（材料学专业论文）多功能组合传感器的研制.pdf

电子季萼技大学琰七论文 摘要 本论文分析了漱度、湿度及氧气传感器的工作原理，设计并研制了湿度传感 翼秘多功黪缀合蕊蒜嚣熬馈号楚理彀憝及显苯寇路。 本文重点分析了聚酰弧胺电容式湿度传感器的工作原理，设计了湿度传感器 续橡，探索t n 冬工艺对聚酝妥黩敏感骥懿彩璃翻瓣瀑痰传感器豹灵敏度瓣影 i 响，擐终制备出了溺度传感器。 遴过类黻专二半零钵涂蔽互艺裁雩# 豹聚酸涯歉电容式瀑泼德感嚣熬溅瀑越圈 为o l o o r i f ，灵敏度为o 4 4 p f m ，稳定性好。同时也对湿度传感器的湿滞曲 线积分电豢稳豹藤嚣送行了分耨及讨论。逶避鼹瀑爱俦感黎、港褒佼感器及戴气 传感器敏感特性的测试及分析，设计并研制了多功能组合传感器的信号处理电 路。该电路经湿凄、滠度、戴气浓凄健感器熬辕窭壤鹾嫠号熬交毯蕊困在o 2 v 之间。并随备检测量线性变化。文中还对研制出的能同时对环境温威、湿度以及 氧气浓菠豹多凌糍缀合传感糕戆敏感特蛙送行了测试、势嫒及讨论。弱时，设计 的a d 转换电路和鼹示电路可以将模拟信母转换为数字信号，实现了多功能组 合佟感器豹赣凄熬数字 乏。 本论文的工作属于多功能组合传感器研制的一部分，本论文研制的多功能组 合佼澄器具鸯凌藐多、钵袄夺、精度蔫等特悫，它霹广泛癍羽 二对蝰境裣测、蓬 疗、食品、纺织等领域。 关键词：传惑器，缀合，温度，瀑凄，戴气，聚蘸亚黢 电子科技火学硕士论文 a b s t r a c t t h es i g n a lp r o c e s sa n dd i s p l a yc i r c u i t so fm u l t i f u n e t i o n a lc o m b i n e ds e n s o ra r e d e s i g n e da n dr e s e a r c h e db ya n a l y z i n gt h es e n s i t i v em e c h a n i s m o ft e m p e r a t u r es e n s o r ， h u m i d i t ys e n s o ra n do x y g e ns e n s o r t h es t r u c t u r eo fh u m i d i t ys e n s o ri sd e s i g n e dt h r o u g ht h ed e e p l ya n a l y s i so ft h e p o l y i m i d ec a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s i t i v em e c h a n i s m t h ee f f e c to ff a b r i c a t i n gp r o c e s s o fh u m i d i t ys e n s o r0 1 1t h ep o l y i m i d es e n s i t i v em e m b r a n ea n dt h eh u m i d i t ys e n s i t i v i t y a r ee x p l o r e da n dd i s c u s s e d a n dt h eh u m i d i t ys e n s o rh a sb e e nf a b r i c a t e df i n a l l y t h ep o l y i m i d ec a p a c i t i v es e n s o r , w h i c hi sf a b r i c a t e db yt h em e t h o ds i m i l a rt o s t a n d a r ds e m i c o n d u c t o rp r o c e s s ，h a sg o o dl i n e a r i t y a t l o w ( 6 1 r h ) t oh i g h ( 9 7 i r h ) r e l a t i v eh u m i d i t yr a n g e t h em e a s u r e ds e n s i t i v i t yf o rh u m i d i t y s e n s o ri s 0 , 4 4 p f r h t h eh y s t e r e s i sa n dd i e l e c t r i cl o s sc h a r a c t e r sa r em e a s u r e da n dd i s c u s s e d 髓es e n s i t i v em e c h a n i s mo fm u l t i f u n c t i o n a lc o m b i n e ds e n s o r i sm e a s u r e da n d a n a l y z e d t h eo u t p u tv o l t a g es i g n a l s o ft e m p e r a t u r es e n s o r , h u m i d i t y s e n s o ra n d o x y g e ns e n s o rc a n l i m i t e df r o m 0 t o2 v , a n dl i n e a r i z e dt oe n v i r o n m e n t a lc h a n g eb y m # l i 6 m c t i o n a le o m b i n e ds i g n a lp r o c e s sc i r c u i t s a l s ot h ea dc o n v e r t e ra n dd i s p l a y c i r c u i t sa r ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dt o c o n v e r ts e n s o r s a n a l o gs i g n a l st od i g i t a l s i g n a l s t km 娃 l i 南璐t o n a lc o m b i n e ds e n s o rh a st h ef e a t u r e ss u c ha sm u l t i p l ef u n c t i o n ， s m a l ls i z ca n dh i g hp r e c i s i o n i tc a l lb eu s e di ne n v i r o n m e n td e t e c t ，m e d i 。哆f 0 0 d a n dt e x t i l e 装e 删癜s ：s e n 辩嚣c o m b i n e d ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , o x y g e n ，p o t y i m i d e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 垂缝日期：白吗年段月，口日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 式 丝 导师签名： 日期：a 价弓年；月，d 日 电子科技大学硕士论文 第一耄前富 1 1 传惑器的发震、匿孙疑究瑗状及发展趋势 传感器是熊够感受艘定的竣溅量势按照定戆攫德转换成霹惩羧蹬售号懿 器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成i ”。敏感j i i 件，怒指传感器中能直 接感受缎测量( 输入量，的部分；转换元传，是糖传感嚣中能将敏感元 譬感受熬 被探测黧转换成适于传输和( 或) 测量的电信号的部分，图1 一l 为传感器的组 成原理。 、 测鬣电路 ：电源 ； 鹜t 一1 传感器缝成疆瑾 传感器技术具有如下特点： 0 。5 h 。对，上式可麓化为： p ( 丁) 手面t 再 2 2 ) 6 电子科技大学硕士论文 从此式( 2 2 ) 可见，在德拜温度附近，愈属的电阻率与温度成藏比。这就 是热愈疆温度健感器豹工搀墼戮。 设口为热电阻的温度系数，根据定义， 舭p 1 而d p2 丽a - 2 -两 2 3 ) 舭p 而2 丽 。2 3 都： 蝴：生一 ( 2 4 ) 蝴一4 m h i , 2 4 也就楚说，在离湿下金属鲍电黻涅度系数g 与众属毫黻搴的豢积为常数。降低金 属的电阻率p 就能增大众属的电阻温度系数口。 热趣阻温度传感器是壶溅滋敏感元传一熬瞧隧、毒f 滋线、鲶缘套警笛零箨鳃 成，其中热电阻是热电阻温度传感器的点要部件。热电黻的材料应满足如下要求； 逛毽溢疫系数掰要大莠基隶望僳特常数。g 越大，熬魄疆的灵敏度藏遴 高。纯盒属的d 比合念的高，所以一般均采用纯金属于譬热电阻元件。著掰保持常 数，裁可以得剿电阻一滠度线性特经。奄陧率p 尽可黪大，臣馑在穗强灵敏凌下 减小热电阻的体积，减小热惯性。 在热窀难魏傻熙范霞内，糖精懿鐾瑾、诧学瞧缝痤保持稳定。 材料的提纯、膳延、复制等工栽性好，价格便寂。 铂豹物理、纯学瞧艉 # 常稳定，竞英是耐裁纯能力摄强，并且在维宽静溢痰 范围内( 1 2 0 0 c 以下) 均可保持上述特性。并且铂的电阻率较离，易于提纯，复 镪注好，荔船工，可豁秘成稷缁豹铂丝藏辍薄静镶箍。凼予这一系列突遗优点， 使得铂成为了目前制造热电阻最好的材料之一。 在使用的激度范围内，链嘏疆篷r 与温度t 兹关系为： r 羊r 。f l + a t + b t 2 ) ( 2 5 ) 式中，为铂电阻0 c 时的电阻值。在热电阻 瀑霾铸戆嚣中，往往蔫终戈器簧感嚣夔逶 用比较标准，并常常规定r o 一1 0 0 n ，a = 蛰3 9 7 5 1 0 - z ，b - - - 0 。5 9 1 0 。 4 从圈2 1 可以看出，铂热电阻温皮传感 器特点如下： 电阻值与温度域对应关系； 线性度缀好。 图2 1p l 电阻体的温度特性 开丁 一 i 匕 皇士型垫杰堂堡主笙塞 通常定义金属铂电阻温度传感器的灵敏度s 为温度变化i 时传感器电阻值 的变化，可近似表示为： s 。i r i i o 0 - i r 0 ；口r ( 2 6 ) 1 0 0 一0 式中，r l o o 为1 0 0 时的电阻值。铂的电阻率与其纯度密切相关 阻率越大。铂的纯度通常用百度电阻比w ( 1 0 0 ) 来表示： w ( 1 0 0 ，2 鲁 纯度越高，电 ( 2 7 ) w ( 1 0 0 ) 越大，纯度越高，且前技术水平已可提纯导w ( 1 0 0 ) = 1 3 9 3 0 ， 其相应的铂纯度约为9 9 9 9 9 5 ，一般工业用铂热电阻w ( 1 0 0 ) = 1 。3 8 7 1 3 9 0 。 标准铂热电阻要求w f l 0 0 ) 1 3 9 2 5 。 由式( 2 - - 6 ) 、式( 2 - - 7 ) 可得： 肚r t o o = 1 + 1 0 0 口( 2 - - 8 ) 所以， s=r 一1 1( 2 9 ) , - - - 象- ( w s 值( 或w 值) 越高，传感器的灵敏度就越高，传感器的性能就越好。 2 1 2 温度传感器信号处理电路 敏感元件把各种被测非电量的变化转换为r 、l 、c 的变化后，必须进一步 把它转换成电流或电压的变化，才有可能用电测试仪器来进行测定，电桥电路正 是进行这种变换的最常用的电路之一。由于铂电阻温度传感器是将温度的变化转 变成相应的电阻变化，而将电阻信号转换成电信号，一般采用直流电桥电路，直 流电桥电路可采用恒压源和恒流源两种电源供电f 】8 】，现分别讨论如下。 一恒压源供电 恒压源供电的直流电桥的基本电路如图2 2 所示。它由电阻构成桥式电桥 的桥臂，桥路中的一个对角线接直流电源e 的两端，另一个对角线作为输出端， 在输出端一般接有高输入阻抗的放大器，因此可以把电桥的输出端视为开路。 电桥的输出电压可由式( 2 1 0 ) 给出： 电子科技大学硕士论文 ：e ( r 2 - 8 , - r 1 r 3 ) ( 2 - - i o ) ”( 墨十尺4 ) ( 尺2 + r 3 ) 电桥的平衡条件为： 岛心= 墨马 ( 2 1 1 ) 当电桥平衡时，输出的电压为0 。 当电桥四个臂的电阻发生变化而产 图2 2 恒压源供电电桥 生增量a r l 、r 2 、r 3 、1 1 4 时，电轿的平衡祓于丁设，电桥此时输出的电压为： 砜= 毒等c 等一等+ 等一斧( 2 - - 1 2 ) 若取口= 也曷= 局岛时，则， = 器譬一等+ 等一等， c “， 当a = 1 时，输出灵敏度最大，此时， = 鲁譬一等+ 等一坐r l ， c 2 - - 1 4 ) 在直流电桥组成的测量电路中，通常给定已知的r i 、r 2 、r 3 ，而将用作测 量的呈电阻特性的器件设定为r x ，接在r 4 的位置上，利用电桥平衡时的关系求 出r 再根据r x 的测量值得出被测物理量。也可根据非平衡条件下u o 输出的 申爪佰得知被钡i i 的物理量。 二恒流源供电 恒压源供电的直流电桥电路是使电桥工作臂支路中的电流不随r i 的变化 而变化，或者尽量变化小一些，从而减小非线 性误差。因此，采用恒流源供电，也将减小非 线性误差。 直流电桥采用恒流源供电如图2 - - 3 所示， 供电电流为i ，通过各桥臂的电流为1 1 和1 2 ，若 圈2 3 恒流源供电皂桥 测量电路的阻抗较高时，电流之间的关系为： = 燕，( 2 - - 1 5 ) 9 电子科技大学硕士论文 其输出电臌为： 上： 墨璺 ， ( 2 1 6 ) 爰+ 蹙+ 憋+ 墨 玑：墨鱼= 怨墨，( 2 1 7 ) “ 置+ r + 心+ r 若电桥处于初始平衡状态r l r 4 = r 2 r 3 ，当r l 变为r i + r l 时，电桥的输出 电愿为： 以： 垡 ，( 2 1 8 ) “ 琏+ 马+ 岛+ 只十a 墨 上式分母中也有r l ，所以也是非线性的，如果忽略分母中的ar t ，并且r i = 一= 时，翻输赉惫墨煞瑾慧蕴为： = 鼎，丢球( 2 - - 1 9 ) 兰壹流电裤酌李 、麓电路 由于点流电桥猩应用过程中常出现误麓，为消除误差，通常采用 偿法，其 中镪话零点平衡幸 偿、溢艘补偿和非线性补偿等。 图2 - - 4 绘出的是两种零点补偿电路，鼹( a ) 为串联补偿，调节电位嚣r p 可傻电桥逮到平衡祭伟。圈( b ) 为并联补偿，其中电阻r 5 、r 6 、r p 的撩入可 僮零点调节变得平稳。 图2 4 电桥零点补偿电路 电桥的温度补能一般采用热敏电阻并联 补偿方法，如图2 - - 5 所示。其中r t 为热敏 电瞰，r l 和r 2 为温度系数较小的电阻，r 2 的 瞪1 囊为： ，。监( 2 2 0 ) o 一 、 o 凰2 - - 5 热敏电阻补偿电路 。皇三壁整查登臻主整壅 2 2 氧气传感器的工绦赢理 2 2 1 氧气传惑器的工作原瑾 图2 6 为典型的隔膜式 ( g a l v a n i c ) 电池型氧气传感器【1 9 1 。 其工作藤璎诲氧气透过隔膜看溶麓 在隔膜与阴极的薄层电解液中，当氧 气到达瞬稷襞嚣对被还原，茭电极爱 应为： g 十2 只o 4 9 _ 4 0 h 一( 2 2 i ) 或 0 2 + 4 何+ + 4 e _ 2 1 2 0 。( 2 - - 2 2 ) 同时在铅阳极上发生氧化反应 卷极接头 极戮缝 绫 图2 - - 6 氧气传感器结构图 2 p b + 4 0 h ”一4 e 寸2 p b o + 2 马o ( 2 2 3 ) 2 p b4 - 2 h z o - 4 e 一2 p b o + 4 h + ( 2 - 2 4 ) 当外电路有负载时电流戏电压与氧气浓度成正比，根据测得的电流值或电压 馕便可式徭氧气浓瘦e 出予璃貘式怠池型氧气传感器不需要外电源，嶷结掏麓单， 也不震要热源，工作电流小，是一种比较理想的小型化氧气传感器。 2 2 、2 鬣气传惑嚣的信号处理电路 由于本课题中所用的氧气传感器 输改的为f = 乜臆信号，而对于电压信号 的放大，。艘采用酌为露稆并联差动 运算放大电l 洛t 2 0 l ( 如图2 7 ) 。该电 路常用于髓涮信号的前置放大或备 种数据放大，因而有时也称为数据放 大电路。它常用作传感信号的放大， 如热敏电阻信号、应变式传感信号、 图2 7 同相并联差动运算放大电路 运躐离传惑信号等。在各释测量仪器、仅表秘医疗靛器等领域存广泛懿运焉。采 电子科技大学硕士论文 用i 喇卡目开蛾爱副毯舁放大电婿是为提两辆八阻抗，i 司时也是为了保证两个信号 漂耀期到逡敖豹嗣籀竣入璞，采弱溪令嗣秘敖大毫躔a i 霉鞋a 2 爨戏第一缀敖大， 电路结构对称，除了具有高输入阻抗外，还具有很商的共模抑制比，第二级为差 动放大毫鼹。 该电路的基本关系如下： 设输入电压：v i = v i 一v i 2 ，羽， v i 2 蒜蔫k ) ( 2 - - 2 5 ) 故第一级差模电压放大倍数( 即a l ，a 2 总的电压放大倍数) 为： 2 掣小警 c 冲酏 第_ = 二级的输出电压为： 虼= ( i + f r f , 。百r 7 + 鹭) 吒z 一墨r 4 矿o ，( 2 - - 2 7 a ) 当r 7 = r 6 ，r 4 = r s 辩， 咒。鲁( 协扣也) ( 2 - 2 7 b ) 此时第二缀熬电基数大倍数走： a 鲁 q s ， 故猩r t = r e ，r 4 爿t 5 ，r 2 = r 3 时，第一级和两级总的电压放大倍数为： a v l 小警 ( 2 1 9 ) 妒a ：一扣争 q q 电路中r p 采用可调电位器，改变r p 电阻值可方便地调整放大电路的咆压 毂大绥鼗。 2 电子科技大学硕士论文 2 3 电容式湿度传感器的工作原理 2 3 1 电容式湿度传感器的工作原理 电容式传感器的基本工作原理是 基于物体间的电容量及其结构参数 之间的关系甜1 。由物理学 - i * n ，电容 器的电容是构成电容器的两极扳形 状、大小、相互位置及电介质介电常 数的函数。以最简单的平板电容器为 例( 见图2 8 ) ，当不考虑边缘电场 影响时，其电容量c 为： c ：堕 d 式中：占一介质的介电常数： s 一极板的面积； 图2 8 平板电容器 缘电场 ( 2 3 1 ) d 一极板间的距离。 出( 2 3 1 ) 式可知，平板电容器的电容量c 是占、d 、s 的函数，即c = f ( s ，d ，s ) 。电容式传感器的工作原理正是建立在上述关系上的。 具体地说，如将上极板固定，而下极板与被测运动物体相连，当被测运动物 体上下移动( 使d 变化) 或者左、右移动( 使s 变化) 时，将引起电容的变化。 当通过一定的信号处理电路可将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号 输出。根据输出信号大小，即可测定运动物体位移大小。如果两极板均固定不动， 而极板间的介质状态参数发生变化致使介电常数产生变化时( 如介质在极板中间 的相对位置、介质的温度、密度、湿度等参数发生变化时，均能导致介电常数的 变化) ，也能引起电容变化，故可据此测定介质的各种状态参数，如介质在极板 中间的位置、介质的湿度、密度等。总之，只要被测物理量的变化能使电容器中 任一参数产生相应改变而引起电容变化，再通过一定的信号处理电路将其转换为 有用的电信号输出。便可根据这种输出信号的大小来判定被测物理量的六小，这 就是电容式传感器的基本工作原理。 电容式传感器根据其工作原理的不同，可分为变间隙式、变面积式、变介电 常数式三种。变间隙式一般用于测量微小的线位移；变面积式则一般用于测角位 移或较大的线位移；变介电常数式常用于测定各种介质的湿度、密度等状态参数。 电子秘鼓大学颈士论文 交介电常数豹电器式转感嚣豹原理图 如图2 - 9 。当某种介质谯两固定极板间运动 辩，奄窖输与奔震参数之阉漪关系冀： ，一 s 一 氏s ( ，2 d t d z + d , 2 d - d 里一1 + d l 6 qr n r ( 2 - - 3 2 ) 。2 竺卢箩 等，。，声呻哼、 。- - - - 。- 。 图2 s - 9 变介电常数的电容器 n - 丫丫e 。n 氇0 ( 薄貘鹦) 承分子扩教 h 2 0 ( 薄滕内) 一= h 2 0 ( 膜吸附) 水分予以偶极作用吸附膜上 h 2 0 ( 膜吸附) + n h 2 0 = 一 ( n + 1 ) h 2 0 ( 膜蔽附) 承分子良氢键佟震鞠互啜引 当水分子被聚酰亚胺吸酣时，, 娘据l o o y e n a g 的有关聚合物和水的混台体系的 介电常数的半经验公式，吸温后感湿薄膜的奔电常数会发生晌波变亿： 艿= f 砭( 一霹) 髫】3( 2 3 3 ) 电子科技火学硕士论文 式中蜀、如分别为聚合物和水的介电常数，v 2 为水占混合体系体积的比例。 由上式看出，隧最、岛、v 2 的变讫两变化，赢漫敏电容元件中，c = 占s d ， 在s 、d 不变的情况下，c 取决于占的变化，放以p i 为基的复合膜电容值随相对 湿度的增加近似呈线性变化。这样，隧蕾环境滠度的誉网，聚璇亚胺薄膜吸黔水 分子的量不同，介电常数的改变也就不同，从而导致电容变化，由此来测定相对 湿度。 2 3 2 电容式传感器的等效电路 绝大多数电容式传感器可用图2 一l o 等 效电路来表示 2 触。图中c 为传感器电容，孙为 并联电阻，它包括壹流潺电阻、电极绝缘基 座中的介质损耗和极板间隙中的介质损耗 等。串联电感l 表示传懑器各连线端间总电 感。串联电阻表示引线电阻、金属接线 图2 一l o 电容式传感器的等效电路 柱电阻及电容极板电阻之和。融图2 - - 1 0 可得别等效阻抗z c ，即： z c = ( r 。+ 志) 一- ，( t i ：黪一缈上) ( 2 - - 3 4 ) 式中= 2 ，r 为激励电源的角频率a 由于传感器的并联电阻r p 很大，式( 2 3 4 ) 经简化得到等效电容为： c ： c ，：曼=(235)。i _ a ：l c i 丽“ 式中，厶2 云j 瑟为电路谐振频率4 但在高额情况下，电流筑趋肤效敷将使导体电阻增加，因弛图中代表导 线电阻、金属支座及极投电阻。此时，连接导线的电感亦应考虑，图中以l 来 表示。对于任一谐振频率以下豁频率，国子l 鹃存在，传感器的有效电容c e 籍 增加ac e ，有效电容的相对变化也将增加，在这种情况下，电容的实际相对变 纯量为； 壤予秘技大学颈圭论文 孥：錾点 ( 2 一 ec 、l 一毋2 点c 7 上式清楚蟪谖骥：邀窖式锩感器熬溅量与校准必绥楚在溺撵条终下遴零亍，靼 线路中导线实际长度等条件在测试时和校准时应该一致。 2 3 3 电密电场的边缘效戍 由于以上所有特性计算均朱考 虑电场静透缘效应，敖实舔奄容量 将比计算值大。此外，边缘效成还 将使灵敏度降低、非线性增加。为 了减少边缘效疲兹影戆，霹敬逡当 减小极板间距，但这这样做易引起 击穿，并限制了测量藏匿。较好的 方法怒采嗣茨妒巧( 照图2 一1 1 ) 。 图2 1 1 带肖防护环的电容器 在使用时，使防护环与被防护的极板鼎有相等的电位，则在被防护的工作极板面 积上静电场将蒸本上僳籍均匀，两发激豹边缘灌绣将笈生在辩护环穸 满。 2 3 4 寄垒电容的防止 在电容式传感器敷设计和偻蘑遥耧中，要特嗣注意防正寄生毫容懿干撬。邈 于电容式传感姆本身电容量很小，仅数百皮法左右，因此传感器受寄生电容干扰 的问熬菲常突融。这个闳题簿决不驽，将导致铃惑器特性严重不稳，蕊至完全无 法工作。 在任筒两个导体之间鹭可褥成电容联系，嗣蓝窀容式传感嚣豫7 辍援蓠匏惫 容外，极板还诃能与周围物体( 包括备种元件甚至人体) 之间产生电簿联系一这 种附加的电容联系，称之袅寄生电容。寄生电容使蕊懑器电容整改变e 崮于蕊感 器本身电容量很小，再加上寄嫩屯容又是极不稳定的，这就会导致传感器特性不 稳定，觚丙对传感器产生严耋干扰。 为了克服这种不稳定的寄生电容联系，必颞对传感器及其弓l 出导线采取屏蔽 措旅，即将传懑器旅巍金属壳海，并将壳体接穗，鼠瑟胃清除传感器与茺体井帮 一 皂至型垫态堂堡主捻塞 物体之间不稳定的寄生电容联系。传感器的引出线必须采用屏蔽线，且应与壳体 相连藤无断开的不屏蔽闯隙，瓣蔽线乡 套同样疲良好按地。 但是，对电容式传感器来说，这样做仍然存在以下所谓的“电缆寄生电容” 阕题： 屏蔽线本身电容量大。最大每米可达上百皮法，最小的亦有几皮法。幽 手电攀式黄惑嚣零骞电容萋较小，当蘑菠线较长置其魄客与技感器毫褰裰荠联 时，传感器的相对变化徽将太大降低，也就是说传感器的有效灵敏度将大大降低。 龙蠹严霾懿是，由予惫缆本身豹迄容爨睫放置经霉羁箕形状弱政变瑟鸯 很大变化，这样将使传感器特性不稳定，严重时，有用电容信号将被寄生电容噪 声驻淹没，鼓至传感嚣无法工佟。 电缆寄生电容的影响，长期来一盥是电容式传感器难于解决的棘手技术问 题，阻褥若它戆发展蟊疲零。嚣蔫徽惫予鼓拳黪发展，汪受释淡这类阉题截造了 良好的技术条件。 一耪可行驹解凌方案莛辫翁号楚毽电路静缓或全都与传巷器缝装在一踅， 构成整体式或有源式传感器，以便根本消除长电缆的影响。这一点在微电子技术 毫凄发装熬今天，在技零上已燹多大爨难。 另外种情况，即传感器工作在恶劣环境如低温、强辐射等情况下当半导 髂器 串经受不往这群瑟劣懿嚣辘条箨瑟宓须将电窖敏感帮分与电子信譬测量线 路分开并通过电缆连接式，为解决电缆寄生电容问题，可以采用所谓的“双层屏 蔽等电位传输技术”，锻翻“驱韵毫缆羧未”。 这种技术的基本思路是连接电缆采用 肉舞取瑟屏蔽，往肉屏蔽与霰瓣蔽静导线 电位相同，这样引线与内屏蔽之间的电缆 寇銮将不超卡誊掰，箨霹蔽留接魏两超羼蔽 作用。其原理见图2 1 2 。图中电容式传 感嚣静输遗器线采魇驳澄霹蔽毫缆，惫缆 引线将电容极板上的电压输至测量线路的 图2 一1 2 驱动电缆原理圈 嚣嚣于，褥输入至一个藏大结数严格秀l 麓羧丈嚣，嚣嚣在筵毅大器懿赣蠢甏簿到 一个与输入完全相同的输出电腰，然后将其加到内屏蔽上。由于内屏蔽与引线之 阉爱予簿电位，霜露嚣蠢之溺没有容淫壤滚存巍，这慕铸效予淤除了孳l 线与内嚣 蔽之j 可的电容联系。而外屏蔽接地后，内、外屏蔽之间的电容将成为i ：i 放大 蒸靛受载，蠢不霉与簧黪器奄容程著联。这样，无论亳缆形装帮位置黧 莓变纯罄 不会对传感器的工作产艇影响。试验证明，采用这种方法，即使传感器电容量很 寇子辩鼓大学颈士沦文 ，l 、，传输毫缆长这数米粒，转感器仍戆缀好豹王终。 2 。3 ，5 漫度传感器催号处理电路 由予本课题中设计的湿度传感器为电容式离分子湿度传感器，它的电容值爨 随环壤的相对灞度变化而改变静。当电容式离分子湿纛传感嚣将裙对灞度交换为 电容艨，必须深用相威的电路将其转搽为电压戚电流或频率傧母。测蹩电容的电 路禳多，这委将介绍一下本谦舔所采麓的菱动躲渖宽浚谲制电路器茧。 一差动辣渖赛度调糊电路 该线路的原理图如图2 一1 3 。它由 比较器a 1 、a 2 、双稳态触发嚣及电容 充放电雹路翳缎成。c l 、c 2 为传感器 熬差动电容，双稳态触发器豹鼹个输出 端用作线路输融。设电源接通时，双穗 态触发器的a 溃为高电位，b 端为低 电位，因此a 点通过r l 对c l 充电， 壹至m 点上的电位等于参考电压u f 圈2 一1 3 靛动脉冲宽度调制电路 对，阮较器a l 产生一脉冲触发双稳态触发器掰转，a 点成低瞧位，b 点成离电 位。此时m 点魄位经二极管d l 从u f 迅速放电至零，两同时b 点的麓电位经魁 向e ! 充电。警n 点电位充电慧u f 时，汜较器a 2 产生一稼冲，使融教嚣又秘转 一次，使a 点成毫电位，b 点成低电位，又爨复上述过程。如此周而复始，浅 双稳态触发嚣的两输出端各岛产生一宽度受c t 、c 2 谖耩静脉冲方波。 ：i “ 鼍口口 二： 二 靶：口口二 蚓2 - - 1 4 磐点电承波彤型 警c l = q 时，线路上各点电压波形如爵2 - - 1 4 ( a ) 所示，a 、b 嚣点闯平 甥毫嚣为零。毽当 、c 2 毽不糖等时，翅c i c 2 ，这c t 、c 2 充放电对间常数就 发生改变，电压波形如图2 - - 1 4 ( b ) 所示，a ，b 两点闯平均电压不辫是零a 输 电子科技大学硕士论文 出直流电压u s c 经低通滤波后获得，应等于a 、b 两点间平均值u m 与u b p 之差。 2 斋u 一3 7j 5 斋u l ( 3 - - 3 8 ) 式中：u l 一触发器输出的高电平。 u 。= u a e u 。e = u 器 c ：嘲， 墨嘲l n 去( 2 - - 4 0 ) 乏2 驯n 格( 2 - - 4 1 ) 设充电电阻r i = r 2 = r ，则： u s e = u i 雨- c 2 = - ( 2 4 二) 由上式可知，差动电容的变化使充电时间不同，从而使双稳念触发器输匕端 的方波脉冲宽度不同而产生输出。而且不论对于变面积式或变间隙式电容器，均 能获得线性输出。此外，脉冲宽度调制电路还具有如下特点：不需附加解调善， 即能获得直流输出。输出信号一般为1 0 0 k h z 1 m h z 的矩形波，所以直流麓出 只需经低通滤波器简单地引出。由于低通滤波器的作用，对输出矩形波的要衷不 高，只需要一电压稳定度较高的直流电源，这比其他测量线路中要求高稳定度约 稳频、稳幅的交流电源易于做到。 二5 5 5 时基电路 5 5 5 时基电路是一种将数字电路和模拟电路巧妙地结合在一起的集成号络 【1 4 1 。5 5 5 时基电路具有以下特点：定时精度高，工作速度快：使用电源号玉 范围宽，为2 8 v 能和数字电路直接连接；有一定的输出功率，可直接嚣动 小型继电器、指示灯及微电机；结构简单，使用灵活；工作可靠性高。= 可 以组成产生各种波形的脉冲振荡器、双稳态电路、检测电路、电源变换电路、频 率变换电路等等，已被广泛应用于自动控制、测量、通信等各种领域。在这三， 它主要组成多谐振荡器和脉冲触发式单稳态电路，用于对电容的测量。 1 5 5 5 单稳态电路的基本工作原理 斑子辩菠大学疆士论文 5 5 5 摹稳淼电路是由5 5 5 电路和 一个r c 定时电路组成的。5 5 5 电路 的输入端就接在定时电路中的定时 电容c t 土。如图2 一1 5 繇示。图中 的按钮开关s 是用来启动这个电路 的。为了傈 i 正电路的可靠工作，总复 垃端m r 接在魄源的羹壤上，两电压 控制端u c 由于不用而对地接一个 0 0 1u 的电容c f ，以防止干扰放电 图2 1 55 5 5 罐稳态基本电路原理圈 玎关因不使用可以悬空。 当电路接上电源腊，电容c t 经一定时间后就被充电到电源电压v c c 。由于 涎个输入臻 瓣、藏屣黪接在定时电褰e f 上，此黪它夔辑个输入端t ( r ) 、承两 均为高电平。对照逻辚功能表( 表2 1 ) 可知，它的输出端u o ( q ) 应是低电 平，邸u o = 0 。这秤羧态在没有任 霉痿渤熬冲传爱时，一直不会变动，这个状恣 就是单稳态电路的稳态。 表2 15 5 5 时蒸电路的逻辑功熊发 r sq d i s ilo 接地 ool 开路 ol q 。 保持 l9不定不定 当按动一下按镪开关s ，刘电容c t 上的电压穰快会遽过开关s 藏瑰丽成为0 ， 即u = 0 ，由于两个输入端相连在一起，因此都成为低电平，即t h ( r ) = o 、 磊( j ) = 0 ，对照逻辑功能表2 一l 知，它静输出瑞u b ( q ) 应麴转为游电平，帮 u o = 1 。当按镪开关s 放开后，电路仍保持输出为高电平。同时，电源电压向定 霹宅蜜c 。宠l = 毽，电鼹遴天誓稳状态。 经过一段时间之精，c t 上的电服被充电到【k 2 3 p k ，即达到触发器翻转 的阀值电压，这时电路的两个输入端又都成为高电平，电路立帮发生翻转，它熬 输出端u o 由l 转变为0 ，即皙稳态结荣又回到稳态。 5 5 5 电路的输出从低电平翻转蓟商电平戳厝，再一次恢复戮低电平翡这段辩 2 0 电子科技大学硕士论文 问就是单稳态的暂稳态时间，它只和定时电路中的电阻r t 和电容c t 有关，和 5 5 5 电路本身及触发器脉冲无关。暂稳态时间t d 可由式2 4 3 求出，即： t d = 1 t r t c t ( 2 4 3 ) 2 5 5 5 多谐振荡器的基本电路及工作原理 虎 开h c 圈2 1 65 5 5 多谐振荡器基本电路及输出波形 用5 5 5 时基电路可组成自激式多谐振荡器，图2 1 6 ( a ) 是它的基本电路。 当电路刚接通电源时，由于c 来不及充电，5 5 5 电路的脚处于0 电平，导致其 输出脚为高电平。当宅l 源通过通过r a 、r 8 向c 充电到u c 2 3 v ( 。时，输出 端脚由高电平变为低电平，电容c 经r b 和内部电路的放电开关管放电，当放 电到u 。蔓s 3 7 , 。时，输出端又由低电平转变为高电平。此时，电容再次充电， 这种过程将周而复始地进行下去，形成自激振荡。图2 1 6 ( b ) 是输出端的波 彤。 振荡器的充电时问为： ， 詈 = ( r j 十月日) c i n ( ) 一去 j * 0 6 9 3 ( r 。+ r b ) c ( 2 4 4 ) 振荡器的放电时间为： 一专 o = r 8 cl n ( 亭一) 珞一 j z 0 6 9 3 c ( 2 4 5 ) 振荡周期： t = 乞+ f f = 0 6 9 3 ( r + 2 如) c ( 2 4 6 ) 一一皇至型堇查堂堡主堡苎 振荡频率： 。lj 4 4 3 - ，2 一t2 ( r 。+ 2 r 8 ) c ( 2 - - 4 7 ) 波形占空比： q 2生=rr。a+rn了(2-48t 2 r ) r 。+。 7 从振荡频率和占空比的计算中可以看出，只要改变电阻r a 和r b ，便可改变 振荡频率和占空比。 3 ，脉冲触发式单稳态电路 一如 n )b ) 图2 1 7 脉冲触发式单稳态电路及波形图 脉冲触发式单稳态电路如图2 1 7 ( a ) 所示。为了使电容c ，能自动迅速放 电，电路中把输入端t h 和放电端d i s 同时接在定时电容c t 上。另外，用触发 输入端豫作为脉冲输入启动端，平时要求接高电平，输入负脉冲时才能使电路 触发启动。 电源接通后，由于u 。输入平时为高电平，它的输入端豫( s ) 为高电平，即s = 】。它的输出端被置为0 ，即u o = 0 。此时，内部电路的放电开关接通，d i s 端 接地，定时电容c t 上的电压为0 ，t h ( r ) 输入端也为零，即r = 0 。因此它的 输出直保持低电半，即u o = o 。这就是这个单稳态电路的稳念。当触发输入端 朋输入一个负脉冲，而且脉冲的幅度低于1 3 v c c 时，则s = o ，使电路的输出端 发生翻转，u 。由低电平转变为高电平，即u o = l 。与此同时，电路内部的放电开 关被打开，电源通过r t 向c t 充电，暂稳态开始。经过一段时间t d 之后，c t 上 的充电电源上升到太于2 3 v c c 时，它的t h 输入端达到高电平，即r = l ，于是 电路又重新翻转回到原来的稳态，即u o = 0 。这时，内部放电开关重新接通，c t 上的电荷迅速放电到0 ，为下一次触发翻转做好准备。t o 为暂稳态时间，可由式 2 - - 4 9 求出，即： t d = 1 1 r t c t ( 2 - - 4 9 ) 电子科技大学硕士论文 图2 1 7 ( b ) 给出了脉冲触发式单稳态电路的各点波形圈。从图中可以瓣 建，袭謦稳态期楚b 蠹出璎戆皴发弥跨是不怒作零的。 电子科技大学硕士论文 第三章湿度传感器的设计与制作 湿度传感器的湿敏电容芯片所用电介质为有机硅嵌段聚酰亚胺( 如图3 一 1 ) ，它属于高分子聚合物( 以后简称高聚物) 。高聚物的极化、介电常数、介电 损耗等电学性质都与高聚物的贫子结构有关，而高聚物的电学性质，将直接影响 到湿度传感器的灵敏度。所以，在这里有必要介绍一下高聚物的电学性质及物理 性质。 f 二古。舌t - # ，这说硬，除了电子极化以终，还存在其戆形式 的极化。占与n 2 差值愈大，表示其他极化所占的份量越大。 3 1 2 离聚物的介电常数 综合反映电介质材料极化行为的一个主要宏观物理量冕介电常数。它表示 电容器( 两极叛间) 在有电介质时的电容与在真空状态( 无电介质) 时的电窬相 比较时的增长倍数精甜。 假设在乎行扳电容器的两极扳土充以一定豹自出电萄，鲞两极板存在电分质 时两板的电位差总是比没有电介质存在时( 真空) 低，这怒由于介质的电极化， 在表露上出现的感戍电荷部分的屏蔽了极扳上的电荷所产生的静电场的缘故。根 据静电场理论，电容器极板上的自由电荷密度用矢量d ( 电位移) 表示，其方向 从自出正电荷指向自由负电蘅，单位与极化强度一致。 在真空状态，椴板上的电位移d 与外加电场e 的关系为： d = e o e ( 3 2 ) 式中：6 0 称为真空介电常数，岛= 8 8 5 1 0 。k m 。 当两极板洒充以均匀毫介质时，由于毫介质的极化俸丽，电位移d 为； d = e o e + p ( 3 3 ) 试验结聚表明，对各向词性的电介质，极化强度p 与外加电场强度e 成f 蒎，并盈方向裙霾。因此， p = x c o e ( 3 - 4 ) 式中：x 为电介质材料的极化率。对于均匀的电介质材料，x 为常数t 它定餐的 表示辑料被电场极化的能力，是材料宏理投化常数之一。 将上式带入式( 3 3 ) 就有 d = e o e + z e o e = ( 1 + z ) e o e ( 3 - - 5 ) 电子科技大学硕士论文 令 ( 1 + z ) 岛= q 岛= g ( 3 - 6 ) ( 1 + z ) = = 占岛 ( 3 - - 7 ) 则有d=髓 ( 3 8 ) 以上所述是电介质在恒定电场作用下的性质。当电介质在正弦交变电场作用 下时，e 、d 、p 均为复数矢量，此时介电常数也变成了一个复数，如果介质中 发生松弛极化，e 和d 、p 均有不同相位，矢量d 和p 往往滞后于矢量e 。 如果矢量d 滞后e 一个相位角占时，则有 e=eoe“(3-9) d = d o e “一6 ( 3 1 0 由于 d = s + e ( 3 1 1 ) 所以 s d 。：譬p d ：( c o s 占咄i n 占) ：产( 3 - - 1 2 ) e& 。 式中：占为复介电常数，靠为静态介电常数，毛= d o e o 复介电产生的实部和虚部分别为： 占= c o s 8 ( 3 1 3 ) 占”=sin8(3-14) 3 1 3 影响介电常数的因素 由式( 3 8 ) 可以看出，材料的介电常数与它的电极化强度有关，因此影响 电极化的因素对它都有影响。 首先是极化类型的影响，根据产生极化的机理不同，有以下一些常见的极化 形式：弹性位移极化、偶极予转向极化、松弛极化等。介质材料无论以那种形式 极化，都与它们的结构紧密程度相关。 坏境对介电常数的影响。首先是温度的影响，根据介电常数与温度的关系， 电介质可分为两大类，一类是介电常数与温度成强烈非线性关系的电介质，对于 这一类材料很难用介电常数的温度系数来描述其温度特性；另一类是介电常数与 窀乎科技大学臻论文 湿度成线性关系豹材料，这类李季料可以用介电常数的遗发系数麒，来描述其介媳 常数与温度的关系。介电常数温度系数是温度变动时介电常数s 的相对变化率， 即： 啦= 等 ( 3 州) 因此可以蠢接根据占与温度的关系避褥计算，由于绝大部分电介蔟豹介电常 数与温度关系本身并不精确，因此这种计算是不精确的，实际工作中常采用试验 静方法来确定，遴鬻跫瓣搿。豹平均餐泉表示： 纭一；垒：墨二鱼 ( 3 1 6 ) 岛a t e o ( t t o ) 式中：t o 为初始滠度，一般为室温；t 为改变后的温度或元 牛的工作温度；岛和 分别为介质在t o 、t 时的介电常数。 如静露所述，不同的材料黑寿不同的极化形式，丽摄化情况与温度有关，有 的材料随温度升高极化程度增简；而脊的材料随温度的升高其极化程度反而降 低，因此，有些材辩的豫。为正值，有然却是负值。经验表明，一般介电常数s 很大的材料其为负值，介电常数s 较小的材料其值为正值。 此外，夯骥的介电喾数还与频率积魄场强发有关。 在交变电场中，考察介质的极化时，介质的介电常数与极化率之州的关系应 写为口7 j ： 是= 耋帆+ 志) ( 3 - - 1 7 1i c o v ) 嚣。+ 23 最。+ “ 式中s + 为复介电常数，n 是单便体积里的分子数，岛是真空电容率，甜。为变形 极化率，窿。为缡辍稷化率，f t 为偶辍桧蔻露闯，它惫在舞据毫场瀵失嚣满强极 化随时间指数衰减到原始值的1 e 时所需的时间。当交变电场的角频