基于分块PCA方法改进的面部识别技术外文翻译资料

 2022-12-06 15:52:21

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陶瓷MEMS设计用于工业环境中的无线压力监测

Marko Pavlin 1,*, Darko Belavic 2 and Franc Novak 2

1 In.Medica d.o.o., Levicnikova 34, 8310 Sentjernej, Slovenia 2 Jozef Stefan Institute, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenia; E-Mails: darko.belavic@ijs.si (D.B.); franc.novak@ijs.si (F.N.)

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: marko.pavlin@inmedica.si; Tel.: 386-7-3934-959; Fax: 386-7-3934-849.

收到：2011年11月24日

修订格式：2011年12月19日

接受日期：2011年12月19日

发布日期：2011年12月29日

摘要：本文介绍了恶劣环境中应用无线压力监测系统的设计。涉及了用低温共烧陶瓷（LTCC）制成的两种类型的陶瓷压力传感器。 第一种是压阻式应变计压力传感器；第二种类型是电容式压力传感器，其原理是基于两个电极之间的电容值的变化：一个电极是固定的，另一个电极在受到压力的情况下是可移动。该设计主要集中在低功耗。 存在干扰的可靠操作，如电磁干扰，寄生电容等，被证明是矛盾的约束。 选择具有高桥阻抗的压阻陶瓷压力传感器用于无线压力监测系统，并且已经实现了使用能量采集技术的可接受的解决方案。 所描述的解决方案允许传感器元件与能量收集器的集成，该能量收集器具有印刷的厚膜电池和在紧凑的壳体内的单个基板中的完整的电子器件。

关键词：能量收集；压力测量；厚膜传感器

  1. 介绍

微机电系统（MEMS）可以用各种技术和各种材料制造。 MEMS通常通过微加工硅制造，但在某些应用中，陶瓷材料是非常有用的替代品，特别是在恶劣环境和高温下。使用低温共烧陶瓷（LTCC）制成的层压3D结构对于所谓的陶瓷MEMS是特别实用的[1-7]。

MEMS市场最大的部分之一就是压力传感器。 市场目前由硅压力传感器主导，但在一些要求苛刻的应用中，厚膜技术和陶瓷材料可用于制造传感器系统，即陶瓷或厚膜压力传感器。与半导体传感器相比，它们更大、更坚固、灵敏度更低，而且对恶劣环境具有很高的耐受性。低温共烧陶瓷（LTCC）技术和材料适用于形成压力传感器以及厚膜技术的三维（3D）结构，该材料可用于创建电子互连，电容器电极，压电电阻和其他电阻 [4-8]。

在典型的无线压力传感器系统中，电源是自主的，主要基于不同类型的能量收集或电池。在这两种情况下，功耗水平对系统的尺寸和复杂性以及在电池供电情况下所需的频繁充电都有重大影响。 因此，不仅在电子电路（信号调节，微控制器，无线收发器等）中，而且还在感测元件或换能器中，自动操作传感器的功率消耗应尽可能的最小化。降低感应元件功耗的另一个非常重要的原因在于产生热量的感应元件中的高功率消耗。更多的热量增加了传感器的预热时间，降低了传感器特性的稳定性[9]。

无线压力监测[10-12]在工业环境中必须满足许多不同的要求[13-15]。本文主要侧重于两个方面，一个是用于恶劣环境应用的传感元件（传感器）的设计和制造；另一个是系统的低功耗和有效的能源管理。能源管理包括如何从环境（能量收集），能量存储和自主能源获得能量以及系统的所有组件（包括感测元件）的低功耗。本文的结构如下：在第2节中，简要概述了恶劣环境应用的两个传感器候选者的基本特性，他们的设计在[8]中有更详细的描述；在第3节中描述了集成到自主无线传感器节点中；第4节和第5节中是实现和实验结果报告；第6节中得出了实验结论。

2.传感器装置

2.1．LTCC压力传感器的构造

LTCC技术和材料适用于制造厚膜压力传感器的陶瓷结构，它可在宽温度范围和不同介质（气体，液体）中工作[2,8,16,17]。该结构由圆形，边缘夹紧的可变形的隔膜组成，其结合到刚性环和基底，在基底衬底中是用于施加基准孔或差压的孔。这些元件形成压力传感器的空腔，空腔的深度对于电容型压力传感器尤其重要，并且取决于刚性环的厚度。陶瓷压力传感器的LTCC结构的横截面和顶视图如图1所示。

图1. LTCC压力传感器结构的照片（A），横截面（B）和俯视图（C）

构建图1中的结构用于测量0至100kPa范围内的压力，以及约400kPa的爆破压力。对于这些特性，我们设计了厚度为200mu;m，半径为4.5 mm的隔膜。当结构设计用于电容式压力传感器时，腔的深度约为80mu;m。 它应该尽可能低，但技术限制在50微米左右。 对于高容量稳定生产，80mu;m被选为可制造性和所需性能之间的最佳权衡。用于80mu;m空腔的LTCC箔是DuPont 951PP，当未烧制时为100mu;m箔。烧成后，厚度缩小至80mu;m。当结构设计为压阻式压力传感器时，功能窗口较深，因为隔膜只能在边缘悬挂，间隙尺寸不重要，因此等于标准LTCC原材料厚度为200mu;m。 用于200mu;m膜的LTCC箔是DuPont 951PX。用LTCC材料制作的3D LTCC结构内的空腔的横截面如上图所示。对陶瓷压力传感器施加的压力使柔性和可变形的隔膜变形。变形如图2所示。

图2.在施加的压力P下LTCC压力传感器的结构的横截面，其导致膜片中间的偏转y（0）

传感器结构的结构、尺寸和材料特性影响所有类型陶瓷压力传感器的传感器特性。通过等式（1）描述LTCC结构的几何形状和材料特性对施加压力下边缘夹紧的可变形隔膜的偏转的依赖性：

(1)

其中来自隔膜中心的位置r处的偏移y是所施加的压力P的函数，隔膜的材料特性（杨氏模量E和泊松比nu;）以及隔膜的尺寸（厚度t， 和半径R）。

2.2压阻陶瓷压力传感器

压阻陶瓷压力传感器（图3）是基于丝网印刷和烧结在可变形隔膜上的厚膜电阻器的压阻特性。压阻陶瓷压力传感器具有四个厚膜电阻，用作应变计并将应变转换成电信号。 感应电阻位于隔膜上，使得两个在拉伸应变下，两个处于压应变状态。这四个电阻器以惠斯通电桥配置电连接，并用稳定的桥式电压激励。惠斯通电桥与单个陶瓷基板中的电子调理电路集成（图4）。

图3.压阻陶瓷压力传感器

图4.压阻感测元件连接到电子调理电路

连接在惠斯通电桥中的感应电阻和电桥电压（Vb）的电阻对功耗有直接的影响。较低的桥接电压导致较低的电流，因此具有较低的功耗，但输出信号的值也较低。也可以通过使用具有高电阻（高电阻率）的电阻来降低功耗。在这种情况下，灵敏度略高，但信噪比较低。较低的桥接电压和高电阻引起另一个问题，即传感器变得更容易受到寄生效应和其他干扰。

压敏电阻的电阻值可以在几百欧姆到几十万欧姆之间。桥电压的值可以在1伏特和几十伏特之间。因此，功耗的值可以在非常宽的范围内。然而，压敏电阻的电阻的典型值为10kOmega;，桥电压的典型值为5V。这些参数导致约2.5mW的功耗。

2.3电容式陶瓷压力传感器

电容式陶瓷压力传感器（图5）是基于由施加的压力引起的电容数值的变化。电容变化是由于气隙电容器的电极之间的距离变化引起的。这些电极位于LTCC结构的腔内（图1）。 电容器的底部电极在刚性基板上，上部电极位于可变形的隔膜上。电极的面积和它们之间的距离定义了电容式压力传感器的初始电容（C0）的值。根据两个电极的腔深度和厚度计算出电极之间的距离。

图5.电容式陶瓷压力传感器

首先，定义一般轮廓尺寸，在给定的轮廓内，构造了腔支撑结构。几何尺寸取决于所需的压力范围和组装条件。通常，用于高压的传感器需要更加刚性的支撑结构，并且与封装在铝合金外壳中的传感器相比，塑料外壳还需要更多的刚性传感器元件。当确定膜尺寸时，首先从电容器计算中计算间隙，然后使用估计的几何运行运行模拟。使用模拟优化设计。最后，生产和评估了一批不同的设计。作为参考，具有80mu;m气隙，100mu;m膜和1cm 2电极/膜面积的电容式陶瓷压力传感器（如图6所示）具有在5pF至15pF之间的标称电容，而在1000mBar以上的电容变化为100fF 规模输入压力。

图6.与电子调理电路集成的电容式感应元件：（a）方框图; （b）具有表面贴装信号调理电路的原型

在大多数情况下，电容式陶瓷压力传感器与电子调理电路集成，频率输出（图6）。在这种情况下，典型的输出频率在10到100 kHz之间，这根据所施加的压力而变化。用于电容式陶瓷压力传感器的感测元件的功耗非常低，主要取决于工作频率和电压的值以及传感元件的电容。我们的测试样品的电容约为8 pF，工作电压为1 V，工作频率为10 kHz。这些参数导致约0.5mu;W的功耗。从阻抗和施加的电压计算功耗。 工作频率和电压值由电子信号调理电路决定。如果我们减少任何上述参数的值，则传感元件的功耗较低。但同时压力敏感度较低，输出信号质量和寄生电容的问题更严重。

2.4 传感元件的基准

与压阻传感器（2.5 mW）相比，电容式陶瓷压力传感器具有较低的功耗（0.5mu;W）。它对任何扰动（如寄生电容，电磁干扰，温度，湿度等）都非常敏感[18]。由于这种影响，电容式压力传感器不太适用于要求苛刻的工业环境的大多数流行应用。另一方面，压阻陶瓷压力传感器的功耗可以通过惠斯通电桥电阻的值容易地控制。因此，选择具有高桥阻抗的压阻陶瓷压力传感器用于工业环境中的无线压力监测系统。典型特性如表1所示。

表1.感测元件的基准

3.集成到自主无线传感器节点

典型的能量收集无线传感器节点配置通常由（自由）能量源，能量收集器，具有ADC转换器，放大器，微控制器和低功率无线电通信的传感器组成，如图7所示。

图7.自治无线节点的框图

诸如热电发电机（TEG），小型室内太阳能电池，压电发电机，热电堆或类似的能源可供给能量收集机的电能。然后将具有有限峰值的这些小的，稀疏的和低功率的能量突发转换成可用的形式来为诸如低功率感测元件，模数转换器和低功率微控制器的下游电路供电。微控制器以超低功耗睡眠，通常低于1mu;A，并定期唤醒提供传感器，从中读取数据，并准备通过低功耗无线收发器进行传输[19]。

该链中的每个电路系统块都有自己独特的约束条件。设计高效收割机和电源管理至关重要，以保持将整个系统加电到最低限度所需的时间。更长的上电时间增加了读取传感器和传送此数据之间的时间间隔。压力传感器的正确设计在这里非常重要。许多常规设计不适用于自主无线传感器。图7所示的单个块中的静态电流定义了能量采集源的较低可用极限，它必须首先提供系统在睡眠模式下的自我操作所需的电流，才能使用任何多余的电源供应和存储此电源来提供输出。具有外围和RF链路的微控制器在激活时通常在几十mA的范围内吸取短脉冲电流。能量收集过程从周围环境收集可用能量并将其存储在内部存储设备中[图8（a）]。[20]报道的一些消息来源列于表2。

图8.（a）无线传感器的脉冲操作电源的示意图，（b）脉冲操作期间的典型内部电压（IL =负载电流脉冲，VOUT =电源输出电压，VCP =存储电容器CP两端的电压）

表2.能量收集估计（如[20]所报导的）

能量收集电源管理的工作原理如图8（b）所示。在睡眠模式操作期间收集电力并存储在可充电电池中。在这种系统中使用的电池很小，有时它们是具有大内部电阻RS的薄膜，其限制了主动模式下的峰值电流。克服这个问题的最简单的解决方案是在主要储能装置之间放置一个低等效串联电阻（low-ESR）电容，在正常的充电周期内充电，并提供高电流脉冲。应定义以下关键参数以计算所需电容和最小延迟时间：

bull;存储设备内部电阻RS；

bull;平均负载电阻RL；

bull;在交付下一个电流脉冲VMIN之前必须对电容充电的最大电压；

bull;平均电流脉冲幅度和持续时间IL，tP；

bull;最小电源电压 系统输入VMAX。

4.实施

图7中传感器系统的性能取决于每个构件的组件选择。对于我们的测试系统设置，我们可以选择不同的微控制器和无线电解决方案（表3）。请注意，Zarlink无线电模块具有最低的Rx和Tx电流，最终的选择是MSP430微控制器和Zarlink无线电模块，由于两个芯片解决方案提供的灵活性，被证明是最适合我们的应用。

表3.考虑用于测试设置的不同微控制器和无线电解决方案的列表

基于压阻式LTCC的压力传感器构建的无线压力监测系统如图9所示。数据采集和处理由MSP430F2350微控制器完成。无线接口基于具有TI简单低功耗射频（RF）通信栈的CC2500收发器。对于真正的工业应用，需要适当的外壳，电路布局重新设计以适应特定型号的尺寸，如图10所示。

图9.具有压阻式基于LTCC的压力传感器的低功率无线压力监测系统

图10.目标传感器的工业级包装

5.实验结果

通过测试图11所示的系统获得测试结果。我们使用TI开发系统中的太阳能收割机模块SEH-01。它使用

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