CN101788350B - 使用单个感测管芯和多个信号通道的多范围压力传感器设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用单个感测管芯和多个信号通道的多范围压力传感器设备和方法。一种提供多个信号通道来以高精度探测宽范围压力的多范围压力传感器设备和方法。压力换能器可以配置为包括使用具有压阻元件的压力感测管芯，所述压阻元件集成到传感器管芯中并且处于惠斯登桥配置。来自感测管芯的感测输出信号能够传送到一个或者多个放大器电路。可编程补偿电路能够用来多路复用来自每一个放大器电路的不同的放大输出信号并且提供数字输出。与可编程补偿电路相关的存储器提供单独的补偿，这些补偿对于每一个不同的信号通道而存储，并且移除由于放大器增益和偏移带来的误差。

Description

使用单个感测管芯和多个信号通道的多范围压力传感器设备和方法
对临时申请的交叉引用 
本申请要求于2008年12月19日提交的序列号为61/139,319、标题为“Multi-Range Pressure Sensor Apparatus and Method Utilizing a Single Sense Die andMultiple Signal Paths”的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请在此合并以供参考。 
技术领域
实施例大体涉及传感器装置、方法和系统。实施例还涉及能够在变化条件下探测各种参数的多范围压力传感器装置。 
背景技术
在多种商业、工业、军事和其它应用中对能够进行宽范围测量的准确、低成本、紧凑型的压力传感器的需求变得日益必要。因为可以实现的巨大范围的压力，对于宽范围压力的测量特别具有挑战性。传统的压力传感器具有极其有限的压力测量能力范围并且由于它们的技术设计通常不能在它们的最大可能测量范围上操作。此外，当预期的力超过单独的压力传感器的容量(capacity)时，具有彼此邻接的测量范围的多个压力传感器必须同时使用。 
另外，多个传感器的布置相应更加复杂。这些传感器的输出信号彼此之间通常不兼容并且因此必须在附加的外部电子电路中进行评估以便识别在给定的时刻这些传感器中的哪一个在允许的测量范围内运行。在这种方法中，需要过多的时间和金钱花费来将多个传感器合并在单个系统中。此外，两个或者更多个独立的压力传感器的这种使用需要保护阀来避免在高压力下对于更为准确的传感器的损害。 
基于前述，相信存在对于改进的多范围压力传感器设备的需要，该设备能够以高精度并且在很窄的范围内有效地探测宽范围的压力，正如于此更加详细描述的。 
发明内容
提供下面的概要以促进理解公开的实施例特有的一些创造性技术特征，并 不打算是全面描述。实施例的各个方面的全面理解可以通过将整个说明书、权利要求书、附图、以及摘要作为一个整体来得到。 
因此，本发明的一个方面是提供一种改进的压力传感器设备、系统以及方法。 
本发明的另一个方面是提供一种改进的压力传感器设备、系统以及方法，其结合了使用单个感测管芯(die)和多个信号通道以便以高精度探测宽范围的压力。 
本发明的又一个方面是提供一种改进的方法、设备以及系统来移除由于放大器增益和偏移导致的误差。 
上面提到的方面和其它目的以及优点现在能够如这里描述的那样来实现。公开了用于以高精度探测宽范围压力的具有多个信号通道的多范围压力传感器设备、方法、以及系统。压力换能器可以配置为包括具有压阻元件的压力感测管芯，其中所述压阻元件以惠斯登桥配置集成到传感器管芯中。来自感测管芯的感测输出信号可以被传送到一个或者多个放大器电路。可编程补偿集成电路能够用来多路复用来自每一个放大器电路的不同的放大输出信号并且提供数字输出。与可编程补偿集成电路相关的存储器可以配置为提供关于每一个不同的信号通道存储的单独的补偿并且能够移除由于放大器增益和偏移导致的误差。 
来自放大器电路的多个信号通道(其中为每一通道存储潜在不同的补偿值)能够在低系统成本下产生高精度的补偿。该多个信号通道的每一个通道拥有能够在压力传感器中提供多个补偿范围的不同的增益。在一个实施例中，压力传感器的放大器电路能够与感测管芯一体化和/或与可编程补偿电路一体化。在另一个实施例中，放大器电路可以被隔离来提供没有由于放大器增益和偏移而产生的误差的输出。这种多范围压力传感器设备提供宽测量范围以及在非常窄的范围中的高精度。 
附图说明
在附图中，相同的参考数字在不同的视图中指代相同的或者功能相似的元件，并且附图被合并在说明书中并且形成说明书的一部分，附图进一步图解说明实施例，并且和详细描述一起用于解释这里公开的实施例。 
附图1示出了能够根据优选的实施例实现的具有多个信号通道的多范围压力传感器设备的框图； 
附图2示出了根据优选实施例的具有多个信号通道的多范围压力传感器设备的示意图；和
附图3示出了用于说明使用能够根据可选实施例实现的具有单个感测管芯和多个信号通道的多范围压力传感器设备来以高精度感测宽范围压力的方法的逻辑操作步骤的操作流程图。 
具体实施方式
在这些非限制性例子中讨论的特定值和配置能够变化并且仅仅被引用来说明至少一个实施例，并且不打算限制其范围。 
附图1示出了能够依据优选实施例实现的具有多个信号通道的多范围压力传感器设备100的框图。压力传感器设备100通常包括压力换能器110，放大器电路130和可编程补偿电路140。注意可编程补偿电路140能够以集成电路的方式实现。压力换能器110，放大器电路130和可编程补偿电路140能够彼此电通信。压力换能器110通常合并具有压力感测膜114的单个感测管芯115。 
传感器管芯115也可以配置为合并惠斯登桥电路配置，简称为“惠斯登桥”。诸如压敏电阻器112的一个或者多个压敏电阻器(例如4个压敏电阻器)能够在最大化传感器的惠斯登桥(未示出)的输出的位置处嵌入到膜114中。膜114能够根据由介质施加的压力P1而变形。该变形能够通过掺杂在膜114的表面上的压阻元件112测量。 
压阻元件112能够利用公知的压阻原理把膜114的变形转换成电信号以便计算介质中的压力。如图1所示，将压力施加到感测管芯115，如箭头P1所示。来自于压力换能器110的感测输出信号120可以被馈送到包括若干放大器A1-An的放大器电路130。该放大器电路130把毫伏级的低电平输出120放大到大约1伏到最高5伏范围中的高电平放大输出。来自放大器电路130的多个信号通道(例如信号通道133和135)然后能够被传送到与存储器150相关的可编程补偿电路140。该可编程补偿电路140拥有多路复用放大的输出信号133和135并提供数字输出160的能力。多个信号通道133和135(每一个通道具有不同的增益)允许在单个换能器110中的多个补偿范围。 
这种设备100能够暴露于大的过压而不被损害。而且，设备100能够暴露于大的过压而不会遭受明显的压力迟滞现象。换句话说，使设备100经受远远大于换能器110的工作范围的压力的压力并不会不利地影响该换能器110在随 后的测量时在其工作范围内的精度。 
附图2示出了依据优选实施例的具有多个信号通道的多范围压力传感器设备100的示意图。注意，在附图1-3中，相同的、相似的零件、或者元件由相同的参考数字来指代。压电式压力感测网络210能够形成为压力感测管芯115的一体化部分以感测膜114的挠曲，并且响应于此生成电信号。压电网络210包括压敏电阻器R1，R2，R3和R4。可以提供电连接来将压敏电阻器R1，R2，R3和R4连接到相关联的传感器电路的电路连接站点。可以在管芯115中嵌入导电引线从而以完全的惠斯登桥配置来连接R1，R2，R3和R4。 
电阻器R1和R3形成惠斯登桥210的一个臂而可变电阻器R4和固定电阻器R2构成桥电路210的另一个臂。在附图2的电路配置中，当压敏电阻器R1，R2，R3和R4具有相似的电阻时存在最大压力敏感度，每个电阻随着它们暴露于的应变幅度而变化。电阻器R1，R2，R3和R4可以根据公知的金属化技术由任一具有适当的薄膜电阻特性和适当的沉积特性的材料来形成。优选的是，电阻器R1，R2，R3和R4由镍或者铂形成。对本领域的技术人员来说显而易见的附加的工艺或者处理可以应用到压力感测管芯115的表面来提高关于介质兼容性和潜在的离子污染的稳健性。 
来自惠斯登桥210的电信号能够传送到放大器233和235以及可编程补偿电路140。能够从由放大器233和235生成的多个信号通道133和135以及直接信号通道137获得差分增益。非常明显的是，尽管示出了两个放大器233和235，当要测量更大的总范围压力的时候可以增加用于测量更宽的工作压力范围的附加放大器，每一个增加的放大器同样提供放大的输出信号，该放大的输出信号作为输入供给到可编程集成电路140。 
可编程补偿电路140是通用的集成电路芯片，其内部电路可以由单独用户配置以实现用户特定的电路。例如，为了配置可编程补偿电路140，用户配置可编程IC 140的芯片上互连结构，使得选定的芯片上电路组件的选定输入端(例如VBN、EXTTEMP、VDD_1、VBP、BSINK)和选定输出端(例如VGATE、VDD、SIG_PD_DIAG、SIG_PD、VSSA、VSS)以所得电路是用户期望的用户特定电路的这样的方式而电连接在一起。可编程补偿电路140接收信号133和135和直接信号137来为每一个不同信号通道生成单独的补偿。对于每一个信号通道这种补偿值可以被存储在存储器150中，这允许以低系统成本实现高精度 补偿。传感器设备100包括独立的存储器IC或者存储器与可编程补偿电路140一体化，可编程补偿电路140为每一个不同的信号通道提供单独的补偿。这种方法移除了由于放大器增益和偏移导致的误差。 
图3示出了用于图解说明使用能够根据可选实施例实现的具有单个感测管芯和多个信号通道的多范围压力传感器设备100来以高精度感测宽范围压力的方法300的逻辑操作步骤的操作流程图。压力换能器110的单个感测管芯115能够连接到包括一个或者多个放大器233和235的放大器电路130，如在块310所示。其后，如块320所示，来自于压力换能器110的感测输出信号能够传送到放大器电路130。具有来自放大器电路130的不同增益的多个信号通道133和135然后能够传送到可编程补偿电路140，如块330所示。不同的输入信号133和135能够使用可编程补偿电路140多路复用以提供数字输出160，可以为该数字输出160提供补偿值，如块340所示。 
用于每个不同的信号通道133和135的补偿值可以存储在集成到可编程集成电路140的存储器150中，以允许高精度补偿，如块350所示。多范围压力传感器设备100利用高压力补偿探测宽范围压力，如块360所示。感测管芯115的多个信号通道(其中为每个通道存储了潜在不同的补偿值)能够以低系统成本生成高精度补偿。多个信号通道的每一通道拥有不同的增益，其能够在压力传感器中提供多个补偿范围。压力传感器110的放大器电路140能够与感测管芯115一体化，与可编程补偿电路140一体化，或者被隔离以提供没有由于放大器增益和偏移生成的误差的输出。 
可以理解的是，上面公开的变化以及其它特征和功能或者其可选方案可以按照意愿组合到许多其它不同的系统或者应用中。而且其各种目前未预见的或者未料想到的可选方案、修改、变化或改进随后可以由本领域技术人员作出，这些未预见的或者未料想到的可选方案、修改、变化或改进也预期被包含在下面的权利要求书中。 

Claims (11)

1.一种多范围压力传感器设备(100)，包括：
压力换能器(110)，所述压力换能器(110)包括感测管芯(115)，所述感测管芯(115)具有以桥配置定位的多个压阻元件(112)，用以将压力转换为电输出信号；
至少两个放大器(233，235)，该至少两个放大器(233，235)中的每一个都具有输入和输出，其中该至少两个放大器中的每一个的输入都电耦合到所述压力换能器(110)的电输出信号(120)，并且该至少两个放大器(233，235)中的每一个具有与该至少两个放大器(233，235)中的另一个不同的增益；以及
耦合到该至少两个放大器(233，235)的输出的可编程补偿电路(140)，其中所述可编程补偿电路(140)能够在该至少两个放大器(233，235)的输出之间进行选择以生成对应于所选择的放大器输出的数字输出(160)。
2.如权利要求1所述的设备，其中可编程补偿电路(140)包括存储用于该至少两个放大器(233，235)中的每一个的单独的补偿的存储器(150)。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述存储器(150)与所述可编程补偿电路(140)一体化。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述可编程补偿电路(140)能够在该至少两个放大器(233，235)的输出之间进行选择，应用对应于所选择的放大器输出的补偿，并且生成对应于所选择的放大器输出的数字输出(160)。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述可编程补偿电路(140)包括用于在该至少两个放大器(233，235)的输出之间进行选择的多路复用器。
6.一种多范围压力感测方法，所述方法包括：
感测流体压力；
将该流体压力转换成电输出信号(120)；
用具有第一增益的第一放大器(233)放大该电输出信号(120)以生成第一放大器输出信号(133)；
用具有第二增益的第二放大器(235)放大该电输出信号(120)以生成第二放大器输出信号(135)，其中所述第二增益不同于所述第一增益；
将第一放大器(233)和所述第二放大器(235)中的每一个的输入都电耦合到压力换能器(110)的电输出信号(120)；
选择所述第一放大器输出信号(133)或者第二放大器输出信号(135)之一，得到选择的放大器输出信号；
将补偿参数应用到所述选择的放大器输出信号，其中所应用的补偿参数取决于选择的是所述第一放大器输出信号(133)还是第二放大器输出信号(135)；以及
输出补偿的输出信号(160)。
7.如权利要求6所述的方法，包括；
选择第一放大器输出信号(133)，应用对应于第一放大器输出信号(133)的补偿参数，并且输出第一补偿的输出信号(160)；以及然后
选择第二放大器输出信号(135)，应用对应于第二放大器输出信号(135)的补偿参数，并且输出第二补偿的输出信号(160)。
8.如权利要求6所述的方法，其中选择步骤在流体压力低于第一阈值时选择第—放大器输出信号(133)。
9.如权利要求8所述的方法，其中选择步骤在流体压力高于第一阈值时选择第二放大器输出信号(135)。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述应用步骤是使用可编程补偿装置(140)来执行的。
11.如权利要求6所述的方法，其中所述选择步骤是使用多路复用器来执行的。
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