完整的CTD系统中通常还包含压力传感器,但在一些系统中也会省去压力传感器。压力传感器可以采用压阻或压电式传感器,目前压阻式传感器技术较为成熟,CTD设备中的压力传感器往往采用压阻式传感器。压力传感器的基本结构是一个固定隔膜结构,隔膜结构作为弹性元件感应压力,通过压阻特性将压力转变为阻值的变化。单晶硅本身就是很好的压阻材料,可以直接作为结构材料,加工时通常在单晶硅基底上进行体加工形成隔膜,再在隔膜边缘少量掺杂形成p型或n型电阻以便于测量。

⒉ 基于MEMS的声学换能器

声学换能器能够使声波和电信号相互转化,具有接收声波和发射声波的功能。声学换能器在海洋观测中有着重要的作用,可以用于水听器、水下声纳探测装置,或用于水下通信,构建水下无线传感器网络。基于 MEMS 的声学换能器具有与压力传感器相近的结构,分别有基于压电效应和电容检测的声学换能器。

基于压电效应的声学换能器利用的是压电效应以及与之相反的逆压电效应。压电效应可以将隔膜的形变转化为电荷的移动,用于感应声波的震动,产生电信号。而逆压电效应则相反,通过对压电材料施加纵向的外电场,使压电材料产生单一方向的侧应力,导致隔膜弯曲。控制电场周期性的改变,即可产生一定频率的声波。电容式声学换能器一般采用平行板电容结构,也可以采用叉指电容等相对复杂的结构。平行板电容结构上极板为可动(形变)的隔膜,下极板为固定的硅基底,可包含多个电极。作为声波发射装置时,在上下极板间外加直流的偏置电压形成静电场,再通过加载交流电压信号驱动隔膜震动,产生声波。作为声波接收装置时,隔膜结构感应震动,转变为平行板间电容的变化。

MEMS声学换能器体积小巧,集成度高,并且可以在片内集成信号处理电路,用以补偿换能器本身的非线性等。高集成度的MEMS器件可以实现微米级尺寸紧密排布的二维阵列结构,可应用与三维成像。

惯性(加速度)传感器是一种技术比较成熟,应用比较广泛的MEMS传感器,主要应用于波浪观测。目前国内外波浪测量浮标通常采用传统的加速度传感器,这些传感器体积大、重量重、价格昂贵,从而使浮标的制作成本增加。近年来,随着基于MEMS的惯性传感器的技术逐渐成熟,MEMS惯性传感器逐渐推广应用于波浪的观测。惯性传感器的基本原理与压力传感器相似,是利用压电效应或压阻效应或电容位移检测的原理,不同的是它不是感应外力引发的形变,而是在弹性结构上增加一个悬空的质量块,当传感器处于加速或减速运动时,由于惯性作用,质量块的运动相对于基底的运动存在一定滞后,使得连接质量块和基底的弹性隔膜产生形变,从而感应加速度。根据结构的不同,单一的惯性传感器也可以检测多个方向的加速度变化。由于波浪测量的原理与之前一致,从而促进了国外波浪测量浮标的更新换代。

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