【正文】 ......................38 結 論 .........................................................................................................................39 致 謝 .........................................................................................................................40 參考文獻 .........................................................................................................................41 附 錄 .........................................................................................................................43 附件 A .....................................................................................................................43 附錄 B......................................................................................................................48 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 1 緒 論 研究背景 及發(fā)展現(xiàn)狀 光纖 FP傳感器液晶顯示器研究背景 傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的重要內(nèi)容，是 2l 世紀人們在高新技術發(fā)展方面爭奪的制高點之一。光纖傳感器是自 70 年代起隨光纖通訊及光纖傳感等相關技術發(fā)展而飛速發(fā)展的新型傳感器，具有靈敏度和分辨率高、體積小、重量輕、耐高溫、抗腐蝕、抗電磁干擾且能在易燃易爆的環(huán)境下可靠運行等優(yōu)點。因而成為近十幾年來世界各國學者研究的熱點，每年都有大量文章發(fā)表。從研究內(nèi)容上，人們在尋求新的測量方法，以達到既簡化研究又提高精度的目的；從研究結果看，已實現(xiàn)的光纖傳感器的分辨率比原來提高近 l0 倍，今天的光纖 傳感器進入了提高階段，人們在探索新的光纖傳感器構成機理的同時，把研究的重點放在提高它的某種性能上，如提高精度、分辨率或抗干擾能力等。隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，如機器人的深入研究、超大規(guī)模集成電路的芯片制作與定位等對傳感器的性能要求越來越高，從而對光纖傳感器的進一步研究再一次成為熱點。 液晶顯示器產(chǎn)品因具備平面顯示、不占空間、數(shù)位化、輕薄、低輻射及耗電量為 CRT(Cathode—Ray Tube)(陰極射線管 )的三分之一等優(yōu)點， 目前人類社會已步入了信息時代 ， 信息產(chǎn)業(yè)已成為衡量一個國家現(xiàn)代化水準的重要標志 ， 人們 信息的獲取 80%來自視覺 ， 各種信息最終都要通過信息顯示來實現(xiàn)人機交換 。 顯像管 CRT 液晶顯示器件 LCD 和發(fā)光二極管 LED 已成為顯示產(chǎn)業(yè)的重要支柱 ， 顯示產(chǎn)業(yè)已在信息產(chǎn)業(yè)中占有重要份額應用十分廣泛 。 CRT 經(jīng)過幾十年的發(fā)展其產(chǎn)業(yè)在電子工業(yè)中已占有十分重要的地位 ， 但是隨著應用范圍的不斷擴大 ， 使用要求的不斷提高以及光電子微電子技術的飛速發(fā)展 ， 由于 CRT 的一些固有缺點如體積大、有閃爍電壓高、有 X 射線等 ， 促使人們尋求新的顯示器件從而大大地促進了平板顯示技術的發(fā)展 。 目前平板顯示器件種類繁多 ， 主要有液晶顯示器件LCD 、 發(fā)光二極管 LED 、 真空熒光顯示器件 VFD 、 等離子體顯示器件 PDP 、電致發(fā)光器件 ELD 等 。 其中 ,LCD 以其突出的優(yōu)點廣闊的應用領域和巨大的市場 ， 已成為平板顯示器的主流產(chǎn)品 ,就中國目前來說顯像管 CRT 仍然是中國顯示 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 產(chǎn)業(yè)的主流 ,而世界上液晶顯示已成為顯示產(chǎn)業(yè)的重要支柱 。 光纖 FP傳感器液晶顯示器研究現(xiàn)狀 1 光纖傳感器研究現(xiàn)狀 光纖傳感器由于具有以上很多傳統(tǒng)電子學傳感器無法比擬的優(yōu)勢，自從上個世紀七十年代美國海軍研究所 (NRL)開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng) (FOSS)計劃以來，就得到 了世界上很多國家的重視，已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。自光纖傳感器被首次提出后的近四十年的時間里，光纖傳感器己被用于測量溫度、壓力、流量、位移、振動、轉(zhuǎn)動、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等上百種物理量。這些物理量分布在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、國防、建筑、環(huán)境、航天航海等不同的領域。 隨著微機電系統(tǒng) (MEMS)技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)外已開始了光纖 MEMS 傳感技術的研究。 MEMS 的核心技術是微電子、微機械加工與封裝技術的巧妙結合。MEMS 技術制造的壓力傳感器體積小、功能高，并且具有頻帶寬和靈敏度高的特性，與集 成電路工藝兼容，可批量生產(chǎn)，大大降低生產(chǎn)成本，是研究和開發(fā)的熱點。以硅為主要構成材料的傳感元器件已作為微型傳感器的主要敏感元件被廣泛應用于不同的研究領域中。光纖 MEMS 傳感器既具備 MEMS 傳感器體積小、功能強、靈敏度高和易于批量生產(chǎn)的優(yōu)點，又具備光纖傳感器的各種特性，因此在壓力測量上有著更為廣泛的應用前景 [1]。 當前國內(nèi)外市場上利用如受抑全反射式、泄漏模式、遮光式等光反射、折射原理制作的液位傳感器存在易受光源和液面波動、液體密度和粘度的影響，可操作性和連續(xù)性差、檢測動態(tài)范圍小、準確度不高、不安全等問題，因 此迫切需要一種能對液位進行高準確度、大量程、連續(xù)監(jiān)測的傳感器，用于滿足惡劣工作條件下液位檢測的需求。在各類光纖液位傳感器中，基于靜壓測量原理的壓力式光纖法布里－珀羅 (FP)液位傳感器是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ墓饫w液位傳感器 [3]。光纖FP 傳感器屬于干涉型傳感器，具有測量精度高、動態(tài)范圍大、線性度好等優(yōu)良特性，并因為只使用一根光纖就可實現(xiàn)傳感測量而得到廣泛研究。在光纖 FP 傳感器應用于壓力檢測研究中，傳感探頭 (FP 腔 )的制作是阻礙該類傳感器實用化的主要瓶頸之一。隨著硅、微機械加工技術的進展，利用 MEMS 工藝制 作的光纖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 FP 壓力傳感器，易于實現(xiàn)集成化批量生產(chǎn)，從而大大降低了傳感器的生產(chǎn)成本。為克服光纖 MEMS FP 傳感器的溫度敏感缺點， Wang 等制作了一種基于波紋膜片的光纖 MEMS FP傳感器 [11]，傳感器的抗溫度干擾和線性度得到一定程度提高。在國內(nèi)，南京師范大學王鳴等近幾年一直從事基于 MEMS 加工技術的光纖 FP 壓力傳感器的研究，在傳感器設計理論和制作方面取得了一定進展。 2 液晶顯示器研究現(xiàn)狀 液晶顯示器 (Liquid Crystal Display)于 1962 年被開發(fā)出來，如今已經(jīng)被廣泛引用于各類電 子產(chǎn)品。隨著移動通訊、多媒體娛樂的迅猛發(fā)展，人們對視聽品質(zhì)的要求日益提高，液晶顯示器已經(jīng)從簡單數(shù)字或圖象的的 TN LCD 到多像素的彩色被動式矩陣顯示 (Passive MatrixDisplay)STN LCD，再發(fā)展到主動式點矩陣顯示器(Active Matrix ThinFilm Transistor) TFT LCD，現(xiàn)在 TFT 液晶顯示器正在大部分應用領域快速取代傳統(tǒng)的陰極射線管 (Cathode Ray Tubes)CRT。大約 1971 年，液晶顯示設備第一次在人類的生活中出現(xiàn)。這就是最初的 TNLCD 扭曲陣列顯示器。到八十年代初期， TNLCD 開始被應用到電腦產(chǎn)品上。 1984 年，歐美國家提出STNLCD (超扭曲陣列 )，同時 TFTLCD (薄膜式電晶體 )技術也被提出，但技術和制程仍不夠成熟。到八十年代末期， STNLCD 開始大規(guī)模的生產(chǎn)。 1993 年，液晶顯示器開始向兩方面發(fā)展：一方面是朝著價格低、成本低的 STNLCD 顯示器方向發(fā)展。隨后又推出 DSTNLCD(雙層超扭曲陣列 ) ；而另一方面卻朝向高質(zhì)量的薄膜式電晶體 TFTLCD 發(fā)展，開發(fā)出 HRTFT、 DTFD 等超級液晶顯示屏。隨著移動通信終端產(chǎn)品市場的迅速擴大，作為人機視頻界面的平板顯示器件顯示出良好的市場前景。液晶顯示器更是以其低工作電壓、低功耗、顯示效果好、易集成和輕巧便攜等特點率先進入市場并不斷拓寬其應用領域，廣泛應用于手機、PDA、 手持式儀器儀表等便攜式電子產(chǎn)品和設備中。 目前的 LCD 控制芯片正朝著可重用、智能型和高集成度的方向發(fā)展。皇家飛利浦電子集團新近推出了 SAA6740 先進薄膜晶體管 TFT LCD 控制器，為先進薄膜晶體管 TFT LCD 控制器系列增加了一款新品。此創(chuàng)新半導體技術在晶體管上整合了省電、低雜 訊、縮減擺動差分信號 (RSDS )平板接口，因此 SAA6740 能減少總線連接，降低耗電率及電磁干擾 (EMI )，同時使整體系統(tǒng)成本低于傳統(tǒng)晶 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 體管 晶體管邏輯 (TTL) 平面顯示器，另外因為 SAA6740 控制器支持 RSDS 界面，所以非常適用于開發(fā)更具成本效益的 LCD 顯示器。 此外， Epson 公司在中中規(guī)模液晶圖形顯示控制芯片領域有三個產(chǎn)品系列：SED13305 系列、 SED13503 和 SED137xx 系列和 SED13axx 系列。 LCD 控制 IC 主要供應商有歐美廠商 Genesis Microchip Pixel works Sage STPhilips 等；我國臺灣地區(qū)廠商有晶磊半導體、創(chuàng)品微電子、晶捷科技、旺宏電子、凌越科技、鈺創(chuàng)科技等。其中最主要的供應商為美商 Genesis Microchip 公司，該公司在 2021 年末與 Sage 公司合并后，其市場占有率已高達七成左右，其中集成式控制 IC 的份額更在九成以上，而所有的臺灣 IC 廠商的出貨量總規(guī)模也只占24%。 除 Genesis 公司外，其它廠商以臺灣晶磊出貨量最高，市場占有率約為10% 。中國 LCD 控制 IC 供應商結構與國際上整個供應商結構比 較類似， Genesis Microchip 公司占有絕對份額，我國臺灣地區(qū)廠商與 ST、 Pixel works、 Philips 等廠商共同占有其它份額。我國臺灣地區(qū) LCD 顯示器廠商無論是從廠商數(shù)量還是出貨總量上來看，在祖國大陸 LCD 顯示器產(chǎn)業(yè)中所占比例較高，而臺灣地區(qū) LCD控制 IC 供應商一向與這些臺資背景的顯示器廠商關系較好，因此所占市場份額有所上升，為 %左右。這一類產(chǎn)品的強大市場勢必促進與之相關的 IC 產(chǎn)品的開發(fā)，設計可重用 LCD 控制芯片成為研發(fā)的重點。 課題來源、研究內(nèi)容及 意義 課題來源 本課題由 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 知識創(chuàng)新工程青年人才領域前沿項目 支助 ， 名稱《壓力式光纖 MEMS FP 液位傳感器的研究》 ，編號： 0823A13125。 課題研究內(nèi)容 、創(chuàng)新點和解決 的 問題 1 研究內(nèi)容如下： (1) 壓力式光纖 MEMS FP 液位傳感系統(tǒng)設計 ① 傳感探頭結構參數(shù)的優(yōu)化設計 ② 設計探頭的 MEMS 加工工藝路線，完成探頭加工與組裝。 ③ 光路、光電轉(zhuǎn)換、信號采集與處理部分設計與系統(tǒng)集成。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 (2) 液位監(jiān)測實驗研究 ① 設計液位模擬實驗裝置 。 ② 調(diào)試和標定所設計的傳感檢測系統(tǒng)，改進傳感器的部分技術性能。 2 創(chuàng)新點如下： (1) 針對惡劣工作條件下的液位監(jiān)測問題，提出一種具有新型探頭結構的壓力式光纖 MEMS FP 液位傳感器設計，能有效消除彈性膜非平坦性效應和探頭的溫度敏感性，提高了傳感器的性能。 (2) 提出一種雙波長正交優(yōu)化解調(diào)方法用于壓力式光纖 MEMS FP 液位傳感器信號的解調(diào)，提高了系統(tǒng)解調(diào)精度和降低了成本。 3 解決的問題： (1) 光纖 MEMS FP 傳感器的主要缺點是彈性膜的不平坦效應和探頭的溫度敏感性。如何解決 這兩個問題是本課題研究的重點之一。合理設計傳感探頭結構是解決這兩個問題的最有效的手段，而傳感探頭結構必須依靠 MEMS 加工技術才能實現(xiàn)。此外 FP 腔長度的加工精度也由 MEMS 加工技術保障。 (2) 為獲取高精度， MEMS FP 傳感器的輸出信號一般需要非常復雜的信號處理設備 (光譜分析儀 )進行解調(diào)，造成系統(tǒng)構成成本較高。因此必須采用合理的信號解調(diào)技術以降低系統(tǒng)成本，這也是本課題研究的重點之一。在本項目中采用雙波長正交優(yōu)化解調(diào)技術用以光纖液位傳感器輸出信號的解調(diào)，這屬于強度解調(diào)方法，有效地降低了系統(tǒng)構成成本，并 能有效消除光源波動及連接器損耗等干擾。 課題研究意義 從國家戰(zhàn)略需求分析：在石油、化工、交通、儲運等部門，由于液位測量中被測介質(zhì)種