0 引言
對于具有標準化分度號的傳感器，目前，市場上一般有與之對應(yīng)的標準化信號調(diào)理電路。由于這些標準化信號調(diào)理電路是標準設(shè)計、批量生產(chǎn)的，因此，其可靠性高，價格一般也較為合理。但具有標準化分度號的傳感器在整個傳感器家族中卻僅占少數(shù)。當人們在研制某些測量系統(tǒng)的過程中不得不選用非標準化傳感器時，一般需要設(shè)計、制作相應(yīng)的信號調(diào)理電路。由于任何電子產(chǎn)品的成熟都需要一個可靠性增長過程，如果所研制的測量系統(tǒng)生產(chǎn)批量不是太大，則信號調(diào)理電路的可靠性、穩(wěn)定性難以保證，勢必影響整個測量系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。由于目前測量系統(tǒng)一般都具備數(shù)據(jù)處理功能，如果能夠?qū)δ承┓菢藴驶瘋鞲衅鳎x用與其特性盡量接近的標準化信號調(diào)理電路對其進行信號調(diào)理，而將其差異通過數(shù)據(jù)處理軟件進行相應(yīng)補償，則可在保證測量精度的前提下有效簡化測量系統(tǒng)的硬件，縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。在研制低成本聚合酶鏈式反應(yīng)(polymerasechainreaction，PCR)芯片測量與控制系統(tǒng)的過程中成功實現(xiàn)了上述設(shè)想。
1 利用印刷電路板工藝制作的非標準化溫度傳感器
PCR是一種體外模擬自然DNA復(fù)制過程的核酸擴增技術(shù)。隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)的興起，一類微反應(yīng)器一集成微反應(yīng)槽PCR芯片使進行PCR的設(shè)備平臺面臨革命性的變革。但是，PCR芯片在進軍市場的過程中卻遇到了較大的困難，主要原因之一是芯片成本居高不下。為此，本文作者設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡化、低成本的PCR芯片，同時，提出了一種新型測控方案，該方案能夠?qū)?20只芯片進行溫度控制。為實現(xiàn)該方案，需要在芯片陣列上方覆蓋一張柔性印刷電路板(printedcircuitboard，PCB)，柔性PCB板與120只PCR芯片靠彈性力均勻接觸。利用PCB板銅箔具有一定阻值，且該阻值與溫度有確切對應(yīng)關(guān)系的原理在柔性PCB板上制作120個微加熱及傳感單元，微加熱及傳感單元與PCR芯片長、寬幾何尺寸相同。整個系統(tǒng)由一臺工業(yè)控制計算機通過相應(yīng)接口板卡控制。每個微加熱及傳感單元如圖1所示。
圖1所示傳感元件的測溫原理與標準化銅電阻類似。標準化銅電阻由純度為99.99％的銅絲制成，電阻溫度系數(shù)一般為(4.26～4.35)×10-3／℃，并近似線性，使用范圍為-50～150℃。我國現(xiàn)行的銅電阻溫度傳感器分度號為Cu50，Cu100，100℃時的阻值與0℃時的阻值的比值為1.428±0.002。標準化銅電阻溫度傳感器在0～100℃的范圍內(nèi)，其溫度與阻值的關(guān)系可用下式表示
Rt=R0(1+αt)，(1)
式中R0，Rt分別為0℃和t℃時的阻值；α為標準化銅電阻溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)，α=4.33×10-3／℃。
但在上述柔性PCB板上不可能制作標準化的銅電阻溫度傳感器，其原因一是在28mm×28mm面積的PCB板上制作0℃時阻值為50Ω或100Ω的電阻幾乎不可能。目前，國內(nèi)制作PCB板的設(shè)備所能加工的最細線寬為50μm，最薄的銅箔為5μm，但采用過薄的銅箔易造成加熱器、傳感器斷絲，為保證可靠性，特將銅箔厚度取為35μm，線寬取為55μm，在與芯片對等而積的PCB板上只能安排25Ω左右的銅電阻。事實上，所制作的傳感元件在0℃時的阻值約為16.7Ω，加熱元件阻值約為8.3Ω；二是制作PCB板所用敷銅板上銅箔的純度達不到標準化銅電阻所規(guī)定的純度。因此，不能直接使用針對標準化銅電阻而生產(chǎn)的信號調(diào)理電路。如何將PCB板上電阻總值為十幾個歐姆、每攝氏度變化所對應(yīng)的電阻變化在百分之幾歐姆的電信號輸入到計算機內(nèi)，并按符合要求的精度轉(zhuǎn)換為溫度值，成為必須解決的一個難點問題。
2 非標準化銅電阻溫度傳感器的信號調(diào)理
在研究過程中曾經(jīng)按常規(guī)思路專門設(shè)計了非標準化銅電阻溫度傳感器的信號調(diào)理電路。將每10個芯片所對應(yīng)的10只銅電阻傳感器串聯(lián)，公用一個集成恒流源激勵，將每個電阻的高電位端對直流信號地的電壓經(jīng)5倍放大后引致商品化的A／D轉(zhuǎn)換接口板。計算機在完成A／D轉(zhuǎn)換后，首先，對相串聯(lián)的2個相鄰電阻所對應(yīng)的數(shù)字量進行計算，使運算結(jié)果為某個銅電阻兩端電壓所對應(yīng)的數(shù)字量。經(jīng)預(yù)先的靜態(tài)標定，獲得這類數(shù)字量與溫度的對應(yīng)關(guān)系，然后，將這種關(guān)系編制成相應(yīng)軟件，從而完成溫度檢測。這種方案理論上是科學(xué)的，在實驗室里也做通了實驗，檢測精度也符合要求。但實驗電路可靠性差、穩(wěn)定性差。究其原因是自制電路的模擬部分過于復(fù)雜，計有12個恒流源、120個放大器，且要求這120個放大器具有一致的放大倍數(shù)，這在實驗室的手工制作工藝條件下是難以保證的。為克服上述工藝和設(shè)備困難，經(jīng)反復(fù)研究，獲得了下述方案。
柔性印刷電路板絕大多數(shù)采用壓延銅箔，其銅純度為99.9％，高于普通印刷電路板所用的電解銅箔(純度為99.8％)，但仍低于標準化銅電阻所要求的純度，因此，采用柔性印刷電路板制作的銅電阻溫度傳感器為非標準化傳感器。盡管如此，對于固定型號的柔性印刷電路板來說，銅箔純度是相對穩(wěn)定的，在其上制作的電阻式溫度傳感器的瓦換性、重復(fù)性、穩(wěn)定性都能夠得到保證，其電阻溫度特性與標準化銅電阻的差異主要由銅材料純度的差異決定，體現(xiàn)為具有特定規(guī)律的系統(tǒng)誤差，這種系統(tǒng)誤差規(guī)律可通過標定與校準實驗提取。換言之，雖然在柔性印刷電路板上制作的銅電阻不是標準化的銅電阻溫度傳感器，但由于它們之間的誤差屬于系統(tǒng)誤差，因此，仍然可以借助針對標準化銅電阻所生產(chǎn)的信號調(diào)理電路和計算機接口電路，只不過需要通過軟件補償它們之間的差異。為此，采用如下方案：將每個PCB板上的銅電阻溫度傳感器外申一只固定電阻器，該固定電阻器的阻值與溫度無關(guān)，其串聯(lián)后的阻值在0℃時為50Ω，接入標準化的銅電阻接口板，該板選用智能熱電阻信號輸入板IPC5457，它能夠直接插入PC總線工業(yè)控制計算機的擴展槽內(nèi)。每塊IPC5457能夠完成16路標準化銅電阻信號的數(shù)據(jù)采集與處理，將電阻信號轉(zhuǎn)換為溫度值。由于傳感器是非標準化的銅電阻，因此，在工業(yè)控制計算機內(nèi)編制相應(yīng)補償軟件，以補償因傳感器的非標準化所帶來的系統(tǒng)誤差。
非標準化銅電阻溫度傳感器與標準化銅電阻溫度傳感器的差異體現(xiàn)在2個方面，其一是0℃所對應(yīng)的電阻R0值不同，亦即零點不同；其二是電阻溫度系數(shù)α不同，亦即靈敏度不同。設(shè)制作在PCB板上的非標準化的銅電阻特性為
式中Rt1，R01分別為制作在PCB板上的非標準化的銅電阻傳感器在0℃和t℃時的阻值；α1為其電阻溫度系數(shù)。將其與一個高精度固定電阻器串聯(lián)，固定電阻器的阻值按串聯(lián)后0℃時總電阻為50Ω的原則取值，不妨設(shè)所串聯(lián)電阻阻值為R，此串聯(lián)支路直接聯(lián)IPC5457。于是，當所測溫度為t時，此支路的阻值R″t為
設(shè)按標準化分度號設(shè)計的IPC5457將R″t轉(zhuǎn)換為溫度t″
式(7)即為PCB板非標準化傳感器配標準化信號調(diào)理電路的校正算法。只要預(yù)知非標準化傳感器的零點R01和靈敏度α1，將上述算法編制程序作為系統(tǒng)應(yīng)用軟件的子程序，計算機即可根據(jù)IPC5457的測得值計算出被測溫度，達到了采用成熟的、商品化的標準化熱電阻輸入板采集非標準化熱電阻輸出信號的目的，簡化了系統(tǒng)硬件，相應(yīng)提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
為了獲取非標準化傳感器的零點R01和靈敏度α1，需進行標定實驗。標定實驗在恒溫水槽中進行，水槽溫度用標準水銀溫度計測量，傳感器阻值用電橋測量，其標定結(jié)果為R01=16.67Ω，α1=4.27x10-3／℃。
3 結(jié)論
以低成本PCR芯片陣列控制系統(tǒng)所需的制作在PCB板上的非標準化熱電阻為例，介紹了非標準化傳感器與標準化傳感器信號調(diào)理電路的匹配方法。這種匹配方法的實質(zhì)是通過軟件來補償非標準化傳感器與標準化傳感器之間的差異。只要非標準化傳感器具備足夠的重復(fù)性，匹配精度就能夠得到保證。上述方法也可推廣到其他非標準化分度的傳感器的信號調(diào)理。當測量系統(tǒng)的生產(chǎn)批量不是很大或研制時間特別緊張時，采用該方法有一定優(yōu)勢。
對于具有標準化分度號的傳感器，目前，市場上一般有與之對應(yīng)的標準化信號調(diào)理電路。由于這些標準化信號調(diào)理電路是標準設(shè)計、批量生產(chǎn)的，因此，其可靠性高，價格一般也較為合理。但具有標準化分度號的傳感器在整個傳感器家族中卻僅占少數(shù)。當人們在研制某些測量系統(tǒng)的過程中不得不選用非標準化傳感器時，一般需要設(shè)計、制作相應(yīng)的信號調(diào)理電路。由于任何電子產(chǎn)品的成熟都需要一個可靠性增長過程，如果所研制的測量系統(tǒng)生產(chǎn)批量不是太大，則信號調(diào)理電路的可靠性、穩(wěn)定性難以保證，勢必影響整個測量系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。由于目前測量系統(tǒng)一般都具備數(shù)據(jù)處理功能，如果能夠?qū)δ承┓菢藴驶瘋鞲衅鳎x用與其特性盡量接近的標準化信號調(diào)理電路對其進行信號調(diào)理，而將其差異通過數(shù)據(jù)處理軟件進行相應(yīng)補償，則可在保證測量精度的前提下有效簡化測量系統(tǒng)的硬件，縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。在研制低成本聚合酶鏈式反應(yīng)(polymerasechainreaction，PCR)芯片測量與控制系統(tǒng)的過程中成功實現(xiàn)了上述設(shè)想。
1 利用印刷電路板工藝制作的非標準化溫度傳感器
PCR是一種體外模擬自然DNA復(fù)制過程的核酸擴增技術(shù)。隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)的興起，一類微反應(yīng)器一集成微反應(yīng)槽PCR芯片使進行PCR的設(shè)備平臺面臨革命性的變革。但是，PCR芯片在進軍市場的過程中卻遇到了較大的困難，主要原因之一是芯片成本居高不下。為此，本文作者設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡化、低成本的PCR芯片，同時，提出了一種新型測控方案，該方案能夠?qū)?20只芯片進行溫度控制。為實現(xiàn)該方案，需要在芯片陣列上方覆蓋一張柔性印刷電路板(printedcircuitboard，PCB)，柔性PCB板與120只PCR芯片靠彈性力均勻接觸。利用PCB板銅箔具有一定阻值，且該阻值與溫度有確切對應(yīng)關(guān)系的原理在柔性PCB板上制作120個微加熱及傳感單元，微加熱及傳感單元與PCR芯片長、寬幾何尺寸相同。整個系統(tǒng)由一臺工業(yè)控制計算機通過相應(yīng)接口板卡控制。每個微加熱及傳感單元如圖1所示。
圖1所示傳感元件的測溫原理與標準化銅電阻類似。標準化銅電阻由純度為99.99％的銅絲制成，電阻溫度系數(shù)一般為(4.26～4.35)×10-3／℃，并近似線性，使用范圍為-50～150℃。我國現(xiàn)行的銅電阻溫度傳感器分度號為Cu50，Cu100，100℃時的阻值與0℃時的阻值的比值為1.428±0.002。標準化銅電阻溫度傳感器在0～100℃的范圍內(nèi)，其溫度與阻值的關(guān)系可用下式表示
Rt=R0(1+αt)，(1)
式中R0，Rt分別為0℃和t℃時的阻值；α為標準化銅電阻溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)，α=4.33×10-3／℃。
但在上述柔性PCB板上不可能制作標準化的銅電阻溫度傳感器，其原因一是在28mm×28mm面積的PCB板上制作0℃時阻值為50Ω或100Ω的電阻幾乎不可能。目前，國內(nèi)制作PCB板的設(shè)備所能加工的最細線寬為50μm，最薄的銅箔為5μm，但采用過薄的銅箔易造成加熱器、傳感器斷絲，為保證可靠性，特將銅箔厚度取為35μm，線寬取為55μm，在與芯片對等而積的PCB板上只能安排25Ω左右的銅電阻。事實上，所制作的傳感元件在0℃時的阻值約為16.7Ω，加熱元件阻值約為8.3Ω；二是制作PCB板所用敷銅板上銅箔的純度達不到標準化銅電阻所規(guī)定的純度。因此，不能直接使用針對標準化銅電阻而生產(chǎn)的信號調(diào)理電路。如何將PCB板上電阻總值為十幾個歐姆、每攝氏度變化所對應(yīng)的電阻變化在百分之幾歐姆的電信號輸入到計算機內(nèi)，并按符合要求的精度轉(zhuǎn)換為溫度值，成為必須解決的一個難點問題。
2 非標準化銅電阻溫度傳感器的信號調(diào)理
在研究過程中曾經(jīng)按常規(guī)思路專門設(shè)計了非標準化銅電阻溫度傳感器的信號調(diào)理電路。將每10個芯片所對應(yīng)的10只銅電阻傳感器串聯(lián)，公用一個集成恒流源激勵，將每個電阻的高電位端對直流信號地的電壓經(jīng)5倍放大后引致商品化的A／D轉(zhuǎn)換接口板。計算機在完成A／D轉(zhuǎn)換后，首先，對相串聯(lián)的2個相鄰電阻所對應(yīng)的數(shù)字量進行計算，使運算結(jié)果為某個銅電阻兩端電壓所對應(yīng)的數(shù)字量。經(jīng)預(yù)先的靜態(tài)標定，獲得這類數(shù)字量與溫度的對應(yīng)關(guān)系，然后，將這種關(guān)系編制成相應(yīng)軟件，從而完成溫度檢測。這種方案理論上是科學(xué)的，在實驗室里也做通了實驗，檢測精度也符合要求。但實驗電路可靠性差、穩(wěn)定性差。究其原因是自制電路的模擬部分過于復(fù)雜，計有12個恒流源、120個放大器，且要求這120個放大器具有一致的放大倍數(shù)，這在實驗室的手工制作工藝條件下是難以保證的。為克服上述工藝和設(shè)備困難，經(jīng)反復(fù)研究，獲得了下述方案。
柔性印刷電路板絕大多數(shù)采用壓延銅箔，其銅純度為99.9％，高于普通印刷電路板所用的電解銅箔(純度為99.8％)，但仍低于標準化銅電阻所要求的純度，因此，采用柔性印刷電路板制作的銅電阻溫度傳感器為非標準化傳感器。盡管如此，對于固定型號的柔性印刷電路板來說，銅箔純度是相對穩(wěn)定的，在其上制作的電阻式溫度傳感器的瓦換性、重復(fù)性、穩(wěn)定性都能夠得到保證，其電阻溫度特性與標準化銅電阻的差異主要由銅材料純度的差異決定，體現(xiàn)為具有特定規(guī)律的系統(tǒng)誤差，這種系統(tǒng)誤差規(guī)律可通過標定與校準實驗提取。換言之，雖然在柔性印刷電路板上制作的銅電阻不是標準化的銅電阻溫度傳感器，但由于它們之間的誤差屬于系統(tǒng)誤差，因此，仍然可以借助針對標準化銅電阻所生產(chǎn)的信號調(diào)理電路和計算機接口電路，只不過需要通過軟件補償它們之間的差異。為此，采用如下方案：將每個PCB板上的銅電阻溫度傳感器外申一只固定電阻器，該固定電阻器的阻值與溫度無關(guān)，其串聯(lián)后的阻值在0℃時為50Ω，接入標準化的銅電阻接口板，該板選用智能熱電阻信號輸入板IPC5457，它能夠直接插入PC總線工業(yè)控制計算機的擴展槽內(nèi)。每塊IPC5457能夠完成16路標準化銅電阻信號的數(shù)據(jù)采集與處理，將電阻信號轉(zhuǎn)換為溫度值。由于傳感器是非標準化的銅電阻，因此，在工業(yè)控制計算機內(nèi)編制相應(yīng)補償軟件，以補償因傳感器的非標準化所帶來的系統(tǒng)誤差。
非標準化銅電阻溫度傳感器與標準化銅電阻溫度傳感器的差異體現(xiàn)在2個方面，其一是0℃所對應(yīng)的電阻R0值不同，亦即零點不同；其二是電阻溫度系數(shù)α不同，亦即靈敏度不同。設(shè)制作在PCB板上的非標準化的銅電阻特性為
式中Rt1，R01分別為制作在PCB板上的非標準化的銅電阻傳感器在0℃和t℃時的阻值；α1為其電阻溫度系數(shù)。將其與一個高精度固定電阻器串聯(lián)，固定電阻器的阻值按串聯(lián)后0℃時總電阻為50Ω的原則取值，不妨設(shè)所串聯(lián)電阻阻值為R，此串聯(lián)支路直接聯(lián)IPC5457。于是，當所測溫度為t時，此支路的阻值R″t為
設(shè)按標準化分度號設(shè)計的IPC5457將R″t轉(zhuǎn)換為溫度t″
式(7)即為PCB板非標準化傳感器配標準化信號調(diào)理電路的校正算法。只要預(yù)知非標準化傳感器的零點R01和靈敏度α1，將上述算法編制程序作為系統(tǒng)應(yīng)用軟件的子程序，計算機即可根據(jù)IPC5457的測得值計算出被測溫度，達到了采用成熟的、商品化的標準化熱電阻輸入板采集非標準化熱電阻輸出信號的目的，簡化了系統(tǒng)硬件，相應(yīng)提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
為了獲取非標準化傳感器的零點R01和靈敏度α1，需進行標定實驗。標定實驗在恒溫水槽中進行，水槽溫度用標準水銀溫度計測量，傳感器阻值用電橋測量，其標定結(jié)果為R01=16.67Ω，α1=4.27x10-3／℃。
3 結(jié)論
以低成本PCR芯片陣列控制系統(tǒng)所需的制作在PCB板上的非標準化熱電阻為例，介紹了非標準化傳感器與標準化傳感器信號調(diào)理電路的匹配方法。這種匹配方法的實質(zhì)是通過軟件來補償非標準化傳感器與標準化傳感器之間的差異。只要非標準化傳感器具備足夠的重復(fù)性，匹配精度就能夠得到保證。上述方法也可推廣到其他非標準化分度的傳感器的信號調(diào)理。當測量系統(tǒng)的生產(chǎn)批量不是很大或研制時間特別緊張時，采用該方法有一定優(yōu)勢。
