基于电容式传感器的料位检测系统研究
电容式液位传感器及测量原理
d A C ε=电容式液位传感器及测量原理1引言 (1)2电容式液位传感器的结构与测量原理 (1)2.1电容式液位传感器的结构 (1)2.2电容式液位传感器的工作原理 (3)3电容式液位传感器的特点 (6)1引言电容式传感器利用了非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量。
电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压力、差压、液面（料位）、成分含量等方面的测量。
电容式传感器具有以下几个特点：1）机构简单，体积小，分辨力高；2）可实非接触式测量；3）动态效应好。
电容式传感器的固有频率很高，因此动态效应时间短，且其介质耗损小，可使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数；4）温度稳定性好。
它本身发热量极小；5）能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作6）电容量小，功率小，输出阻抗高，因此，负载能力差，易受外界抗干扰产生不稳定现象。
2电容式液位传感器的结构与测量原理2.1电容式液位传感器的结构电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。
这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。
电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。
两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为：（1）公式中 ——电容极板间介质的介电常数；A ——两平行板所覆盖的面积；d ——两平行板之间的距离。
因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。
是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。
特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。
基于应变式传感器的料位测控系统
工业 生产中的储料 罐中的很多原材 料 、 中间产 品以及最 终 成品都需 要实时得到 其位 置信 息 ， 料位 的测 量是安 全 生产 、 对 科学 调度 必须 掌握 的重要 基本 参数 。但是 由于测试 环境 非 常 恶劣 ， 高粉尘 ， 噪声 ， 高 高干扰 ， 使得 对物料 的测量 的难度 加大 ， 例如超声 波料位计 在测 量时 ， 超声波 的传播速度 受传播 介质振 动、 噪音影响较大 ， 故不 能在高 粉尘 场合 下使 用 。雷 达料 位 计
传感器的优化设计可 以很好地 实现在 恶劣环 境下的测量工作 ， 很好地 解决 了在 恶劣环境 下高粉 尘、 干扰 大等 普通测 量方 法无 法解决的 问题 。采 用以 ＭＳ ４ ０为核 心的控制 电路 ， Ｐ３ 使该 系统具有 了高速 、 稳定及 实时测量 的优点 。
关键词 ： 料住 ； 变片 ； 青铜 ； Ｐ ３ ； Ｐ Ｄ 应 铍 ＭＳ４ ０ Ｃ Ｌ
维普资讯
２０ ０ ８年
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍ ｅ Ｔｅ ｈ ｑｕ ａ ｄ Ｓ ｎｓ ｒ ｎ ｔｕ ｎｔ ｃ ｎｉ ｅ ｎ ｅ ｏ
２０ ８ ０ Ｎｏ ．１
第 １ 期
基 于应 变 式传 感器 的料 位测 控 系统
种 挺， 傅 星 ， 师伟 ， 维 宝 ， 张 邱 刘春 阳
３ ０７ ） ０ ０ ２ （ 津 大 学 精 密 测 试 技 术 及 仪器 国 家重 点 实 验 室 ， 津 天 天
摘要 ： 对水泥等行业 中对料住进行 实时测量 的需求 ， 针 开发 出一种新 型的料位 测控 系统 。 系统 的传 感器采 用应 变式
传 感 器 ， 感 器 的核 心 部 分是 应 变 片 ， 过 应 变 片 感 测 物料 的 侧 压 力 并 获 得 料 住 信 息 。传 感 器是 该 系统 的 关键 部 分 ， 过 传 通 通
06电容式传感器的位移特性实验
06电容式传感器的位移特性实验
电容式传感器是一种常用的测量位移的传感器，它利用电容器的电容值与其电极间距离的关系来测量物体的位移。
以下是
06电容式传感器的位移特性实验步骤：
实验材料：
1. 06电容式传感器
2. 数字万用表
3. 电子秤
4. 尺子
5. 活动支架
步骤：
1. 将06电容式传感器放在活动支架上，调整传感器的高度，
使其平行地与实验台面接触。
2. 使用数字万用表测试传感器的电容值。
记录下传感器未受力时的电容值。
3. 在传感器上方放置一定质量的物体，使其挤压传感器。
在每个质量下，使用数字万用表再次测试传感器的电容值并记录。
注意每次测试前应等待其稳定。
4. 根据实验记录计算出传感器在不同挤压质量下的电容值变化，即位移量。
绘制出位移量-受力特性曲线。
实验注意事项：
1. 操作时要避免传感器受到横向的力，应保证其纵向受力，并且应尽量避免传感器的弯曲、捏压或折叠。
2. 测试数据时应先让传感器空置一段时间，等待温度稳定。
传
感器的输出信号应稳定后再进行测量。
3. 验证实验前要检查设备的正常运行,如电流表、电压表等应检查好其电子管,以免不必要损失。
实验结果：
通过实验可以得出传感器的位移特性曲线，可以了解到在不同的质量下，传感器的电容值发生的变化，从而得出传感器对力的检测能力及其灵敏度等基本特性。
工业生产料位测量
重庆邮电大学移通学院传感器实验报告实验题目:工业生产料位测量班级:********** _ 姓名：******学号：**********电工电子技术实验中心工业生产料位测量方案的设计在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对料位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。
通常进行料位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。
直接料位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。
然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。
目前国内外工业生产中普遍采用间接的料位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。
其中电容式料位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一一 、结构简介在柱形电容器的极板之间，充以不同高度的介质时，电容量的大小也会有所不同。
因此，可通过测量电容量的变化来检测液位。
上图是一种由两个同轴圆筒极板组成的电容器，在两圆筒之间充以介电常数为0ε的介质时，则两圆筒间的电容量表达式为dD Ln L C 002πε= 式中L 为两极板相互遮盖部分的长度；d 与D 分别为圆筒形内电极的外径和外电极的内径；0ε为两电极间介质的介电常数。
所以，当D 和d 一定时，电容量C 的大小与极板的长度L 和介质的介电常数0ε的积成比例。
这样，将电容传感器（探头）插入被检测物料中，电极浸入物料中的深度随物位高低变化，必然引起电容量的变化，从而可检测出物位。
二、 传感器的组成它主要是由细长的不锈钢管(半径为1R ) 、同轴绝缘导线(半径为0R ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。
该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。
忽略边缘效应（L>>D ），则液位为0时，L k d D Ln L C 0002επε== ，（dD Ln K π2=） 当液位变化H ∆时，H K L K C C C ∆-+=∆+=)(000εεε因此，用此传感器就可以把液位的变化转变为电容的变化。
基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究
㊀２０２１年㊀第３期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．３㊀基金项目：山西省重点研发计划项目（２０１９０３Ｄ１２１１２３）；山西省自然科学基金项目（２０１８０１Ｄ１２１１５７，２０１８０１Ｄ２２１２０３）；高等学校科技创新项目（１８１０６００１０８ＭＺ）；重点实验室基金（６１４２００１１９０４１４）；２０２０年中央引导地方科技发展资金自由探索类项目（Ｚ１３５０５０００９０１７）收稿日期：２０２０－０２－２６基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究梁㊀庭，贾传令，李㊀强，王心心，李永伟，雷㊀程（中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原㊀０３００５１）㊀㊀摘要：针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境（ȡ５００ħ）下测试需求的问题，设计并制备了一种基于碳化硅（ＳｉＣ）材料的电容式高温压力传感器㊂利用ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构，结合金属沉积㊁金属图形化等ＭＥＭＳ工艺制备了感压敏感芯片㊂搭建了压力－温度复合测试平台，完成了传感器在０ ６００ħ环境下压力－电容响应特性的测试㊂测试结果表明，在０ ３００ｋＰａ内，该传感器灵敏度为４．５１ˑ１０－３ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％；同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低，０ ６００ħ环境下电容变化量为８．５０ ８．６５ｐＦ㊂关键词：微机电系统；碳化硅；电容式高温压力传感器；直接键合中图分类号：ＴＮ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０３－０００１－０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣａｐａｃｉｔｉｖｅＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＳｉＣＬＩＡＮＧＴｉｎｇ，ＪＩＡＣｈｕａｎ⁃ｌｉｎｇ，ＬＩＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｎ⁃ｘｉｎ，ＬＩＹｏｎｇ⁃ｗｅｉ，ＬＥＩＣｈｅｎｇ（ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｖｉｃｅｄｉｄｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅ⁃ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ȡ５００ħ），ａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｒｅｐａｒｅｄ．ＴｈｅＩＣＰｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｓｅｎｓｉｔｉｖｅａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｖｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｇｏｏｄａｉｒｔｉｇｈｔｎｅｓｓ，ａｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｃｈｉｐｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓｅｓｓｕｃｈａｓｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔａｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓ⁃ｓｕｒｅ⁃ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｔ０ ６００ħ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｓ４．５１ˑ１０－３ｐｆ／ｋＰａａｎｄｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒｉｓ２．８３％ａｔ０ ３００ｋＰａ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｐｒｏｖｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｌｏｗａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅｉｓ８．５０ ８．６５ｐＦａｔ０ ６００ħ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ＳｉＣ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇ０㊀引言高温压力传感器广泛应用于深空探测㊁航空航天㊁大飞机和涡轮式发动机等许多国家重大工程和民用工程［１］㊂目前硅基压力传感器应用较多，但由于在超过５００ħ环境下硅材料易氧化㊁易腐蚀且发生塑性变形限制了其进一步高温应用［２－３］㊂近年来，基于新材料㊁新结构的高温压力传感器成为新的研究方向㊂ＳｉＣ材料具有抗辐射㊁耐化学腐蚀㊁高热导率㊁高硬度和弹性模量等特性成为制作高温㊁高频等ＭＥＭＳ器件的理想材料［４］㊂压力传感器的工作原理主要有压阻式和电容式，压阻式一般对工作温度较为敏感，且需要温度补偿，而电容式压力传感器受温度影响较小，因此本文提出一种基于ＳｉＣ材料的电容式耐高温压力传感器，采用变间距式结构，具有灵敏度高及低非线性等优点［５－６］㊂１㊀工作原理与结构设计１．１㊀工作原理本实验制备了电极板裸露在电容腔外部的变间距式的电容式压力传感器，其结构如图１所示㊂图１㊀变间距式电容压力传感器结构图㊀㊀㊀㊀㊀２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｒ．２０２１㊀当传感器下极板的位置不发生变化，上极板受到外界压力时，使两极板间距ｔｇ改变，从而使电容值发生变化［７］㊂传感器初始电容Ｃ０的计算如式（１）所示：Ｃ０＝４ε０ａ２ｔｇ＋ｔｍ１＋ｔｍ２εｒ（１）式中：ｔｇ为电容腔间距；ａ为正方形敏感膜边长；ε０为敏感膜材料（ＳｉＣ）介电常数，ε０＝８．８５４１８７８１７ˑ１０－１２Ｆ／ｍ；εｒ为真空介电常数；ｔｍ１为电容腔顶部距上极板厚度；ｔｍ２为电容腔底部距下极板间厚度㊂１．２㊀结构设计本文针对电容式高温压力传感器的敏感膜片和电容腔结构进行设计㊂为了使传感器工作在更宽的线性输出区域，一般要求敏感膜片的最大挠度小于膜厚的１／５，同时还应满足敏感薄膜表面最大应力差小于ＳｉＣ的破坏应力的１／５㊂综合上述考虑，敏感膜厚约束如式（２）所示：ωｍａｘ＝０．０１３８ｐａ４Ｅｔ３＜ｔ５ｍａｘ（｜σｘ－σｙ｜）＝０．３０８ｐａ４ｔ２ɤσｍ５ìîíïïïï（２）式中：ωｍａｘ为敏感膜片的最大变形量；σｘ㊁σｙ分别为横向应力与纵向应力；ｔ为敏感膜厚；敏感膜片边长ａ＝３０００μｍ；量程ｐ＝３００ｋＰａ；杨氏模量Ｅ＝４５３．５ＧＰａ；屈服强度σｍ＝２１ＧＰａ㊂综合上述两个计算得到敏感膜厚的范围为ｔ＞４３．８５μｍ，并结合本实验室的ＭＥＭＳ加工条件，取敏感膜厚ｔ＝４５μｍ㊂为了提高传感器的灵敏度，尽可能增大传感器的初始电容值，由式（１）可知，在电容极板厚度和结构相对介电常数确定及相同的外界压力的情况下，灵敏度与ｔｇ成反比，可见通过减小电容间距可以提高传感器灵敏度㊂结合工艺条件，设计电容极板间距为１０μｍ，即电容空腔深度为１０μｍ㊂由以上设计可知，敏感膜片整体厚度为５５μｍ，且初始电容值Ｃ０＝６．０５ｐＦ㊂由于５５μｍ厚度的ＳｉＣ晶片非常脆且易碎，采用晶圆减薄工艺难以实现上述敏感膜片的制备㊂为使敏感膜片变得更加结实且保证敏感膜片厚度，本实验采用晶圆背面深刻蚀工艺㊂２㊀碳化硅电容式高温压力传感器制备为了提高传感器的灵敏度，敏感芯片采用导电型的碳化硅晶圆和半绝缘型碳化硅晶圆相结合制备而成，具体工艺流程如图２所示㊂首先将４Ｈ－ＳｉＣ晶圆背面减薄到１５０μｍ，清洗后旋涂ＡＺ５２１４光刻胶，在ＳｉＣ正面进行光刻，胶厚度控制在２μｍ左右；接着溅射５００ｎｍ的金属镍，通过剥离工艺打开刻蚀窗口；利用ＩＣＰ刻蚀ＳｉＣ１０μｍ，使用稀硝酸腐蚀多余的镍掩膜得到电容空腔，上述的工艺加工完成了电容结构的空腔制备，具体工艺流程如图２（１） （６）所示㊂接着在碳化硅背面进行深刻蚀，从而完成压力敏感膜片的制备㊂由于需要进行深刻蚀工艺，而常规的金属溅射和蒸发工艺无法为ＳｉＣ的深刻蚀提供足够厚的掩膜层，本文采用了溅射和电镀工艺制备较厚的金属掩膜层，首先溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做粘附层和５０ｎｍ的Ａｕ做种子层，然后电镀５μｍ左右的金属Ｎｉ做掩膜层，然后利用ＩＣＰ对碳化硅进行深刻蚀９５μｍ，深腔刻蚀的ＳＥＭ如图３（ａ）所示，腐蚀掉剩余的Ｎｉ掩膜以及底层的Ａｕ和金属Ｔｉ，得到碳化硅感压敏感芯片，具体工艺流程如图２（７） （１５）所示，敏感芯片实物如图３（ｂ）所示㊂图２㊀敏感芯片及电容结构制备工艺流程图为了制备键合强度高㊁密封性好的电容结构，本文采用直接键合工艺，ＲＣＡ清洗去除表面颗粒，然后在１３００ħ㊁４ＭＰａ压力下完成键合［９－１０］，如图２（１６）所示㊂随后完成电容结构的上电极极板制作，首先，溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做金属粘附层，接着溅射４００ｎｍ的Ａｕ做金属极板，完成后续的极板图形化，工艺流程如图２（１７） （１８）所示，电容键合结构如图３（ｄ）所示㊂为了方便后续的测试实验，传感器采用陶瓷和耐热金属２种材料相结合进行封装［１１］，利用高温导电浆料将芯片下极板安装在具有金属图形层的陶瓷底板㊀㊀㊀㊀㊀第３期梁庭等：基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究３㊀㊀上，然后加热固化㊂芯片电极与外部的互连采用引线键合技术，芯片的外壳封装采用金属壳封装，封装后的传感器实物如图３（ｃ）所示㊂图３㊀电容压力传感器关键工艺图３㊀测试３．１㊀测试系统介绍为检验研制的电容式高温压力传感器的性能，搭建了相应的检测平台，其中初始电容利用探针台探针分别接触传感器的上下极板，然后利用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ的４２００－ＳＣＳ半导体特性分析系统完成初始电容值测试；常温压力测试平台由压力控制系统，Ａｇｉｌｅｎｔ的４２８２Ａ阻抗分析仪构成如图４（ａ）所示；由自研的真空压力炉提供高温环境下的测试实验，测试时电容式压力传感器置于炉腔，通过耐高温导线与外部４２８２Ａ相连接，如图４（ｂ）所示㊂图４㊀压力传感器测试系统３．２㊀常温压力测试经过对样品的测试分析，得到该传感器芯片的初始电容值Ｃ０＝８．５０ｐＦ，通过封装后的压力传感器整体初始电容值Ｃ０＝１３．１５ｐＦ㊂通过与理论电容值对比发现，实际测试值大于理论电容值㊂在常温下，测试了０㊁５０㊁１００㊁１５０㊁２００㊁２５０㊁３００ｋＰａ的不同压力下的电容值，其测试结果如图５所示，曲线表示随着气压增大时，传感器电容增大，并且在０ ３００ｋＰａ内，传感器具有良好的响应，电容与压力成近似线性关系，通过计算，得到该传感器的灵敏度可以达到４．５１ˑ１０－３ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％㊂图５㊀传感器电容与压力的关系图（常温）在常压下，从常温开始逐渐升温至６００ħ，其中，每隔１００ħ为测试节点，包括２０㊁１００㊁２００㊁３００㊁４００㊁５００㊁６００ħ，每个节点保持１０ｍｉｎ，当完成６００ħ测试后，开始进行降温测试，重新进行测试实验，其测试结果如图６所示㊂从该曲线可以看出，随着温度的升高，传感器芯片的电容值缓慢增大，在２０ ６００ħ的范围内，电容变化量为８．５０ ８．６５ｐＦ㊂但相比于外界压力对它的作用，在大气压下，由温度变化引起的电容变化值几乎可以忽略不计，即该碳化硅高温压力传感器的温度漂移效应较低㊂图６㊀传感器电容与温度的关系图（高温）４㊀结束语本文在探索碳化硅ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺的基础上制备了基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器㊂与目前常用的硅基压力传感器相比，基于碳化硅材料的电容式压力传感器具有工作温度高㊁制备方法简单等优势，同时也为ȡ５００ħ工作环境下原位压力测试需求提供技术参考㊂参考文献：［１］㊀张晓莉，陈水金．耐高温压力传感器研究现状与发展［Ｊ］．传感器与微系统，２０１１，３０（２）：１－４．［２］㊀吕浩杰．基于ＳｉＣ－ＡＩＮ双凹槽结构的ＭＥＭＳ全高温接触式电容压力传感器基础研究［Ｄ］．厦门：厦门大学，２０１１．［３］㊀陈勇，郭方方，白晓弘，等．基于ＳＯＩ技术高温压力传感器的研制［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１４（６）：１０－１２．（下转第８页）㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｒ．２０２１㊀１．８μｍ的孔，其频率裂解及修调效率始终小于其他深度的孔，这与上一节的结果相似㊂孔的径向位置从里向外移动时，其频率裂解和修调效率先增大后减小，但频率裂解和修调效率的最小值始终在靠近球壳处㊂所以，对于小的频率解裂，可以靠近陀螺内侧打孔修调，以使得同样的频率裂解下去除的质量更多，加工较容易；对于大的频率裂解，可以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，修调效率更高㊂４ 结束语硅微半球陀螺小而脆弱的谐振子导致修调难度大，为确定需要合适的修调方法和工艺参数，本文介绍了硅微半球陀螺频率裂解微孔修调方法㊂并通过仿真分析了其工艺参数对频率裂解的影响规律㊂结果表明应该在低频模态上打孔以减小频率裂解㊂该方法下每去除１ｎｇ质量改变的频率裂解在２１ ３０Ｈｚ／ｎｇ之间㊂频率裂解对于各工艺参数变化较敏感，若要使得频率裂解减小到理想值，修调的加工精度需要在微米级甚至是亚微米级㊂当需要修调的频率裂解较小时，即修调孔的体积较小时，应优先使用深宽比较大的孔，并且孔的位置应尽量靠近内壁㊂对于大的频率裂解，可以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，修调效率更高㊂参考文献：［１］㊀ＫＯＵＺ，ＬＩＵＪ，ＣＡＯＨ，ｅｔａｌ．ＡｎｏｖｅｌＭＥＭＳＳ⁃ｓｐｒｉｎｇｓｖｉｂｒａ⁃ｔｉｎｇｒｉｎｇｇｙｒｏｓｃｏｐｅｗｉｔｈａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｐａｃｋａｇｅ［Ｊ］．ＡｉｐＡｄ⁃ｖａｎｃｅｓ，２０１７，７（１２）：１２５３０１．［２］㊀ＳＯＲＥＮＳＯＮＬＤ，ＧＡＯＸ，ＡＹＡＺＩＦ．３－Ｄｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｈｅｍｉ⁃ｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２５ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，Ｐａｒｉｓ，ＦＲＡＮＣＥ，２０１２．ＩＥＥＥ：ＮＥＷＹＯＲＫ，２０１２：１６８－７１．［３］㊀汪红兵，林丙涛，梅松，等．微半球谐振陀螺技术研究进展［Ｊ］．微纳电子技术，２０１７，５４（１１）：７７２－８０．［４］㊀ＢＩＳＥＧＮＡＰ，ＣＡＲＵＳＯＧ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｌｉｔａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｌｏ⁃ｃａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｉｍｐｅｒｆｅｃｔｒｉｎｇｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｎｄ＆Ｖｉｂｒａ⁃ｔｉｏｎ，２００７，３０６（３）：６９１－７１１．［５］㊀陶溢．杯形波动陀螺关键技术研究［Ｄ］．长沙：国防科学技术大学，２０１１．［６］㊀ＬＵＫ，ＸＩＸ，ＬＩＷ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｅｃｉｓｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒｉｍｍｉｎｇｏｆａｍｉｃｒｏｓｈｅｌｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｉｔｈＴ－ｓｈａｐｅｍａｓｓｅｓｕｓｉｎｇｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１９，２９０：２２８－３８．［７］㊀ＰＡＩＰ，ＣＨＯＷＤＨＵＲＹＦＫ，ＭＡＳＴＲＡＮＧＥＬＯＣＨ，ｅｔａｌ．ＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｔａｉｐｅｉ，２０１２．ＩＥＥＥ：ＮＥＷＹＯＲＫ，２０１２：１７０－３．［８］㊀孙殿竣，张卫平，唐健，等．ＭＥＭＳ微半球谐振陀螺的力反馈模态及其ＦＰＧＡ平台实现［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１７，（６）：１４１－１４９．［９］㊀刘宇，刘松，彭慧，等．力平衡模式下半球谐振陀螺数字控制回路设计［Ｊ］．压电与声光，２０１５，３７（５）：８９９－９０３．［１０］㊀李巍，金鑫，任顺清．半球谐振陀螺仪频率裂解及固有刚性轴的测试方法［Ｊ］．传感技术学报，２０１６，２９（３）：３３８－４２．［１１］㊀张荣．四面体与六面体网格特征比较［Ｊ］．企业技术开发，２０１２，１３１（２３）：１０１－１０２．［１２］㊀ＸＩＡＮＧＸ，ＷＵＹ，ＷＵＸ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｆｆｅｃｔｓｆｏｒｔｒｉｍｍｅｄｃｕｐｐｅｄｒｅｓｏｎａｔｏｒｕｎｄｅｒｖａｒｙｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１３，１８９（２）：４２９－４４０．［１３］㊀ＢＥＲＮＳＴＥＩＮＪＪ，ＢＡＮＣＵＭＧ，ＢＡＵＥＲＪＭ，ｅｔａｌ．ＨｉｇｈＱｄｉａｍｏｎｄｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ：ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｍｉｃｒｏ⁃ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，２５（８）：０８５００６．作者简介：胡友旺（１９８１ ），教授，博士，主要研究方向为飞秒激光微纳制造㊁集成光机电系统（ＭＯＥＭＳ）㊁微传感器及其检测系统㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕｙｗ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ钟宏民（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为陀螺的频率裂解修调㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｈｏｎｇｍｉｎ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３页）［４］㊀周继承，郑旭强，刘福．ＳｉＣ薄膜材料与器件最新研究进展［Ｊ］．材料导报，２００７，２１（３）：１１２－１１４．［５］㊀揣荣岩，吕品，杨宇新，等．压阻式小量程ＳＯＩ压力敏感结构仿真分析［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（２）：１４－１７．［６］㊀汪赟，郝秀春，蒋纬涵，等．基于ＳＯＮ构造的电容式绝对压力传感器设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１９，３８（６）：６６－６９．［７］㊀ＷＵＦ，ＣＨＥＮＸＹ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｃｈｉｅｖｉｎｇｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｉｅ⁃ｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅａｎｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，４３：１７５－１８８．［８］㊀王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天津：天津出版社，２０１４：４６－４９．［９］㊀ＭＵＦ，ＸＵＹ，ＳＨＩＮＳ，ｅｔａｌ．ＷａｆｅｒｂｏｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣ－ＡｌＮａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＡｌｌ－ＳｉＣｃａｐａｃｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ，２０１９（１０）：６３５．［１０］㊀李旺旺，梁庭，张迪雅，等．表面处理对碳化硅直接键合的影响研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（７）：１２－１４．［１１］㊀高岭，赵东亮．系统级封装用陶瓷基板材料研究进展和发展趋势［Ｊ］．真空电子技术，２０１６（５）：１１－１４．作者简介：梁庭（１９７９ ），博士，副教授，主要从事ＭＥＭＳ高温压力传感器㊁微光学集成气体传感器㊁宽禁带半导体传感器以及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｔｉｎｇｎｕｃ＠１６３．ｃｏｍ．李强（１９９５ ），硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ高温压力传感器及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｎｊｋ０８＠１６３．ｃｏｍ。
沈阳第三粮库粮仓料位智能检测装置设计
（ １ Ｏ）
１４ ０
农 机 使 用 与 维 修
１ ６ 看 门狗 电路 设 计 ．
２１ ０ ０年第 ５期
路 主要优 点是 ： 合做 精密 电容测量 。 适
１３ 数据 采 集 电路 设 计 ．
Ｃ Ｕ在 通过与 ｂ Ｘ １Ｌ连 接 的 口线 Ｐ ． ３ 在 Ｐ ｌ ８３ Ａ ３． ，
振 荡 电路 产 生 ２０ Ｈ ０ ｋ ｚ正 弦 波 ， 放 大 电 路 放 经 大， 以达到所需 要 的电压值 ， 经功 率 驱 动 电路 驱动 再
３ 变频 调速 自动补 水 系统 的优点
量 电路 的作用 为
：把微小 的 电容 变化 量 放大 ， 变 为 转 可 由单 片机识 别 的数字量 本 系统采 用 Ｃ Ｖ转换 电 ／
Ａ Ｄ转换 电路 是数 据 采 集 系 统 的核 心 电路 ， ／ 它 对 采样获得 的连续 电压 （ 测量 信 号 从 时 间上 离 散 被 化） 换 成数字量 （ 字 上离散化 ） 转 数 。本 系 统 采 用 ＭＡ １７标准 微处 理 器并 行 接 口， 过读／ 三态 数 Ｘ９ 通 写 据 ＩＯ端 口， ／ 可实 现工作 模式 的选择 、 ／ Ａ Ｄ启 动及 读
储、 数据分 析等 主要管 理功 能 。系统 总线 路如 图 １ 。
篮
片
机
１ 系统硬件 电路 设计 ｌ １ 正 弦激励 源电路 ・
． 图
． ．
ห้องสมุดไป่ตู้
ＭＡＸ １ ７ ９
，
与 Ａ 、 ｃ 单 片机 接 口 电路 １９ ５ ８
．
。
料 位 的测量 过 程 是
：
料 位 一电容 量 一电压 。测
２ １ 第 ５期 ０ ０年
料位传感器工作原理
料位传感器工作原理
料位传感器是一种用于测量物料的高度或位置的设备，它能够将物料的状态转化为电信号或其他形式的输出信号。
通常，料位传感器由探测部分和信号转换部分组成。
探测部分是用于感应物料高度或位置的部分。
常见的探测部分包括：超声波传感器、电容式传感器、激光传感器、浮子传感器等。
这些传感器会通过不同的物理原理来感应物料的高度或位置。
超声波传感器通过发射超声波脉冲，并测量超声波从传感器发射到物料表面再返回的时间来计算物料的高度。
声波在空气中的传播速度已知，因此可以通过测量时间来计算出物料的高度。
电容式传感器利用物料的介电常数与空气的介电常数不同这一原理来实现测量。
通过测量物料与传感器之间的电容变化，可以确定物料的高度。
激光传感器是利用激光束的特性来感应物料高度或位置的传感器。
它会向物料发射一束激光，并测量激光束反射回传感器的时间，通过计算光的速度和时间差来确定物料的高度。
浮子传感器是一种机械式的传感器，它通过浮子的浮沉来感应物料的高度变化。
当物料的高度升高或下降时，浮子也会相应地上升或下沉，通过浮子与传感器的接触来转换成电信号。
信号转换部分用于将探测部分感测到的物料状态转换成可用的
输出信号。
这些输出信号可以是电流信号、电压信号、数字信号等。
信号转换部分根据不同的传感器原理和应用需求，选择相应的电路和转换技术来实现。
电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用
C1=ε0εrA0 从上式可以看出, 传感器的电容量 C 与角位移θ呈线性关系。
2.3 变介质型电容式传感器 因为各种介质相对介质常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电
2.电容式传感器的基本工作原理 以储存电荷为目的制成的元件称为电容器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平
板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为
c A 0r A dd
平行板电容器
ε为电容极板间介质的介电常数, ε0 =8.83×10-12F／m,其中ε0 为真空介 电常数, εr 为极板间介质相对介电常数; A 为两平行板所覆盖的面积; d 为两平行板之间的距离。
近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其 是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技 术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式 智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。 2011 年，美国 Consensic 公司推出革命性新型微机电（MEMS）智能电容式压力传感器 CPS120，是全世界唯一一家数字式 MEMS 电容式压力传感器的厂商。 CPS120 智能压力传感器基于系统级封装解决方案（SIP），包含超小型电容式 MEMS 绝对压 力传感单元，同时集成智能高精度数字电路（ASIC）和温度传感器。相比其他压力传感器 厂商传统的压阻式（PRT）绝对压力传感器，电容式压力传感器可以提供更高的精度、更低 的功耗、更好的稳定性和一致性、以及工作在极端温度、湿度环境下的超强能力。 除了 CPS120 以外，已有 MEMS 电容式加速度传感器、MEMS 硅膜电容式气象压力传感器 等一系列智能传感器问世。总之,随着传感器技术的发展,电容式传感器的形式将会多种多样, 其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全 面性能的进一步提高,同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。 6.总结
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。