CN101644612A - 可编程压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可编程压力传感器，包括一芯片以及一实现芯片可编程的芯片编程板，所述芯片上设有可编程的信号处理电路和压力传感器，信号处理电路输入端连接压力传感器输出端，所述芯片编程板一端通过计算机USB通讯口与计算机相连接，芯片编程板的另一端与芯片上的信号处理电路相连接。本发明采用MEMS技术将压力传感器和数字信号处理电路一体式的工艺结构，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，降低了生产成本；同时实现了规模化友好的人机界面方便用户对传感器进行标定；并具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优点，可广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工等众多行业。

Description

可编程压力传感器

技术领域

本发明涉及的是传感器领域，具体涉及的是一种传感器和信号处理电路设置在一芯片上的可编程压力传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感技术——研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等的综合技术。传感技术是一门边缘技术，它涉及物理学，数学，化学，以及对其敏感元件部分的研究和开发，除了对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可靠地工作的关键因素之一。

但当汽车电子化使得压力传感器在汽车上得到大批量的使用时，调试困难的问题就突现出来，汽车级的压力传感器使用的温度范围从-40～125度，要求传感器在如此宽的温度范围内满足一定的测量精度，唯一的方法是对每个传感器都做全温度量程范围的满度和零点的温度补偿，这种人工校验方法不仅需要大量高素质的工人，而且需要大量的仪器设备。将该传感器用于汽车这种大批量生产而使用环境十分恶劣的产品上，压电式传感器的信号调理，温度补偿和压力修正成为该产品批量生产的最大问题。

而目前在传感器应用中，多为传感器和其信号处理电路分开的电路，这样做最大的问题是体积大、成本高、且封装困难，尤其是应用在汽车级的压力传感器的信号电路的设计、温度特性的补偿方法、生产过程的自动化水平都十分低下，影响传感器的稳定性，同时无法实现批量化生产，因此传感器需要进一步的改进。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是提供一种体积小、成本低、传感器和信号处理电路一体式的可编程压力传感器，提高了传感器的稳定性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

可编程压力传感器，包括一芯片，其特征是，它还包括一实现芯片编程功能的芯片编程板，在所述芯片上设有一可编程的信号处理电路和一压力传感器，所述的信号处理电路输入端连接压力传感器输出端，本发明信号处理电路和压力传感器集成在同一个芯片上，从而构成一体式结构即一体化压力传感器，减少了体积，降低了生产成本。

进一步，所述芯片编程板一端通过通讯接口与计算机相连接，然后芯片编程板的另一端与芯片上的信号处理电路相连接。

作为优选，所述该通讯接口为计算机的USB通讯接口，芯片编程板一端通过计算机的USB通讯接口与计算机相连接。

芯片编程的实现方式为：

计算机的上位机软件通过计算机USB通讯口跟芯片编程板相连，然后芯片编程板的另一端与芯片相连。联机正常后，通过计算机的操作软件即可实现芯片输出标定编程和温度补偿编程。

根据所述的可编程压力传感器，其中，所述芯片上还设有编程、信号引出管脚的焊盘，通过焊盘与外部设备如芯片编程板相连接，方便了整个芯片的封装，提高了传感器的稳定性。

为了实现可编程功能，在信号处理电路中集成了单片机和电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)，通过单片机和EEPROM来实现可编程的数字信号补偿功能。

作为优选，本发明中，所述芯片上还设有与外部设备连接的可调整接口，即芯片上输出管脚的焊盘。通过可调整接口适合连接不同的设备，适合客户具体应用。

所述压力传感器包括一应变电桥，所述应变电桥输出端还连接有第一放大电路和第二放大电路，变化后电压经过第一放大电路放大后转化为电信号输出。

所述第一放大电路与第二放大电路之间还连接有斩波解调器和增益校准电路，所述第一放大电路的输出端连接斩波解调器，斩波解调器连接增益校准电路，所述的增益校准电路再连接第二放大电路。

根据所述的可编程压力传感器，其中，它还包括温度传感器和检测电路，所述的温度传感器和检测电路连接所述的信号处理电路。

本发明的工作原理如下：

本发明采用MEMS(压阻式)技术将压力传感器和数字信号处理电路集成在一个芯片上，压力传感器的功能是将外界压力信号转换为电信号输出；数字信号处理电路的功能是通过编程将传感器输出的电信号转换成标准的电压信号输出。芯片编程的主要功能是实现输出标定和温度补偿。

本发明采用MEMS(压阻式)技术将压力传感器和数字信号处理电路一体式的工艺结构，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，降低了生产成本。同时实现了规模化友好的人机界面方便用户对传感器进行标定，从工艺上将能保证大规模生产，满足了市场的需求，将对汽车用传感器、医疗电子用压力传感器以及工业OEM用压力传感器起到进口替代并形成部分核心器件国产化目的，并具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，可广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的一体化压力传感器的结构框图。

图2为本发明的一体化压力传感器的电路原理图。

图3为本发明的芯片编程板的连接方式示意图。

图4为本发明的一实施例。

具体实施方式

为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，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1至图4，本发明采用MEMS(压阻式)技术将压力传感器和数字信号处理电路集成在一个芯片上的可编程压力传感器，其包括一芯片100和一实现芯片编程功能的芯片编程板，该芯片编程板一端通过USB通讯接口连接计算机，其另一端连接芯片100，通过芯片编程板来实现芯片100的可编程功能。本发明中，在芯片100上安装有一可编程的信号处理电路110和一压力传感器120，该信号处理电路110输入端连接压力传感器120输出端；从而使信号处理电路110和压力传感器120集成到一个芯片上，构成了信号处理电路110和压力传感器120的一体式结构即一体化压力传感器，减少了传感器的体积和外界对传感器的影响，提高了传感器的稳定性，降低了生产本。

值得注意的是，本实施中，为了实现可编程功能，在数字信号处理电路中还集成有单片机和电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)，通过单片机和EEPROM来实现可编程的数字信号补偿功能，提高了压力传感器的使用寿命。

此外，在国内市场中应用，存在的主要技术瓶颈是国内传感器厂的封装工艺。本实施例中，为了便于整个芯片100的封装，提高传感器的稳定性，在芯片100上还设有各种编程、信号引出管脚的焊盘130，该编程、信号引出管脚连接单片机和EEPRO，通过焊盘130与外部设备如芯片编程板等相连接，方便了整个芯片100的封装。在芯片100上还设有与外部设备连接的可调整接口即输出信号的焊盘，可调整接口适合连接不同的设备，适合客户具体应用。在本发明中，由于将压力传感器120和信号处理电路120封装在一个小小的芯片上，并通过焊盘130与外部设备相连接，所以其标定和封装过程需要有金丝球焊机、净化车间等工具来实现，增加了芯片100的封装效果，提高了传感器的稳定性。

再参见图2，本发明中的压力传感器120采用惠斯通原理，将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化；本实施例中，该应变片为电阻组成的应变电桥121，由于这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，电压发生变化也相应较小，所以该应变电桥121输出端还连接有第一放大电路122和第二放大电路125，变化后电压经过第一放大电路放大后转化为电信号输出。

值得一提的是，本发明中，在第一放大电路122输出端还连接有斩波解调器123以及增益校准电路124，放大后的电信号通过斩波解调器123和增益校准电路124调解和校准后，再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构，再有第二放大电路125输出。

更加注意的是，再参见图2，在本发明中，在芯片100上内置有温度传感器140，温度传感器140的感应信息通过A/D转换器160后输给数字处理电路110输入端，然后经过D/A转换器170输送给第一放大电路122和第二放大电路125，从而达到本发明的温度补偿的目的。另外，在数字处理电路110上还连接检测电路150，进行检测和调试的作用。

为详细介绍本发明的技术方案，参见图1至图4，具体实施过程如下：

1、传感器封装过程：

由于芯片100是裸片封装，所以需要先为最终产品定制封装(开一套模具)。芯片使用用户仅需要将信号输出脚、电源正和电源负用金丝球焊机引出到前期定制好的封装引脚即焊盘130上。

2、传感器调试步骤和工作过程：

参见图2和图4，本发明可以实现如下调试功能：温度补偿点的选择、比例输出参数的设定、输出箝位的设置、信号输入方式的选择、温度传感器的选择以及芯片选择。

3、芯片编程板连接方法

如图3所示，计算机的上位机软件通过计算机USB通讯接口跟芯片编程板相连，然后芯片编程板的另一端与一体化压力传感器的数字信号处理电路相连接。联机正常后，通过计算机的操作软件即可对数字信号处理电路中单片机和EEPROM实现输出标定编程和温度补偿编程，从使整个芯片即芯片实现输出标定编程和温度补偿编程。

2、本实施例中的调试具体过程如下：

第一步、第一温度点标定

将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击第一温度点即“Firsttemperature”区域第1个按钮“Set Low Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第2个按钮“Set High Input”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取满位参数。

将压力传感器加压到满位输入状态，点击“First temperature”区域第2个按钮“Set High Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取满位参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第3个按钮“Set LowInput”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取零位参数。

将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击“First temperature”区域第3个按钮“Set Low Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第1个温度点标定工作完成，第二温度点即“Second temperature”区域“Set Low Input”按钮由灰色变成黑色，表示可以进行第2个温度点补偿。

加热压力传感器，将压力传感器加热到第2温度点温度，保持1个小时后开始第2步骤，过程中不允许断电，不允许将通讯线断开。

将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击“Second temperature”区域第1个按钮“Set Low Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第2个按钮“Set HighInput”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取满位参数。

将压力传感器加压到满位输入状态，点击“Second temperature”区域第2个按钮“Set High Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取满位参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第3个按钮“Set LowInput”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取零位参数。

第二步、第二温度点标定

将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击“Second temperature”区域第3个按钮“Set Low Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第2个温度点补偿工作完成，“Third temperature”区域“Set Low Input”按钮由灰色变成黑色，表示可以进行第3个温度点补偿。

第三步、第三温度点标定

加热压力传感器，将压力传感器加热到第3温度点温度，保持1个小时后开始第2步骤，过程中不允许断电，不允许将通讯线断开。

将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击第三温度点即“Thirdtemperature”区域第一个按钮“Set Low Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第2个按钮“Set High Input”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取满位参数。

将压力传感器加压到满位输入状态，点击“Third temperature”区域“SetHigh Input”按钮，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取满位参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第3个按钮“Set Low Input”由灰色变成黑色，表示系统可以开始读取零位参数。

将压力传感器卸压处于零点输入状态，点击“Third temperature”区域第3个按钮“Set Low Input”，此时调试工装绿灯会不停的闪烁，表示系统正处于读取零点参数状态，参数读取完毕，绿灯停止闪烁，第3个温度点补偿工作完成。

第四步、参数保存

压力传感器标定温度补偿完成后，会弹出对话框。

对话框是系统经过内部计算配置完成的参数值，点击“Change Solution”，将弹出对话框，点击“OK”按钮，参数将被存入片内EEPROM。

参数保存完毕，表示压力传感器标定补偿工作完成。

注意事项，一般情形下不要点击“LOCK”按钮，没有点击“LOCK”按钮的压力传感器如果测试不合格还可以重新标定补偿，点击“LOCK”按钮的压力传感器如果测试不合格将无法再次标定修正。

第五步、标定数据测试

参数保存完毕，可以点击“Measurements”按钮进行测试。

点击“Measurements”按钮，弹出如图1所示对话框，选中“Continuous”选项。

按照压力压力传感器的测试规范进行加压卸压，对话框会显示此时的输出电压值，测试零点输出值、中间点输出值、满位输出值，记录测试数据。

对传感器进行加热，保温1小时，进行温度指标测试，记录测试数据。

基于上述，本发明采用MEMS(压阻式)技术将压力传感器和数字信号处理电路一体式的工艺结构，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，降低了生产成本。同时实现了规模化友好的人机界面方便用户对传感器进行标定。从工艺上将能保证大规模生产，满足了市场的需求，将对汽车用传感器、医疗电子用压力传感器以及工业OEM用压力传感器起到进口替代并形成部分核心器件国产化目的，并具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，可广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

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。

Claims (8)

1、可编程压力传感器，包括一芯片，其特征在于，它还包括一实现芯片编程功能的芯片编程板，在所述芯片上设有一可编程的信号处理电路和一压力传感器，所述的信号处理电路输入端连接压力传感器输出端，所述的信号处理电路输入端连接压力传感器输出端，所述芯片编程板一端通过通讯接口与计算机相连接，所述芯片编程板的另一端与芯片上的信号处理电路相连接。

2、根据权利要求1所述的可编程压力传感器，其特征在于，所述数字信号处理电路中还集成有单片机和电可擦写可编程只读存储器。

3、根据权利要求1所述的可编程压力传感器，其特征在于，所述芯片上还设有与外部设备连接的可调整接口。

4、根据权利要求1所述的可编程压力传感器，其特征在于，所述芯片上还设有编程、信号引出管脚的焊盘。

5、根据权利要求1所述的可编程压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括一应变电桥，所述应变电桥输出端还连接有第一放大电路和第二放大电路，变化后电压经过第一放大电路放大后转化为电信号输出。

6、根据权利要求5所述的可编程压力传感器，其特征在于，所述第一放大电路与第二放大电路之间还连接有斩波解调器和增益校准电路，所述第一放大电路的输出端连接斩波解调器，斩波解调器连接增益校准电路，所述的增益校准电路再连接第二放大电路。

7、根据权利要求1所述的可编程压力传感器，其特征在于，它还包括温度传感器和检测检测电路，所述的温度传感器和检测检测电路连接所述的信号处理电路。

8、根据权利要求1所述的可编程压力传感器，其特征在于，所述通讯接口为USB通讯接口。

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