專利名稱：土壤養(yǎng)分傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感謝器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MEMS技術(shù)的土壤養(yǎng)分傳感器。
背景技術(shù)：
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是指信息科學(xué)、控制科學(xué)、遙感科學(xué)、生命科學(xué)等多學(xué)科相互融合的農(nóng)業(yè)綜合系統(tǒng)工程，通過多種傳感器系統(tǒng)獲取土壤和作物水分、氮素、產(chǎn)量等信息，根據(jù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)運算，實現(xiàn)精準(zhǔn)播種、收割、平衡施肥、灌溉、作物動態(tài)監(jiān)控技術(shù)等。目前，我國農(nóng)業(yè)如何實現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，由粗放農(nóng)業(yè)走向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，從而走出一條具有中國特色的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化之路，是一個亟待探索的重大課題；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一個最大特點，是以高科技投入和管理獲取資源的最大節(jié)約和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的最佳效益。它的最重要的價值和意義就在于能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、定量化、高效化。它代表了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，是農(nóng)業(yè)走低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)發(fā)展之路的必然選擇。特別是我國化學(xué)品粗放投放導(dǎo)致農(nóng)作物和土壤污染嚴(yán)重，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有利于減少不必要化學(xué)藥劑使用和減緩化學(xué)污染；因此，我們開發(fā)出基于MEMS技術(shù)的土壤養(yǎng)分傳感器，它通過在田間實時在線獲取土壤的近紅外反射光譜，獲取土壤中多種有機元素的光譜信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種精密化、集成化，精度更高，便于攜帶，節(jié)省能耗的土壤養(yǎng)分傳感器。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)，—種土壤養(yǎng)分傳感器，包括集成在電路板卡上的電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，所述的電路系統(tǒng)包括為電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)供電的電源模塊、控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊、運算放大器；所述的電源模塊為鋰離子電池供電和市電變壓穩(wěn)壓電路；所述的控制模塊為DSP (微處理器芯片)或FPGA (可編程邏輯器件)等高速通用控制芯片的任意一種；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊為高速24位A/D轉(zhuǎn)化器；所述的光路系統(tǒng)包括光學(xué)芯片、校準(zhǔn)模塊及探測器，電路板卡不僅具有半導(dǎo)體工藝中常用的電路系統(tǒng)以外，還集成了光學(xué)芯片。所述的光學(xué)芯片分為近紅外光源和微機電分光系統(tǒng)，所述的光學(xué)芯片包括光學(xué)兀件、光學(xué)平臺、冷卻平臺、銅殼，再無塵條件下將所述的光學(xué)元件安裝在光學(xué)平臺上，所述的光學(xué)平臺固定在冷卻平臺上以確保整個光學(xué)芯片穩(wěn)定工作，然后用銅殼將光學(xué)元件、光學(xué)平臺以及冷卻平臺封裝，電路通過側(cè)邊的碟狀引腳引出，焊接在電路板卡上。所述的近紅外光源采用可調(diào)諧超輻射發(fā)光二極管(SLED)，該光源功率很高，而且功率可通過改變電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述的校準(zhǔn)模塊包括兩塊分光鏡和兩個探測器，并通過兩塊分光鏡和兩個探測器來實現(xiàn)波長和功率雙校準(zhǔn)功能，所述的分光鏡一和分光鏡二將該光分別提供給探測器一進(jìn)行波長測量和探測器二進(jìn)行功率測量，測量結(jié)果將反饋到控制模塊，再通過改進(jìn)參數(shù)實現(xiàn)光路模塊進(jìn)一步調(diào)整波長和功率，直至完成波長和功率校準(zhǔn)。所述近紅外光源發(fā)出的光通過透鏡準(zhǔn)直后形成平行光，經(jīng)過45°C起偏器Pl起偏后，再經(jīng)過補償板和楔狀雙折射晶體RCl以及楔狀雙折射晶體RC2，再經(jīng)過負(fù)45°C檢偏器P2 ;通過壓電陶瓷控制楔狀雙折射晶體RC2移動，移動方向與楔狀雙折射晶體RCl斜邊平行，實現(xiàn)光程的改變；氦氖激光器發(fā)出的光的傳播方向與近紅外光源傳播的方向反向；所述氦氖激光器發(fā)出的光經(jīng)過帶通濾光片進(jìn)入光電探測器；所述的帶通濾波片將其他的光濾除，只讓氦氖光通過；每當(dāng)光電探測器探測到的信號為零時，則通過光電探測器感應(yīng)氦氖激光強度來觸發(fā)探測器的信號。所述的光學(xué)芯片采用MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)制作，以碟狀封裝芯片安裝在電路板卡上,該光路系統(tǒng)沒有移動部件,抗震動,抗干擾,并采用LIGA (深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制)加工技術(shù)實現(xiàn)光學(xué)芯片光學(xué)元件制作。所述光學(xué)元件通過X光深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制三個工藝步驟制造成型；x射線有非常高的平行度、極強的輻射強度、連續(xù)的光譜，使用深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制技術(shù)能夠制造出高寬比達(dá)到500 μ m、厚度大于1500 μ m、結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內(nèi)的三維立體結(jié)構(gòu)，從而保證光學(xué)元件的高精密度。本發(fā)明通過光纖將光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的近紅外光照射到土壤樣品上，并通過探測器采集樣品反射光獲取樣品的吸收譜，從而獲取土壤養(yǎng)分信息。本發(fā)明的有益效果是:1、本發(fā)明可批量制作，集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)；2、本發(fā)明通過MEMS技術(shù)可以將近紅外光譜儀微型化、精密化、集成化，精度更高，便于攜帶，節(jié)省能耗。


圖1為本發(fā)明整體系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明光學(xué)芯片剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明光學(xué)芯片的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明校準(zhǔn)模塊光路結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。如圖1所示，一種土壤養(yǎng)分傳感器，包括集成在電路板卡I上的電路系統(tǒng)2和光路系統(tǒng)3，電路系統(tǒng)2包括為電路系統(tǒng)2和光路系統(tǒng)3供電的電源模塊、控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊、運算放大器；電源模塊為鋰離子電池供電21和市電變壓穩(wěn)壓電路22 ;控制模塊為DSP (微處理器芯片)或FPGA(可編程邏輯器件)等高速通用控制芯片的任意一種；模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊為高速24位A/D轉(zhuǎn)化器；光路系統(tǒng)3包括光學(xué)芯片、校準(zhǔn)模塊及探測器15，電路板卡I不僅具有半導(dǎo)體工藝中常用的電路系統(tǒng)以外，還集成了光學(xué)芯片。如圖2所不,光學(xué)芯片分為近紅外光源9和微機電分光系統(tǒng)20,光學(xué)芯片包括光學(xué)元件4、光學(xué)平臺5、冷卻平臺6、銅殼7，再無塵條件下將所述的光學(xué)元件4安裝在光學(xué)平臺5上，光學(xué)平臺5固定在冷卻平臺6上以確保整個光學(xué)芯片4穩(wěn)定工作，然后用銅殼7將光學(xué)元件4、光學(xué)平臺5以及冷卻平臺6封裝，電路通過側(cè)邊的碟狀引腳8引出，焊接在電路板卡I上。近紅外光源9采用可調(diào)諧超輻射發(fā)光二極管(SLED)，該光源功率很高，而且功率可通過改變電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4所示，校準(zhǔn)模塊包括兩塊分光鏡和兩個探測器，并通過兩塊分光鏡和兩個探測器來實現(xiàn)波長和功率雙校準(zhǔn)功能，分光鏡一和分光鏡二將該光分別提供給探測器一進(jìn)行波長測量和探測器二進(jìn)行功率測量，測量結(jié)果將反饋到控制模塊，再通過改進(jìn)參數(shù)實現(xiàn)光路模塊進(jìn)一步調(diào)整波長和功率，直至完成波長和功率校準(zhǔn)。如圖3所示，近紅外光源9發(fā)出的光通過透鏡10準(zhǔn)直后形成平行光，經(jīng)過45°C起偏器Pl 12起偏后，再經(jīng)過補償板13和楔狀雙折射晶體RCl 141以及楔狀雙折射晶體RC214，再經(jīng)過負(fù)45°C檢偏器P2 121 ;通過壓電陶瓷控制楔狀雙折射晶體RC2 14移動，移動方向與楔狀雙折射晶體RCl 141斜邊平行，實現(xiàn)光程的改變；氦氖激光器19發(fā)出的光的傳播方向與近紅外光源9傳播的方向反向；氦氖激光器19發(fā)出的光經(jīng)過帶通濾波片17進(jìn)入光電探測器18 ;所述的帶通濾波片17將其他的光濾除，只讓氦氖光通過；每當(dāng)光電探測器18探測到的信號為零時，則通過光電探測器18感應(yīng)氦氖激光強度來觸發(fā)探測器的信號。光學(xué)芯片采用MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)制作，以碟狀封裝芯片安裝在電路板卡I上，該光路系統(tǒng)沒有移動部件，抗震動，抗干擾，并采用LIGA (深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制)加工技術(shù)實現(xiàn)光學(xué)芯片光學(xué)元件制作；光學(xué)元件4通過X光深度同步輻射光亥IJ、電鑄制模和注模復(fù)制三個工藝步驟制造成型；X射線有非常高的平行度、極強的輻射強度、連續(xù)的光譜，使用深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制技術(shù)能夠制造出高寬比達(dá)到500 μ m、厚度大于1500 μ m、結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內(nèi)的三維立體結(jié)構(gòu)，從而保證光學(xué)元件的高精密度。本發(fā)明的系統(tǒng)操作步驟如下:1、通電后，電路為系統(tǒng)供電，控制模塊啟動，初始化系統(tǒng)參數(shù)；2、讀取設(shè)置測量參數(shù)，例如測量波長范圍、光強、測量時間等，配置各個寄存器；3、啟動光路系統(tǒng)，等待2分鐘，實現(xiàn)光路穩(wěn)定；4、啟動校準(zhǔn)模塊，通過接受波長和能量反饋，調(diào)整光路系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)定波長與功率雙校準(zhǔn)；5、采集光譜數(shù)據(jù):通過驅(qū)動壓電陶瓷移動，實現(xiàn)不同波長的光的干涉，采集土壤樣品反射的近紅外光，經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將結(jié)果與對應(yīng)波長進(jìn)行保存。6、進(jìn)行下一個測量過程，重復(fù)4-5次。本發(fā)明通過光纖將光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的近紅外光照射到土壤樣品上，并通過探測器采集樣品反射光獲取樣品的吸收譜，從而獲取土壤養(yǎng)分信息。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:包括集成在電路板卡上的電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，所述的電路系統(tǒng)包括為電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)供電的電源模塊、控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊、運算放大器；所述的光路系統(tǒng)包括光學(xué)芯片、校準(zhǔn)模塊及探測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:所述的電源模塊為鋰離子電池供電和市電變壓穩(wěn)壓電路； 所述的控制模塊為微處理器芯片或可編程邏輯器件高速通用控制芯片的任意一種； 所述的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊為高速24位A/D轉(zhuǎn)化器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:所述的光學(xué)芯片分為近紅外光源和微機電分光系統(tǒng)，所述的光學(xué)芯片包括光學(xué)兀件、光學(xué)平臺、冷卻平臺、銅殼，再無塵條件下將所述的光學(xué)元件安裝在光學(xué)平臺上，所述的光學(xué)平臺固定在冷卻平臺上以確保整個光學(xué)芯片穩(wěn)定工作，然后用銅殼將光學(xué)元件、光學(xué)平臺以及冷卻平臺封裝，電路通過側(cè)邊的碟狀引腳引出，焊接在電路板卡上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:所述的近紅外光源采用可調(diào)諧超輻射發(fā)光二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:所述的校準(zhǔn)模塊包括兩塊分光鏡和兩個探測器，并通過兩塊分光鏡和兩個探測器來實現(xiàn)波長和功率雙校準(zhǔn)功能，所述的分光鏡一和分光鏡二將該光分別提供給探測器一進(jìn)行波長測量和探測器二進(jìn)行功率測量，測量結(jié)果將反饋到控制模塊，再通過改進(jìn)參數(shù)實現(xiàn)光路模塊進(jìn)一步調(diào)整波長和功率，直至完成波長和功率校準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:所述近紅外光源發(fā)出的光通過透鏡準(zhǔn)直后形成平行光，經(jīng)過45°C起偏器Pl起偏后，再經(jīng)過補償板和楔狀雙折射晶體RCl以及楔狀雙折射晶體RC2，再經(jīng)過負(fù)45°C檢偏器P2 ;通過壓電陶瓷控制楔狀雙折射晶體RC2移動，移動方向與楔狀雙折射晶體RCl斜邊平行，實現(xiàn)光程的改變；氦氖激光器發(fā)出的光的傳播方向與近紅外光源傳播的方向反向；所述氦氖激光器發(fā)出的光經(jīng)過帶通濾光片進(jìn)入光電探測器；所述的帶通濾波片將其他的光濾除，只讓氦氖光通過；每當(dāng)光電探測器探測到的信號為零時，則通過光電探測器感應(yīng)氦氖激光強度來觸發(fā)探測器的信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:所述的光學(xué)芯片采用微機電系統(tǒng)技術(shù)制作，以碟狀封裝芯片安裝在電路板卡上。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤養(yǎng)分傳感器，其特征在于:所述光學(xué)元件通過X光深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制三個工藝步驟制造成型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤養(yǎng)分傳感器，包括集成在電路板卡上的電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，所述的電路系統(tǒng)包括為電路系統(tǒng)和光路系統(tǒng)供電的電源模塊、控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊、運算放大器；所述的電源模塊為鋰離子電池供電和市電變壓穩(wěn)壓電路；所述的控制模塊為DSP(微處理器芯片)或FPGA(可編程邏輯器件)等高速通用控制芯片的任意一種；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊為高速24位A/D轉(zhuǎn)化器；所述的光路系統(tǒng)包括光學(xué)芯片、校準(zhǔn)模塊及探測器，電路板卡不僅具有半導(dǎo)體工藝中常用的電路系統(tǒng)以外，還集成了光學(xué)芯片；本發(fā)明具有精密化、集成化，精度更高，便于攜帶，節(jié)省能耗在優(yōu)點。
文檔編號G01N21/35GK103091276SQ20111034403
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者莊重, 汪六三, 汪玉冰, 魯翠萍, 曹會彬, 孫玉香, 陳鵬, 宋良圖, 王儒敬 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院