0 引 言

　　對(duì)于具有標(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)的傳感器，目前，市場(chǎng)上一般有與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路。由于這些標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)的，因此，其可靠性高，價(jià)格一般也較為合理。但具有標(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)的傳感器在整個(gè)傳感器家族中卻僅占少數(shù)。當(dāng)人們?cè)谘兄颇承y(cè)量系統(tǒng)的過程中不得不選用非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器時(shí)，一般需要設(shè)計(jì)、制作相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。由于任何電子產(chǎn)品的成熟都需要一個(gè)可靠性增長(zhǎng)過程，如果所研制的測(cè)量系統(tǒng)生產(chǎn)批量不是太大，則信號(hào)調(diào)理電路的可靠性、穩(wěn)定性難以保證，勢(shì)必影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。由于目前測(cè)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?biāo)準(zhǔn)化傳感器，選用與其特性盡量接近的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，而將其差異通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，則可在保證測(cè)量精度的前提下有效簡(jiǎn)化測(cè)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?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction，pcr)芯片測(cè)量與控制系統(tǒng)的過程中成功實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)想。

1 利用印刷電路板工藝制作的非標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)增技術(shù)。隨著微機(jī)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(jìn)行pcr的設(shè)備平臺(tái)面臨革命性的變革。但是，pcr芯片在進(jìn)軍市場(chǎng)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(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、低成本的pcr芯片，同時(shí)，提出了一種新型測(cè)控方案，該方案能夠?qū)?20只芯片進(jìn)行溫度控制。為實(shí)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(printed circuit board，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(duì)應(yīng)關(guān)系的原理在柔性pcb板上制作120個(gè)微加熱及傳感單元，微加熱及傳感單元與pcr芯片長(zhǎng)、寬幾何尺寸相同。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過相應(yīng)接口板卡控制。每個(gè)微加熱及傳感單元如圖1所示。

　　圖1所示傳感元件的測(cè)溫原理與標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻類似。標(biāo)準(zhǔn)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(hào)為cu50，cu100，100℃時(shí)的阻值與0℃時(shí)的阻值的比值為1.428±0.002。標(biāo)準(zhǔn)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(shí)的阻值；α為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)阻值為50 ω或100 ω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(xì)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(duì)等而積的pcb板上只能安排25 ω左右的銅電阻。事實(shí)上，所制作的傳感元件在0℃時(shí)的阻值約為16.7 ω，加熱元件阻值約為8.3 ω；二是制作pcb板所用敷銅板上銅箔的純度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻所規(guī)定的純度。因此，不能直接使用針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻而生產(chǎn)的信號(hào)調(diào)理電路。如何將pcb板上電阻總值為十幾個(gè)歐姆、每攝氏度變化所對(duì)應(yīng)的電阻變化在百分之幾歐姆的電信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)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(gè)難點(diǎn)問題。

2 非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理

　　在研究過程中曾經(jīng)按常規(guī)思路專門設(shè)計(jì)了非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。將每10個(gè)芯片所對(duì)應(yīng)的10只銅電阻傳感器串聯(lián)，公用一個(gè)集成恒流源激勵(lì)，將每個(gè)電阻的高電位端對(duì)直流信號(hào)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(jì)算機(jī)在完成a／d轉(zhuǎn)換后，首先，對(duì)相串聯(lián)的2個(gè)相鄰電阻所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算，使運(yùn)算結(jié)果為某個(gè)銅電阻兩端電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。經(jīng)預(yù)先的靜態(tài)標(biāo)定，獲得這類數(shù)字量與溫度的對(duì)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(cè)。這種方案理論上是科學(xué)的，在實(shí)驗(yàn)室里也做通了實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)精度也符合要求。但實(shí)驗(yàn)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(jì)有12個(gè)恒流源、120個(gè)放大器，且要求這120個(gè)放大器具有一致的放大倍數(shù)，這在實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化

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