基本信息
- 项目名称：
- 压力传感器与水位控制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品利用半导体工艺制备的单晶硅电阻块作为敏感压阻元，并连接成惠斯顿电桥，在电桥输入端连接恒流源。当连接成电桥的电阻单元受到压力作用时，电阻会发生变化，电桥平衡遭到破坏，输出端电信号发生变化，从而实现把压力信号转换为电信号输出，可以实现对多种流体压力的测量。本作品把半导体工艺制作的高灵敏度和高精度传感器用作压力开关并应用于液位控制和深度测量。
- 详细介绍：
- 本作品利用半导体工艺制备的单晶硅电阻块作为敏感压阻元，并连接成惠斯顿电桥，在电桥输入端连接恒流源。当连接成电桥的电阻单元受到压力作用时，电阻会发生变化，电桥平衡遭到破坏，输出端电信号发生变化，从而实现把压力信号转换为电信号输出，可以实现对多种流体压力的测量。本作品把半导体工艺制作的高灵敏度和高精度传感器用作压力开关并应用于液位控制和深度测量。 本作品来源于实际应用，可以作为压力开关应用于液位控制和深度测量，作品核心由压力传感器和单片机控制系统组成。压力传感器利用单晶硅作为敏感元（利用半导体工艺制成电阻块）实现压力转换，把压力信号转换成可测量的电学信号，根据电学信号判断水位深度。压力信号通入到控制系统，当压力低于设定数值时，控制系统对水泵发出工作命令进行抽水，当水位达到设定高度时，压力信号传输到控制系统，命令水泵停止工作，从而实现水位的控制。本制作中，购置了硅单晶敏感元芯片，利用相关封装工艺进行引线制作，壳体封装，检漏测试，电信号输出检测；控制系统采用单片机、A/D电路等。具体内容见附件。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 本作品利用半导体工艺制备的单晶硅电阻块作为敏感压阻元，并连接成惠斯顿电桥，在电桥输入端连接恒流源。当连接成电桥的电阻单元受到压力作用时，电阻会发生变化，电桥平衡遭到破坏，输出端电信号发生变化，从而实现把压力信号转换为电信号输出，可以实现对多种流体压力的测量。 基本思路： 本作品可以作为压力开关应用于液位控制和深度测量，作品核心由压力传感器和单片机控制系统组成。压力传感器利用单晶硅作为敏感元实现压力转换，把压力信号转换成可测量的电学信号，根据电学信号判断水位深度。创新点： 1. 本作品利用晶体硅材料作为电阻敏感元制作传感器，敏感元输出设计成开环形式，可用桥臂并联电阻法和串接电阻法调平衡，而且补偿热零点漂移和灵敏度漂移也较方便。 2. 控制系统前置放大采用仪表级运放，保证测量精准可靠确保控制精确无误。 3. 控制系统具有友好的交互界面，方便设置各种参数，实时显示水位（压力）数值，方便用户了解系统状态。 技术关键： 1. 手工静封工艺： 2. 精密压焊工艺： 3.模拟的RS232串口： 4. 软硬件相结合的抗干扰技术： 主要技术指标： 1、系统电源：220V，50Hz；传感器电源：12V（由系统电源提供）； 2、水位控制精度：1mm； 3、水位深度：100mm～10m； 4、介质温度: 0～85℃ ，环境温度: -20～85℃； 5、使用方式：投入式
科学性、先进性
- 1、本作品把半导体工艺制作的高灵敏度和高精度传感器用作压力开并应用于液位控制和深度测量。作品中压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，它具有较高的工作测量精度、较低的功耗和较低的成本，利用半导体工艺制备的电阻敏感元可以大批量生产。电阻连接成惠斯顿电桥，在电桥输入端连接电源。当连接成电桥的电阻单元受到压力作用时，电桥平衡遭到破坏，输出端电信号发生变化，从而实现把压力信号转换为电信号输出，从而可以实现对多种流体压力的测量。 2、作品以MEMS技术设计制造的硅压阻压力传感器为基础，与单片机控制系统相结合，通过传感器测量水压得到水位信息，由控制系统根据水位信息控制水泵工作状态。硅压阻压力传感器在工作时弹性膜片为硅膜，最大位移仅为1～2μm，不存在机械疲劳及磨损等问题。传感器输出的电压信号与集成电路元件组成的电子电路耦合方便，也无机械拉动与联接，也就不存在磨损与寿命问题及可靠性问题。人性化控制界面设计，方便用户根据实际情况灵活调整液位控制的上、下限。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在2009年江苏省高校第六届大学生 物理及实验科技作品创新竞赛中获得特等奖
作品所处阶段
- 本作品目前处于中试阶段。
技术转让方式
- 暂不转让
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，图片，图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 在使用时电源采用普通市电供电，传感器放入水箱底部，通过测量水压换算成水的深度，实现水位的自动控制。 技术特点： 1.采用的硅压力传感器灵敏度高，性能稳定，工作可靠，具有广阔的应用前景。 2.控制系统前置放大采用仪表级运放，保证测量精准可靠。 3.控制系统具有友好的交互界面，方便设置各种参数，实时显示液位（压力）数值，方便用户了解系统状态。 适应范围： 本系统可广泛应用于气、液的压力控制和显示，在工农业、生活中均可应用，如在环境检测和生活中用到的湖泊水位监控，水塔水位控制，水井水位监控，地下设施水位控制，排水系统控制等。 推广前景： 本系统可用于各类气、液的压力控制和显示，在生产生活中有广泛的应用，小到电冰箱、洗衣机、空调的压力控制，大到航空航天中的气压控制都可采用。且本系统与市面同类产品相比，成本较低，性能稳定可靠，还根据环境需要进行选择性封装，有很好的市场竞争力。
同类课题研究水平概述
- 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境和民用生活领域，涉及水利、铁路交通、智能建筑、生产控制、航空航天、军工、石化、油井、船舶、机床、管道等众多行业。 目前传感器制作中，半导体材料占有重要的地位。半导体单晶硅材料在受到外力作用时，产生极微小应变，从而导致其电阻率剧烈的变化，即压阻效应。在上世纪五十年代才开始发现和研究这一效应的应用价值。利用压阻效应原理，采用三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上按特定晶向制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，集应力敏感与电力转换检测于一体的力学量传感器为固态压力传感器。以气，液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器，它诞生于六十年代末期。显然，它较之传统的膜盒电位计式，力平衡式，变电感式，变电容式，金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进的多。 一般扩散型硅力敏电阻构成惠斯顿电桥用于测量，作品利用晶体硅材料作为敏感元制作传感器，敏感元输出设计成开环形式，可用桥臂并联电阻法和串接电阻法调平衡，而且补偿热零点漂移和灵敏度漂移也较方便，也可以用万用表直接测定四个桥臂力敏电阻的阻值。通过封装工艺和电路设计把芯片敏感元感应信号转化为可直读的电信号，可以放入水中测量水压变化，得知水位高度，信息反馈到控制系统以控制进水和水深。 目前市场上有多家公司从事压力传感器制作和推广，如武汉市精工电子研究所，上海铭动电子科技有限公司，佛山市赛普特电子仪器有限公司等都以压力传感器作为主打作品，采用硅微机械加工技术制造，壳体采用高强度特种航空材料封装，耐温、耐磨、耐腐蚀、体积小、重量轻、稳定性好、输出信号大，可长期用于测量气、水、油、酸碱等介质，具有极强的介质兼容性。 本作品现用于水位控制，采用不锈钢壳体进行封装，稳定性好，作品近两年来性能一直很稳定。以后可以选择合适的封装材料和封装工艺以满足不同的工作环境。
