溫鹽深傳感器敏感元件應用現狀概述

柳宏濤，宋成君，咸婉婷，楊思遠

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱 150028)

海水溫度、鹽度參數的重要性等同于地圖的方向坐標，海水深度參數相當于地圖的高度坐標。精確測量海洋溫鹽深參數，對海洋經濟開發、提升科考能力具有重要意義。

1 溫鹽深測量技術發展歷程

溫鹽深測量技術與人類文明共同發展。數千年前，早期岸邊生活的人類因捕魚需求，通過竹竿、木棒或礁石等標記水域深度，后期有經驗的漁民通過感知水體溫度，即可判斷水下魚類資源豐富程度。經歷大航海時代后，人們積累了豐富的海上航行經驗，同時也遇到了很多諸如“液體海底”等詭異事件[1]。1670年前后，以英國科學家玻意耳開展的海水密度與含鹽量關系研究為標志，人類開始了海洋鹽度研究。1819年，馬塞特通過烘干稱重法測得了海水含鹽量，提出了海水組成比例恒定性規律[2-4]，海洋溫鹽深水文參數研究進入高速發展階段。1978年，國際鹽標的提出，奠定了近代海洋溫鹽深測量技術基礎，該標準被稱為實用鹽標或78鹽標，鹽度計算由電導率值經溫度、壓力補償得出，與海水鹽分的組成關系較小，該標準得出的鹽度值與海水密度關系更為精確，具有計算簡便、精度高、實用性好等優點，因此沿用至今。

2 溫鹽深傳感器敏感元件

2.1 溫度敏感元件

溫度作為7個基本物理量之一，其測量技術發展較早，測試方法較多。目前，國際主流公司溫鹽深傳感器的溫度測量標稱精度為0.002℃，用于溫鹽深傳感器的溫敏元件主要為繞絲結構鉑電阻和熱敏電阻。

鉑電阻：溫鹽深傳感器溫敏元件所用鉑電阻為柱狀繞絲結構，感溫核心元件為高純度鉑絲，經繞制處理后，形成類彈簧回旋結構，鉑絲放置于陶瓷腔體內，經填充氧化鎂粉等絕緣導熱材料，提升溫敏元件耐振動、沖擊的環境適應性，外部采用鈦合金或316L不銹鋼金屬封裝，具備測溫重復性好、非線性、長期穩定性、環境適應性強等特性[5]，但靈敏度較小(PT100型鉑電阻溫度靈敏度約0.38Ω/℃)，敏感元件體積相對較大。

熱敏電阻：根據溫度正負系數不同，熱敏電阻分為PTC和NTC，溫敏元件為半導體材質，元件體積小，溫度靈敏度大(>100Ω/℃)，測溫精度高[6]，但因半導體材質自身特性，熱溫敏電阻年漂移量較大，校準周期較短。

2.2 深度敏感元件

目前溫鹽深傳感器的海水深度測量，多采用測壓法測深[7]，根據：

p=ρgh

(1)

h=p/ρg

(2)

通過讀取被測點海水壓力，獲取深度參數。目前國際主流公司的深度測量精度優于0.1%FS，使用的壓敏元件主要為壓阻式和諧振式兩類。

壓阻式：又稱硅壓阻式壓敏元件，基于壓阻效應測壓，采用MEMS工藝，在硅基片上制備惠斯通電橋，感壓時，一組對壁阻值增大，另一組阻值減小，通電后，測量元件輸出電壓即可實現壓力測量。壓阻式壓敏元件制備工藝較成熟、批產成本較低，量程可達500 MPa以上，但測壓精度相對較低，精度較高的中小量程元件，其精度也僅可達到0.1%FS。

諧振式：采用MEMS工藝制備而成，測壓時，元件發生形變，導致固有頻率發生變化，通過測量壓敏元件的固有頻率即可完成壓力測量，諧振式壓敏元件測量精度極高，可達0.01%FS以上[8]，但元件制備工藝較為復雜，僅國外個別公司具備批產能力，價格較為高昂。

2.3 電導率敏感元件

目前國際主流公司的電導率測量精度為0.003 mS/cm，常用元件按測量原理進行分類，電導率敏感元件可分為電極式和電感式[9]。

2.3.1 電極式電導率敏感元件

電極式敏感元件采用氣相沉積、金屬濺射工藝，選用鉑等金屬材料在陶瓷或玻璃表面制備導電電極，基于電極間等效電阻表征海水電導率，實現根據測量電極數量，敏感元件分為二電極式、三電極式、四電極式和七電極式[10]。

二電極式：本質為兩片對立的片狀或環狀電極，電極兩端施加直流或交流電壓，海水中導電粒子濃度不同，電極間產生電流大小不同，通過測量電流大小，即可表征被測海水電導率值，測量量程可達2 000 mS/cm以上。該原理激勵電極與測量電極共用，電極極化現象嚴重，且邊緣效應嚴重，敏感元件的測量精度、長期穩定性較差，故該原理敏感元件多用于電導率量程較大、測量精度要求較低的應用環境。

三電極：本質為三片環狀電極均勻分布于電導池內，測量原理如圖1所示，采用文氏振蕩電路，電導池流經海水時，電極間等效電阻R=RS1//RS2，且與海水電導率相關，通過合理搭配元器件，電路輸出頻率為1/(2πRC)，通過測量振蕩頻率即可表征被測海水阻抗，完成電導率測量[11]，量程多為0～70 mS/cm。溫鹽深行業的標桿——美國SEABIRD公司，其產品多采用三電極進行電導率測量，三電極式電導率元件測量精度較高，可達0.003 mS/cm，產品長期穩定性優于0.001 mS/cm/月。該原理要求電導池內的海水具有較大的等效電阻，導致電導池結構較為細長，導流比(電導池直徑與長度之比)僅0.02左右，使用過程中易發生堵塞，被測介質交換較慢，常需要配泵使用，業內部分人士認為，水泵雖然提升了電導池內外之間液體交換速度，但同時也會破壞被測海水的微結構，出現海洋水文參數測量誤[12]。

圖1 三電極電導率測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-electrode conductivity measurement

四電極：如圖2所示，四電極電導率元件由兩組同軸對稱電極組成，激勵電極施加交流信號時，輸出電極產生與被測電導率相關的電壓信號，實現電導率測量。該元件的激勵電極和測量電極彼此獨立，一定程度上解決了電極極化問題，且電導池為開放結構，海水交換速度較快[13]，該敏感元件為MEMS結構，是未來微體積傳感器的重要發展方向。受限于制備工藝的原因，小尺寸電導率元件電極的同軸度不高，導致元件測量精度相對較低。該原理敏感元件的電極多為陶瓷基底上的平面結構，存在一定的應力失配現象，導致元件的長期漂移量較大，耐振動沖擊的環境適應性較差。

圖2 四電極電導率元件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of four-electrode conductivity elements

七電極：七電極電導率元件可視為兩組四電極元件，測量原理如圖3所示。電極1為激勵電極，接交流激勵后，與電極6、7分別建立內部電場，電極6和7為接地屏蔽電極，提升元件電磁兼容性，電極2和3、4和5為兩組測量電極，輸出信號的平均值表征被測海水電導率。七電極元件同時具備三電極和四電極元件的優點，兩側電極接地，形成電磁屏蔽，元件的電磁兼性好，測量精度高，響應速度快，導流比可達0.2，無需配泵使用[14]，測量可達0.003 mS/cm，響應時間可達50 ms。

圖3 七電極電導率測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of seven-electrode conductivity measurement

電極式電導率敏感元件多為MEMS工藝制備，產品體積較小，測量精度較高，但其電極直接接觸被測介質，長期使用過程中存在電極腐蝕、電極污染和微生物附著等問題，導致測量精度急劇降低。

2.3.2 電感式電導率敏感元件

電感式電導率敏感元件電磁感應實現電導率測量，結構如圖4所示。敏感元件采用交流信號激勵，激勵電感內部產生交變磁場，導流管內部產生感生電場，該電場驅動導電粒子定向移動形成電流，感應電感輸出端產生與被測海水電導率成正比的輸出信號，即完成海水電導率測量[15]，電導率測量精度可達0.003 mS/cm，響應時間可達50 ms。

圖4 電感式電導率元件結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of inductive conductivity elements

電感式電導率元件外殼均為耐腐蝕材料(多采用POM制備)，電感核心元件置于殼體內部，不接觸海水，與電極式相比，不存在電極極化、腐蝕問題[16]，但其體積、質量較大。因電磁感應工作原理，導致傳感器溫度漂移量較大，其激勵電感和感生電感為繞線結構，與MEMS工藝制備的電極型元件相比，元件批量一致性較差。

3 結語

溫鹽深傳感器作為海洋水文參量測量的主要儀器設備，經歷了幾十年的發展，涌現出了SEABIRD、IDRONAUT、ALEC、Sea-Sun-Tech、AANDERAA、RBR等眾多研發公司。目前，各公司的溫鹽深傳感器所用溫度、壓力敏感元件基本一致，但基于公司技術積累不同，所用電導率敏感元件差別較大，目前三電極、七電極和電感式敏感元件均有較多應用，產品性能也較為成熟。雖然各公司的溫鹽深傳感器的敏感元件原理存在一定差別，但敏感元件小型化、高精度、低功耗、防生物附著的發展方向是相同的。