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采用微系统技术的农业仪器

采用微系统技术的农业仪器

现实农业的信息是通过传感器获得的,与人们的生活息息相关。农业仪器的传感器已大举进入工业自动化领域,且在无线通信、消费品领域亦有广泛的发展空间。传感器种类繁多,涉及物理、化学、电子、机械、生物、医学等学科。在众多传感器技术中,微系统技术起着关键的作用,利用这一技术已研制了各种类型、性能可靠的传感器。此外,传感器无线网络化也是当前一个热门话题,为传感器应用另辟一条蹊径。本文将详细介绍这方面的发展情况。
农业仪器微系统技术:MST(微系统技术)泛指系统内使用有源和无源两种微结构组件的一门技术。MST隐含MEMS(微机电系统),两个术语常常是通用的。微结构或微组件表示长度单元为微米级,最小达100nm的工艺与技术,该技术的崛起又出现了NEMW(纳米机电系统),它可以看作是MEMS的延伸。MNT(微与纳米技术)则是两者的融合,是一门兼有两种工艺和技术特点的更高级的技术。
农业仪器的传感器微型化的优点是不言而喻的。由于它采用与半导器件相同的材料和工艺加工的,因此可制作嵌入式传感器、阵列型传感器、多功能传感器以及智能传感器。由于传感器体积小、功耗低,便于进行分布式测量,更进一步可实现无线传感器网络。
汽车行业是MEMS传感器的一个大市场,除目前的温度、压力、安全气囊加速计和轮速传感器外,还会在轮胎压力监控、车辆动态控制和陀螺仪/速度传感、制动压力传感、引擎射出压力传感和燃料气化压力传感诸多方面大量应用。加速计是比较有代表性的一款产品。
早期MEMS采用多芯片方案,传感元件(MEMS结构)在一个芯片上,而信号调理电路在另一个芯片上。从工艺加工观点,这一方法是比较简单的。
最新一代加速计传感器都是单芯片的,如AD公司的ADXL 202E集成EMES加速计,它是目前已批量生产的小型、廉价、低重力集成化双轴加速计。图1是ADXL202E机械结构的示意图。MEMS结构用多晶硅弹簧悬挂在衬底上,传感器本体可沿X轴和Y轴移动。四方形传感器本体四周设有32组径向指状横杆。这些指状横杆处于固定在衬底上的两条平板之间。每条指状横杆一对固定板组成一个差动电容。传感器本体相对子中心位置的任何偏离通过差动电容的测量来确定。这种传感器既能测量动态加速度(如冲击或震动),也能测量静态加速度(如倾角或重力)。
农业仪器的 差动电容是采用同步调制/解调技术测量的。放大后的X轴和Y轴加速度信号分别通过32KΩ电阻加至CX和CY输出引脚以及PWM调制器。在CX和CY引脚处增加电容能限制带宽,从而降低噪声电平。PWM与加速度成正比,其输出可直接送至微处理器的数字输入端,用计数器解调PWM信号。
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