 3 3 2 2 l 1 譬膏 江苏大学硕士学位论文 w = w v l + w v 2 + w v 3( 3 3 ) 由功耗仿真波形图3 8 、图3 9 可知：w v l 很小，接近于零，可忽略不计， 即： w = w v 2 + w v 3 - - - - - 3 2 0 8 m w( 3 4 ) 仿真结果表明：本文设计的信号转换电路以为1 5 v ，v 2 、v 3 分别为+ 3 v 、3 v ， 总功耗为3 2 0 8 m w ，且由式( 3 1 ) 、式( 3 2 ) 可知本设计亦满足稳定性要求。 3 - 2 - 2 基于运算放大器的信号转换电路 运算放大器在电路中发挥重要作用，其应用已延伸到汽车电子、通信、消费 等领域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。选择运算放大器作信号转换电 路，可以使电容信号转换为频率信号，然后可根据单片机测得的频率变化计算出 电容值的大小，最后通过电容值与湿度值变化的对应关系来得到具体的湿度值。 3 2 2 1 设计运算放大器电路 在本设计中，我们选择由施密特电路和反相积分器电路组成的运算放大器电 路【4 引，如图3 1 0 所示，u 3 为施密特电路，u 4 为反相积分器，施密特电路和反相 积分器电路放大器均选择低功耗c m o s 运算放大器m a x 4 0 2 型。m a x 4 0 2 型放大 器是m a x i m 公司生产的低电压、低功耗、精密高速运算放大器，在整个工作电 压范围内其工作电流仅为l g a 。尽管功耗很低，却仍呈现出极佳的性能，使其在 电池供电系统、医疗仪器、静电计放大器、传感器等领域中获得广泛应用【4 4 1 。其 工作电压范围为：+ 2 5 v 计1 0 v 。 图3 1 0 运算放大器电路 图3 1 0 中，假定u 3 的输出v 0 1 达到正向饱和电压+ v 。，u 4 对这个电压进行积 分，u 4 的输出电压v 0 2 随着积分过程逐渐下降，u 3 的同相输入电压v r 是v 0 l 与v 0 2 2 6 江苏大学硕士学位论文 电压差，并经尺6 和尺7 分压后输入u 3 的同相端。因此，该输入电压是随的下降 而下降的。当其下降至t u 3 反相输入端电压的接地电位时，输出l 跳变到负向饱 和电压k 。与此同时，绦也变成负值，这种状态是稳定的。当u 4 对v o i ( 一k ) 电压进行积分时，2 电压开始上升，绦也随之上升。当垛上升到接近地电位时， u 3 输出g o l 再次返回到+ 圪。重复上述过程，贝j j u 3 输出为方波，u 4 输出为三角波。 电路的振荡频率为： 厂= 去 b 5 ， 图3 1 0 设计的由运算放大器组成的信号转换电路在p s p i c e 仿真软件中可表示 为如图3 11 所示。 一、与 3 v d c t u 3一i i 2h 、 1 ； o 弋芝i r 82 i 尸如 1 5 、，廿c o 妒。 钝1 r v v 6 、南2 3 多冷焉 0 0 k 0 奔ip a a d n 9 3 lm 础4 0 2 寸j 寸 3 、出cj - 、而 t l 示 飘5 讹 硼0 y v “ 5 k 图3 1 1 运算放大器信号转换电路 3 2 2 2 设置参数 为了使得电路中的功耗最低，可以分别选取r 6 、尺7 、r 8 的阻值大小。可作如 下假设： 1 ) 假设r 6 、r 7 阻值不变，先改变r 8 阻值大小，用p s p i c e 仿真软件对图3 1 1 进 行仿真，得到功耗如表3 4 所示： 2 7 江苏大学硕士学位论文 表3 4当月6 与尺7 阻值为定值时、变化吠8 阻值时的功耗表 r s ( k q )w r 8 o 0 10 2 9 0f 、v o 12 8 9 8f 、 1 2 8 9 8f 、v 1 02 8 9 8 斜 l o o 2 8 9 7p w 2 0 02 9 9 3p w 由表3 4 可知，尺8 阻值大小的选取对电路功耗值影响不大，为了进一步研究 的需要，选定其阻值为1 0 0k f 2 。 2 ) 假设r 7 阻值不变( 初定为1 0 0k q ) ，改变尺6 阻值大小，通过p s p i c e 仿真软 件对图3 1 l 进行仿真，得到功耗如表3 5 所示： 表3 5当r 7 阻值为定值时、改变r 6 阻值时的功耗表 r 6 w 6 ( k f f 2 g w ) r 7 w 7 ( k q i t w ) r s w s ( k q p w ) 1 5 2 8 7 8 10 0 5 8 5 4 1o o 2 9 0 6 5 0 2 1 2 6l0 0 3 4 4 91o o 2 9 0 8 1 0 0 1 9 4 61 0 0 1 9 4 4 1 0 0 2 9 1 0 1 5 0 1 8 7 01 0 0 1 2 4 61 0 0 2 9 1 1 2 0 0 1 7 3 31o o 8 6 5 61 0 0 2 9 1 2 3 ) 假设尺6 阻值不变( 定为2 0 0k q ) ，改变火7 阻值大小，通过p s p i c e 仿真软件对图 3 11 进行仿真，得到功耗如表3 6 所示： 2 8 江苏大学硕士学位论文 表3 6 当风阻值为定值时、改变尺7 阻值时的功耗表 心w 6 ( k q 仙、聊r 7 w 7 ( k q w )r s w s ( k q p w ) 2 0 0 3 8 8 60 1 1 9 4 2n1 0 0 2 9 1 0 2 0 0 3 7 0 35 9 2 5 1n 1 0 0 2 9 1 0 2 0 0 3 5 3 0 1 0 1 7 6 4 “ 1 0 0 2 9 1 0 2 0 0 17 3 3 1 0 0 8 6 5 6p 1 0 0 2 9 1 2 2 0 0 9 7 6 6 2 0 0 9 7 4 8k t 1 0 0 2 9 1 3 由上述3 个假设可知：r 8 阻值的大小对电路的功耗影响较小；月6 随着阻值的 增加，自身的功耗逐渐减小；尺7 随着阻值的增加，自身的功耗逐渐增大。所以设 计电路时，在规定阻值范围内，尺6 宜取大，尺7 宜取小