基于电容式传感器的料位检测系统研究

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。

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。

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。

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 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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。

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。

港口筒仓料位仪表发展现状综述◎ 沈超宇 温皓白 张德文 交通运输部水运科学研究院摘 要：随着我国港口规模越来越大，粮食和煤炭等矿石原料的进出港量得到了快速的增长，对筒仓的需求也逐渐增大。

在港口筒仓的建设中，料位仪表是十分重要的控制仪器，料位计和料位开关可以对筒仓内料堆的高度进行实时监控，对港口的正常稳定运行起着重要的作用。

本文通过分析港口几种常见的料位计和料位开关，对其原理、结构和适用场景进行分析和总结，并从特点、优缺点以及成本上进行对比，为港口码头使用合适的料位仪表提供选择。

料位计及料位开关的应用和发展，对港口实现筒仓物料的精准测量和准确控制具有重要的意义，为港口筒仓的物资运送和储存提供了保障。

关键词：港口筒仓；料位计；料位开关1.引言在干散货码头中，通常需要将物料存储在筒仓中，其中固体颗粒的储存占据了较大的比例，主要以散粮筒仓和煤炭筒仓为主[1]。

为了保证筒仓的安全性，防止筒仓中料堆过高而影响港口的正常生产运营，对料堆高度进行实时监测是十分必要的，通常采用物位仪表对料堆的高度进行测量。

物位仪表指的是对物位进行测量、显示、报警与控制的装置，包括物位计及物位开关两类[2]。

物位计与物位开关两者的区别在于，物位计是对物位进行连续测量的物位测量仪表，而物位开关是对物位进行定点式测量的物位测量仪表。

从定义上分类，物位计包括测量气-液界面的液位计、测量气-固界面的料位计以及测量液-液界面和测量液-固界面的界位计；而物位开关包括测量气-液界面的液位开关、测量气-固界面的料位开关以及测量液-液界面和测量液-固界面的界位开关[3]。

在港口中，粮食和煤炭筒仓的料位高度监测通常采用料位计或料位开关。

顾名思义，料位计指的是对筒仓内料堆的高度进行测量的仪器；料位开关指的是控制筒仓内料堆高度的仪器[4]。

本文通过对目前港口筒仓采用的料位计和料位开关进行分析，总结不同的料位仪器的特点和应用场景，为筒仓内选择和应用料位仪器提供新的思路。

智能仪器课程设计报告书课程名称：智能仪器设计题目：电容式传感器的位移特性实验学院：电气学院专业：测控技术与仪器班级：BG0XX组员：XXX XXXXXX XXX摘要仪器仪表式获取信息的工具，式认识世界的手段。

它是一个具体的系统或装置。

它最基本的作用是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。

随着科学技术的不断发展，人类社会已经步入信息时代，对仪器仪表的依赖性更强，要求也更高。

现代仪器仪表以数字化、自动化、智能化等共性技术为特征获得了快速发展。

关键词：智能仪器、微型计算机AbstractInstrument information access tool, a means of understanding the world style. It is a specific system or device. It is the most basic role is to extend, expand, complement or replace human auditory, visual, tactile and other organ functions. With the continuous development of science and technology, mankind has entered the information age, more dependent on the instrument, demanding more. Modern instrumentation to digital, automatic and intelligent features such as access to common technologies for the rapid development.Keywords:Intelligent instruments, micro-computer目录摘要 (I)ABSTRACT (III)第1章电容式传感器 (1)1.1电容式传感器工作原理 (1)1.2电容式传感器的结构类型 (2)1.3电容式传感器的优缺点 (2)第2章电容式传感器的位移特性实验 (4)2.1实验目的 (4)2.2基本原理 (4)2.3需用器件与单元 (4)2.4实验步骤 (5)2.5 A/D转换 (6)课程设计小结 (7)参考文献 (8)第1章 电容式传感器1.1 电容式传感器的工作原理两块极板之间的间隙变化，或是表面积变化，将使电容量改变，根据这一原理制成的传感器称为电容式传感器。

基于PLC的物料自动分拣系统设计摘要随着工业自动化的普及和发展，生产过程中物料分拣的效率问题越来越引起人们的关注。

重复繁琐的人工分拣物料过程已不能满足企业追求的生产效益和如今社会的需求。

人、机器与物料三者关系的协调，已成为我们需要解决的重要问题之一。

理所当然，用尽可能少的人力控制机器分拣物料来完成如期的生产任务是最佳的选择模式——即采用自动化技术代替人工分拣物料的过程。

本文主要讲述PLC在材料分拣系统中的应用，利用可编程控制器( PLC) ，设计成本低、效率高的材料自动分拣装置。

以PLC为主控制器,结合气动装置、传感技术、位置控制等技术，控制产品的自动分拣。

系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制的特点，可根据不同对象，稍加修改本系统即可实现要求。

关键词：传感器PLC 物料分拣目录第1章绪论 (1)1.1 论文研究背景 (1)1.2 研究现状及发展趋势 (1)1.3 论文研究的意义 (1)1.4 本论文研究的主要内容 (2)第2章物料分拣装置结构及总体设计 (3)2.1 材料分拣装置工作过程概述 (3)2.2 系统的技术指标 (4)2.3 系统的设计要求 (4)2.3.1功能要求 (4)2.3.2系统的控制要求 (4)第3章控制系统的硬件设计 (6)3.1系统的硬件结构 (6)3.2 系统关键技术 (6)3.2.1系统对PLC的要求 (6)3.2.2 PLC的选择 (7)3.2.3 PLC的输入输出端子分配 (9)3.2.4 PLC输入输出接线端子图 (10)3.3 检测元件与执行装置的选择 (11)3.3.1 输入电气元件 (11)3.3.2 输出电气元件 (16)3.3.3 执行电气元件 (18)第4章控制系统的软件设计 (22)4.1控制系统流程图设计 (22)4.2 西门子编程软件、模拟仿真软件 (23)4.2.2 西门子仿真软件 (23)4.3 控制系统程序设计 (24)第5章控制系统的调试 (30)5.1硬件调试 (30)5.2软件调试 (30)第6章总结 (31)参考文献 (32)致谢 (33)附录 (34)第1章绪论1.1 论文研究背景在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

料位传感器工作原理
料位传感器是一种用于测量物料或液体的储存容器中的物料高度的设备。

它们根据特定的工作原理来检测物料的位置，并将其转换为相应的电信号。

以下是几种常见的料位传感器工作原理：
1. 静压力原理：静压力原理是最常见的料位传感器工作原理之一。

该传感器利用物料的静压力来测量物料的高度。

在容器底部和物料之间建立的静压力差会转化为相应的电信号，从而得到物料的高度信息。

2. 超声波原理：超声波料位传感器使用超声波技术来测量物料的高度。

传感器发射超声波脉冲，并通过测量波的回弹时间来计算物料的高度。

这种传感器适用于对环境要求较高、物料性质多变的场景。

3. 振子原理：振子料位传感器利用质量块在容器内的振动来测量物料的高度。

当物料的高度改变时，质量块的振动频率也会发生相应的变化。

传感器通过测量振动频率来获取物料的高度信息。

4. 电容原理：电容料位传感器利用物料与传感器间的电容变化来测量物料的高度。

当物料的高度改变时，电容器的电容值也会发生相应的变化。

通过测量电容值的改变，传感器可以得到物料的高度。

这些是一些常见的料位传感器的工作原理。

根据具体的应用场
景和要求，选择合适的工作原理的料位传感器可以提高测量的准确性和稳定性。

电容式位移传感器可以实现非接触测量, 用来测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置、振动位移等。

CapaN CD (非接触电容位移传感器) 测量原理的基础在于理想平板电容的构成, 两个平板电极由传感器和相对应的被测体组成, 当恒定的交流电加在传感器电容上时, 传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比,交流电压经检波器,与一个可设置的补偿电压叠加,经放大,作为模拟信号输出。

capaN CD T610 是一个精密的单通道系统, 它由电容位移传感器, 传感器电缆和处理信号的前置器组成,用户可以在现场用二点线性化方法校准。

这种传感器的特点是工作时无磨损,免维修、对被测体没有作用力、具有高的零点稳定性和精度、与被测体导电性能以及导电性能变化无关而且几乎不受温度影响。

capaN CD T610 可输出0～10 V 的电压,在牺牲精度的情况下,测量范围还可以扩大2～3 倍。

2. 2 电容式物位传感器电容式物位传感器有两个导电极板(通常把容器壁作为一个电极) , 由于电极间是气体、液体或固体而导致静电容发生变化, 因而可以敏感物位。

它的敏感元件有三种形式, 即棒状、板状和线状, 其工作温度、压力主要受绝缘材料的限制。

电容式物位传感器可以采取微机控制,实现自动调整灵敏度,并具有自诊断功能,同时能够检测敏感元件的破损、绝缘性的降低、电缆和电路的故障等, 并可以自动报警,实现高可靠性的信息传递。

由于电容式传感器无机械可动部分, 且敏感元件简单, 操作方便, 是目前应用最广的一种物位传感器。

2. 3 固态电容式指纹传感器个人身份的确定和权限的认定是人类社会生活的一个重要环节,尤其随着信息网络时代的到来,人们对安全性的要求越来越高。

传统的身份识别方法在安全性、可靠性方面的不足越来越明显。

随着传感器技术的发展,人们利用电容式传感器对人体不变的生物特征如指纹进行识别,从而识别人的身份, 可靠性大大提高,广泛应用于养老金领取、人事工资管理、银行柜员身份确认等很多场合。

物位检测的方法一、引言物位检测是指检测物料在容器中的高度或数量，是工业自动化生产中不可缺少的一环。

本文将介绍物位检测的常用方法，包括接触式和非接触式两种。

二、接触式物位检测方法1. 浮球式物位开关浮球式物位开关是一种常用的接触式物位检测方法。

它通过一个浮球来控制开关的状态，当液位上升时，浮球随之上升，当液位下降时，浮球也随之下降。

当液位达到设定高度时，浮球会推动开关闭合或断开。

2. 振叉物位开关振叉物位开关是一种基于机械振动原理的接触式物位检测方法。

它通过一个振荡器和两个叉子组成，在正常情况下，两个叉子间隔一定距离，并保持振荡状态。

当有物料进入容器并堆积到叉子上方时，振荡器会停止振荡并发出信号。

3. 电容式物位传感器电容式物位传感器是一种基于电容原理的接触式物位检测方法。

它通过将传感器放置在容器内部，当物料接触到传感器时，会改变传感器的电容值，从而检测物位高度。

三、非接触式物位检测方法1. 激光雷达物位检测激光雷达物位检测是一种基于激光原理的非接触式物位检测方法。

它通过向容器内部发射激光束并接收反射回来的信号来确定物料的高度。

该方法可以应用于各种不同类型的容器，具有高精度和高可靠性。

2. 超声波物位检测超声波物位检测是一种基于超声波原理的非接触式物位检测方法。

它通过向容器内部发射超声波并接收反射回来的信号来确定物料的高度。

该方法适用于各种不同类型的液体和固体，并具有较高的可靠性。

3. 微波雷达物位检测微波雷达物位检测是一种基于微波原理的非接触式物位检测方法。

它通过向容器内部发射微波并接收反射回来的信号来确定物料的高度。

该方法适用于各种不同类型的液体和固体，并具有较高的可靠性和精度。

四、总结物位检测是工业自动化生产中不可缺少的一环，本文介绍了接触式和非接触式两种常用的物位检测方法。

其中，接触式物位检测方法包括浮球式物位开关、振叉物位开关和电容式物位传感器；非接触式物位检测方法包括激光雷达物位检测、超声波物位检测和微波雷达物位检测。

电容式料位传感器的设计设计概述：1.电容测量电路设计：电容测量电路是电容式料位传感器的核心部分，其主要功能是测量物料与传感器电极之间的电容。

在设计电容测量电路时，需要考虑以下几个因素：-电极材料选择：传感器电极的材料应具有良好的电容变化特性，通常选择金属或导电性较好的材料。

-电极形状设计：电极的形状决定了电容变化的大小和灵敏度，常见的形状有圆形、矩形、平行板等。

-电容测量电路的输入电阻：电容传感器的输入电阻决定了电容测量电路对电容变化的响应速度和灵敏度。

一般来说，输入电阻越大，灵敏度越高，但响应速度越慢。

2.信号处理电路设计：信号处理电路的主要作用是将电容测量电路测量到的电容变化转化为电压信号。

在设计信号处理电路时，需要注意以下几个因素：-信号放大和滤波：为了提高信号的稳定性和准确性，应采用适当的放大和滤波电路。

-温度补偿：物料的温度变化会对电容值产生影响，因此需要进行温度补偿，以确保测量结果的准确性。

-噪声抑制：传感器测量过程中往往存在各种干扰，如电源波动、电磁干扰等，需要采取相应的措施进行噪声抑制。

3.输出电路设计：输出电路用于将电压信号转化为标准电信号输出，以便于用户读取和处理。

常见的输出方式有模拟输出和数字输出两种。

-模拟输出：通过模拟电路将电压信号转化为模拟量输出，一般采用0-10V或4-20mA的电压信号输出。

-数字输出：将电压信号转换为数字信号输出，常用的方式是采用模数转换芯片进行信号转换。

总结：通过以上设计步骤，可以设计出一种稳定、准确的电容式料位传感器。

在实际应用中，还需要对传感器进行校准和稳定性测试，以确保传感器的测量结果可靠。

同时，需考虑传感器的使用环境，选择适当的材料和防护措施，以确保传感器能够在各种恶劣条件下正常工作。