温盐深传感器敏感元件应用现状概述

柳宏涛，宋成君，咸婉婷，杨思远

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150028)

海水温度、盐度参数的重要性等同于地图的方向坐标，海水深度参数相当于地图的高度坐标。精确测量海洋温盐深参数，对海洋经济开发、提升科考能力具有重要意义。

1 温盐深测量技术发展历程

温盐深测量技术与人类文明共同发展。数千年前，早期岸边生活的人类因捕鱼需求，通过竹竿、木棒或礁石等标记水域深度，后期有经验的渔民通过感知水体温度，即可判断水下鱼类资源丰富程度。经历大航海时代后，人们积累了丰富的海上航行经验，同时也遇到了很多诸如“液体海底”等诡异事件[1]。1670年前后，以英国科学家玻意耳开展的海水密度与含盐量关系研究为标志，人类开始了海洋盐度研究。1819年，马塞特通过烘干称重法测得了海水含盐量，提出了海水组成比例恒定性规律[2-4]，海洋温盐深水文参数研究进入高速发展阶段。1978年，国际盐标的提出，奠定了近代海洋温盐深测量技术基础，该标准被称为实用盐标或78盐标，盐度计算由电导率值经温度、压力补偿得出，与海水盐分的组成关系较小，该标准得出的盐度值与海水密度关系更为精确，具有计算简便、精度高、实用性好等优点，因此沿用至今。

2 温盐深传感器敏感元件

2.1 温度敏感元件

温度作为7个基本物理量之一，其测量技术发展较早，测试方法较多。目前，国际主流公司温盐深传感器的温度测量标称精度为0.002℃，用于温盐深传感器的温敏元件主要为绕丝结构铂电阻和热敏电阻。

铂电阻：温盐深传感器温敏元件所用铂电阻为柱状绕丝结构，感温核心元件为高纯度铂丝，经绕制处理后，形成类弹簧回旋结构，铂丝放置于陶瓷腔体内，经填充氧化镁粉等绝缘导热材料，提升温敏元件耐振动、冲击的环境适应性，外部采用钛合金或316L不锈钢金属封装，具备测温重复性好、非线性、长期稳定性、环境适应性强等特性[5]，但灵敏度较小(PT100型铂电阻温度灵敏度约0.38Ω/℃)，敏感元件体积相对较大。

热敏电阻：根据温度正负系数不同，热敏电阻分为PTC和NTC，温敏元件为半导体材质，元件体积小，温度灵敏度大(>100Ω/℃)，测温精度高[6]，但因半导体材质自身特性，热温敏电阻年漂移量较大，校准周期较短。

2.2 深度敏感元件

目前温盐深传感器的海水深度测量，多采用测压法测深[7]，根据：

p=ρgh

(1)

h=p/ρg

(2)

通过读取被测点海水压力，获取深度参数。目前国际主流公司的深度测量精度优于0.1%FS，使用的压敏元件主要为压阻式和谐振式两类。

压阻式：又称硅压阻式压敏元件，基于压阻效应测压，采用MEMS工艺，在硅基片上制备惠斯通电桥，感压时，一组对壁阻值增大，另一组阻值减小，通电后，测量元件输出电压即可实现压力测量。压阻式压敏元件制备工艺较成熟、批产成本较低，量程可达500 MPa以上，但测压精度相对较低，精度较高的中小量程元件，其精度也仅可达到0.1%FS。

谐振式：采用MEMS工艺制备而成，测压时，元件发生形变，导致固有频率发生变化，通过测量压敏元件的固有频率即可完成压力测量，谐振式压敏元件测量精度极高，可达0.01%FS以上[8]，但元件制备工艺较为复杂，仅国外个别公司具备批产能力，价格较为高昂。

2.3 电导率敏感元件

目前国际主流公司的电导率测量精度为0.003 mS/cm，常用元件按测量原理进行分类，电导率敏感元件可分为电极式和电感式[9]。

2.3.1 电极式电导率敏感元件

电极式敏感元件采用气相沉积、金属溅射工艺，选用铂等金属材料在陶瓷或玻璃表面制备导电电极，基于电极间等效电阻表征海水电导率，实现根据测量电极数量，敏感元件分为二电极式、三电极式、四电极式和七电极式[10]。

二电极式：本质为两片对立的片状或环状电极，电极两端施加直流或交流电压，海水中导电粒子浓度不同，电极间产生电流大小不同，通过测量电流大小，即可表征被测海水电导率值，测量量程可达2 000 mS/cm以上。该原理激励电极与测量电极共用，电极极化现象严重，且边缘效应严重，敏感元件的测量精度、长期稳定性较差，故该原理敏感元件多用于电导率量程较大、测量精度要求较低的应用环境。

三电极：本质为三片环状电极均匀分布于电导池内，测量原理如图1所示，采用文氏振荡电路，电导池流经海水时，电极间等效电阻R=RS1//RS2，且与海水电导率相关，通过合理搭配元器件，电路输出频率为1/(2πRC)，通过测量振荡频率即可表征被测海水阻抗，完成电导率测量[11]，量程多为0～70 mS/cm。温盐深行业的标杆——美国SEABIRD公司，其产品多采用三电极进行电导率测量，三电极式电导率元件测量精度较高，可达0.003 mS/cm，产品长期稳定性优于0.001 mS/cm/月。该原理要求电导池内的海水具有较大的等效电阻，导致电导池结构较为细长，导流比(电导池直径与长度之比)仅0.02左右，使用过程中易发生堵塞，被测介质交换较慢，常需要配泵使用，业内部分人士认为，水泵虽然提升了电导池内外之间液体交换速度，但同时也会破坏被测海水的微结构，出现海洋水文参数测量误[12]。

图1 三电极电导率测量示意图Fig.1 Schematic diagram of three-electrode conductivity measurement

四电极：如图2所示，四电极电导率元件由两组同轴对称电极组成，激励电极施加交流信号时，输出电极产生与被测电导率相关的电压信号，实现电导率测量。该元件的激励电极和测量电极彼此独立，一定程度上解决了电极极化问题，且电导池为开放结构，海水交换速度较快[13]，该敏感元件为MEMS结构，是未来微体积传感器的重要发展方向。受限于制备工艺的原因，小尺寸电导率元件电极的同轴度不高，导致元件测量精度相对较低。该原理敏感元件的电极多为陶瓷基底上的平面结构，存在一定的应力失配现象，导致元件的长期漂移量较大，耐振动冲击的环境适应性较差。

图2 四电极电导率元件结构示意图Fig.2 Schematic diagram of structure of four-electrode conductivity elements

七电极：七电极电导率元件可视为两组四电极元件，测量原理如图3所示。电极1为激励电极，接交流激励后，与电极6、7分别建立内部电场，电极6和7为接地屏蔽电极，提升元件电磁兼容性，电极2和3、4和5为两组测量电极，输出信号的平均值表征被测海水电导率。七电极元件同时具备三电极和四电极元件的优点，两侧电极接地，形成电磁屏蔽，元件的电磁兼性好，测量精度高，响应速度快，导流比可达0.2，无需配泵使用[14]，测量可达0.003 mS/cm，响应时间可达50 ms。

图3 七电极电导率测量示意图Fig.3 Schematic diagram of seven-electrode conductivity measurement

电极式电导率敏感元件多为MEMS工艺制备，产品体积较小，测量精度较高，但其电极直接接触被测介质，长期使用过程中存在电极腐蚀、电极污染和微生物附着等问题，导致测量精度急剧降低。

2.3.2 电感式电导率敏感元件

电感式电导率敏感元件电磁感应实现电导率测量，结构如图4所示。敏感元件采用交流信号激励，激励电感内部产生交变磁场，导流管内部产生感生电场，该电场驱动导电粒子定向移动形成电流，感应电感输出端产生与被测海水电导率成正比的输出信号，即完成海水电导率测量[15]，电导率测量精度可达0.003 mS/cm，响应时间可达50 ms。

图4 电感式电导率元件结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of inductive conductivity elements

电感式电导率元件外壳均为耐腐蚀材料(多采用POM制备)，电感核心元件置于壳体内部，不接触海水，与电极式相比，不存在电极极化、腐蚀问题[16]，但其体积、质量较大。因电磁感应工作原理，导致传感器温度漂移量较大，其激励电感和感生电感为绕线结构，与MEMS工艺制备的电极型元件相比，元件批量一致性较差。

3 结语

温盐深传感器作为海洋水文参量测量的主要仪器设备，经历了几十年的发展，涌现出了SEABIRD、IDRONAUT、ALEC、Sea-Sun-Tech、AANDERAA、RBR等众多研发公司。目前，各公司的温盐深传感器所用温度、压力敏感元件基本一致，但基于公司技术积累不同，所用电导率敏感元件差别较大，目前三电极、七电极和电感式敏感元件均有较多应用，产品性能也较为成熟。虽然各公司的温盐深传感器的敏感元件原理存在一定差别，但敏感元件小型化、高精度、低功耗、防生物附着的发展方向是相同的。