专利名称：土壤养分传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感谢器技术领域，具体涉及一种基于MEMS技术的土壤养分传感器。
背景技术：
精准农业是指信息科学、控制科学、遥感科学、生命科学等多学科相互融合的农业综合系统工程，通过多种传感器系统获取土壤和作物水分、氮素、产量等信息，根据农业专家系统运算，实现精准播种、收割、平衡施肥、灌溉、作物动态监控技术等。目前，我国农业如何实现由传统农业向现代农业的转变，由粗放农业走向精准农业，从而走出一条具有中国特色的农业现代化之路，是一个亟待探索的重大课题；精准农业相对于传统农业的一个最大特点，是以高科技投入和管理获取资源的最大节约和农业产出的最佳效益。它的最重要的价值和意义就在于能够实现农业的科学化、标准化、定量化、高效化。它代表了我国农业发展的方向，是农业走低耗、高效、优质、可持续发展之路的必然选择。特别是我国化学品粗放投放导致农作物和土壤污染严重，精准农业有利于减少不必要化学药剂使用和减缓化学污染；因此，我们开发出基于MEMS技术的土壤养分传感器，它通过在田间实时在线获取土壤的近红外反射光谱，获取土壤中多种有机元素的光谱信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种精密化、集成化，精度更高，便于携带，节省能耗的土壤养分传感器。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，—种土壤养分传感器，包括集成在电路板卡上的电路系统和光路系统，所述的电路系统包括为电路系统和光路系统供电的电源�？�、控制�？�、数模转化�？�、运算放大器；所述的电源�？槲胱拥绯毓┑绾褪械绫溲刮妊沟缏罚凰龅目刂颇？槲狣SP (微处理器芯片)或FPGA (可编程逻辑器件)等高速通用控制芯片的任意一种；所述的模数转化模块为高速24位A/D转化器；所述的光路系统包括光学芯片、校准�？榧疤讲馄鳎缏钒蹇ú唤鼍哂邪氲继骞ひ罩谐Ｓ玫牡缏废低骋酝猓辜闪斯庋酒�。所述的光学芯片分为近红外光源和微机电分光系统，所述的光学芯片包括光学兀件、光学平台、冷却平台、铜壳，再无尘条件下将所述的光学元件安装在光学平台上，所述的光学平台固定在冷却平台上以确保整个光学芯片稳定工作，然后用铜壳将光学元件、光学平台以及冷却平台封装，电路通过侧边的碟状引脚引出，焊接在电路板卡上。所述的近红外光源采用可调谐超辐射发光二极管(SLED)，该光源功率很高，而且功率可通过改变电流进行调节。所述的校准�？榘娇榉止饩岛土礁鎏讲馄鳎⑼ü娇榉止饩岛土礁鎏讲馄骼词迪植ǔず凸β仕Ｗ脊δ埽龅姆止饩狄缓头止饩刀霉夥直鹛峁└讲馄饕唤胁ǔげ饬亢吞讲馄鞫泄β什饬浚饬拷峁蠢〉娇刂颇？椋偻ü慕问迪止饴纺？榻徊降髡ǔず凸β剩敝镣瓿刹ǔず凸β市Ｗ�。所述近红外光源发出的光通过透镜准直后形成平行光，经过45°C起偏器Pl起偏后，再经过补偿板和楔状双折射晶体RCl以及楔状双折射晶体RC2，再经过负45°C检偏器P2 ;通过压电陶瓷控制楔状双折射晶体RC2移动，移动方向与楔状双折射晶体RCl斜边平行，实现光程的改变；氦氖激光器发出的光的传播方向与近红外光源传播的方向反向；所述氦氖激光器发出的光经过带通滤光片进入光电探测器；所述的带通滤波片将其他的光滤除，只让氦氖光通过；每当光电探测器探测到的信号为零时，则通过光电探测器感应氦氖激光强度来触发探测器的信号。所述的光学芯片采用MEMS(微机电系统)技术制作，以碟状封装芯片安装在电路板卡上,该光路系统没有移动部件,抗震动,抗干扰,并采用LIGA (深度同步辐射光刻、电铸制�：妥⒛８粗�)加工技术实现光学芯片光学元件制作。所述光学元件通过X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤制造成型；x射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使用深度同步辐射光刻、电铸制�：妥⒛８粗萍际跄芄恢圃斐龈呖肀却锏�500 μ m、厚度大于1500 μ m、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构，从而保证光学元件的高精密度。本发明通过光纤将光学系统发出的近红外光照射到土壤样品上，并通过探测器采集样品反射光获取样品的吸收谱，从而获取土壤养分信息。本发明的有益效果是:1、本发明可批量制作，集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统；2、本发明通过MEMS技术可以将近红外光谱仪微型化、精密化、集成化，精度更高，便于携带，节省能耗。
图1为本发明整体系统示意图；图2为本发明光学芯片剖面结构示意图；图3为本发明光学芯片的光路结构示意图；图4为本发明校准�？楣饴方峁雇�。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。如图1所示，一种土壤养分传感器，包括集成在电路板卡I上的电路系统2和光路系统3，电路系统2包括为电路系统2和光路系统3供电的电源�？椤⒖刂颇？椤⑹Ｗ？�、运算放大器；电源模块为锂离子电池供电21和市电变压稳压电路22 ;控制�？槲狣SP (微处理器芯片)或FPGA(可编程逻辑器件)等高速通用控制芯片的任意一种；模数转化�？槲咚�24位A/D转化器；光路系统3包括光学芯片、校准模块及探测器15，电路板卡I不仅具有半导体工艺中常用的电路系统以外，还集成了光学芯片。如图2所不,光学芯片分为近红外光源9和微机电分光系统20,光学芯片包括光学元件4、光学平台5、冷却平台6、铜壳7，再无尘条件下将所述的光学元件4安装在光学平台5上，光学平台5固定在冷却平台6上以确保整个光学芯片4稳定工作，然后用铜壳7将光学元件4、光学平台5以及冷却平台6封装，电路通过侧边的碟状引脚8引出，焊接在电路板卡I上。近红外光源9采用可调谐超辐射发光二极管(SLED)，该光源功率很高，而且功率可通过改变电流进行调节。如图4所示，校准�？榘娇榉止饩岛土礁鎏讲馄鳎⑼ü娇榉止饩岛土礁鎏讲馄骼词迪植ǔず凸β仕Ｗ脊δ埽止饩狄缓头止饩刀霉夥直鹛峁└讲馄饕唤胁ǔげ饬亢吞讲馄鞫泄β什饬浚饬拷峁蠢〉娇刂颇？椋偻ü慕问迪止饴纺？榻徊降髡ǔず凸β剩敝镣瓿刹ǔず凸β市Ｗ�。如图3所示，近红外光源9发出的光通过透镜10准直后形成平行光，经过45°C起偏器Pl 12起偏后，再经过补偿板13和楔状双折射晶体RCl 141以及楔状双折射晶体RC214，再经过负45°C检偏器P2 121 ;通过压电陶瓷控制楔状双折射晶体RC2 14移动，移动方向与楔状双折射晶体RCl 141斜边平行，实现光程的改变；氦氖激光器19发出的光的传播方向与近红外光源9传播的方向反向；氦氖激光器19发出的光经过带通滤波片17进入光电探测器18 ;所述的带通滤波片17将其他的光滤除，只让氦氖光通过；每当光电探测器18探测到的信号为零时，则通过光电探测器18感应氦氖激光强度来触发探测器的信号。光学芯片采用MEMS(微机电系统)技术制作，以碟状封装芯片安装在电路板卡I上，该光路系统没有移动部件，抗震动，抗干扰，并采用LIGA (深度同步辐射光刻、电铸制�：妥⒛８粗�)加工技术实现光学芯片光学元件制作；光学元件4通过X光深度同步辐射光亥IJ、电铸制�：妥⒛８粗迫龉ひ詹街柚圃斐尚停籜射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使用深度同步辐射光刻、电铸制�：妥⒛８粗萍际跄芄恢圃斐龈呖肀却锏�500 μ m、厚度大于1500 μ m、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构，从而保证光学元件的高精密度。本发明的系统操作步骤如下:1、通电后，电路为系统供电，控制�？槠舳跏蓟低巢问�2、读取设置测量参数，例如测量波长范围、光强、测量时间等，配置各个寄存器；3、启动光路系统，等待2分钟，实现光路稳定；4、启动校准�？椋ü邮懿ǔず湍芰糠蠢。髡饴废低巢问迪稚瓒úǔび牍β仕Ｗ迹�5、采集光谱数据:通过驱动压电陶瓷移动，实现不同波长的光的干涉，采集土壤样品反射的近红外光，经过放大和模数转换后，将结果与对应波长进行保存。6、进行下一个测量过程，重复4-5次。本发明通过光纤将光学系统发出的近红外光照射到土壤样品上，并通过探测器采集样品反射光获取样品的吸收谱，从而获取土壤养分信息。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.壤养分传感器，其特征在于:包括集成在电路板卡上的电路系统和光路系统，所述的电路系统包括为电路系统和光路系统供电的电源�？�、控制�？椤⑹Ｗ？�、运算放大器；所述的光路系统包括光学芯片、校准�？榧疤讲馄鳌�
2.根据权利要求1所述的土壤养分传感器，其特征在于:所述的电源�？槲胱拥绯毓┑绾褪械绫溲刮妊沟缏罚� 所述的控制�？槲⒋砥餍酒蚩杀喑搪呒骷咚偻ㄓ每刂菩酒娜我庖恢郑� 所述的模数转化�？槲咚�24位A/D转化器。
3.根据权利要求1所述的土壤养分传感器，其特征在于:所述的光学芯片分为近红外光源和微机电分光系统，所述的光学芯片包括光学兀件、光学平台、冷却平台、铜壳，再无尘条件下将所述的光学元件安装在光学平台上，所述的光学平台固定在冷却平台上以确保整个光学芯片稳定工作，然后用铜壳将光学元件、光学平台以及冷却平台封装，电路通过侧边的碟状引脚引出，焊接在电路板卡上。
4.根据权利要求3所述的土壤养分传感器，其特征在于:所述的近红外光源采用可调谐超辐射发光二极管。
5.根据权利要求1所述的土壤养分传感器，其特征在于:所述的校准�？榘娇榉止饩岛土礁鎏讲馄鳎⑼ü娇榉止饩岛土礁鎏讲馄骼词迪植ǔず凸β仕Ｗ脊δ埽龅姆止饩狄缓头止饩刀霉夥直鹛峁└讲馄饕唤胁ǔげ饬亢吞讲馄鞫泄β什饬浚饬拷峁蠢〉娇刂颇？椋偻ü慕问迪止饴纺？榻徊降髡ǔず凸β剩敝镣瓿刹ǔず凸β市Ｗ�。
6.根据权利要求3所述的土壤养分传感器，其特征在于:所述近红外光源发出的光通过透镜准直后形成平行光，经过45°C起偏器Pl起偏后，再经过补偿板和楔状双折射晶体RCl以及楔状双折射晶体RC2，再经过负45°C检偏器P2 ;通过压电陶瓷控制楔状双折射晶体RC2移动，移动方向与楔状双折射晶体RCl斜边平行，实现光程的改变；氦氖激光器发出的光的传播方向与近红外光源传播的方向反向；所述氦氖激光器发出的光经过带通滤光片进入光电探测器；所述的带通滤波片将其他的光滤除，只让氦氖光通过；每当光电探测器探测到的信号为零时，则通过光电探测器感应氦氖激光强度来触发探测器的信号。
7.根据权利要求1所述的土壤养分传感器，其特征在于:所述的光学芯片采用微机电系统技术制作，以碟状封装芯片安装在电路板卡上。
8.根据权利要求3所述的土壤养分传感器，其特征在于:所述光学元件通过X光深度同步辐射光刻、电铸制�：妥⒛８粗迫龉ひ詹街柚圃斐尚�。
全文摘要
本发明公开了一种土壤养分传感器，包括集成在电路板卡上的电路系统和光路系统，所述的电路系统包括为电路系统和光路系统供电的电源�？�、控制�？椤⑹Ｗ？�、运算放大器；所述的电源�？槲胱拥绯毓┑绾褪械绫溲刮妊沟缏罚凰龅目刂颇？槲狣SP(微处理器芯片)或FPGA(可编程逻辑器件)等高速通用控制芯片的任意一种；所述的模数转化�？槲咚�24位A/D转化器；所述的光路系统包括光学芯片、校准�？榧疤讲馄鳎缏钒蹇ú唤鼍哂邪氲继骞ひ罩谐Ｓ玫牡缏废低骋酝猓辜闪斯庋酒槐痉⒚骶哂芯芑�、集成化，精度更高，便于携带，节省能耗在优点。
文档编号G01N21/35GK103091276SQ20111034403
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者庄重, 汪六三, 汪玉冰, 鲁翠萍, 曹会彬, 孙玉香, 陈鹏, 宋良图, 王儒敬 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院
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