CN103364119A - 时差振荡高精度压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时差振荡高精度压力传感器，包括压力测量单元、比较器、时间测量单元和测量控制单元；压力测量单元包括传感单元和放电电容C，传感单元包括应变电阻R_+dR、应变电阻R_-dR、热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref；压力测量单元和时间测量单元均与测量控制单元相连接；由放电电容C和应变电阻R_+dR、放电电容C和应变电阻R_-dR分别构成不同的振荡电路；由时间测量单元对两个振荡电路的放电时间进行测量，通过两个放电时间的比值来测定压力值。本发明的时差振荡高精度压力传感器，具有高精度、高可靠、高稳定、低功耗等优点。

Description

时差振荡高精度压力传感器

技术领域

本发明涉及一种用于压力测量的高精度压力传感器，尤其是应用于工业和民用的高精度压力测量，具备抗干扰能力强、性能稳定、数字输出和低功耗的特点。

背景技术

上世纪90年代，随着MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）技术的成熟和微电子技术特别是数字技术的发展，工业自动化仪表迫切需求新型的、高精度的、稳定性好的检测器件，对各种检测原理重新进行审视和评估。以硅基材料为主的检测原理有硅压阻、硅电容、硅谐振等三种，国外对这3种原理的压力传感器及相应的变送器生产已经十分成熟并几乎垄断国内变送器市场，在国内建立了独资或合资公司。但至今为止以国内自有技术与变送器配套，能产业化的高精度压力传感器尚未出现。

微硅压阻式压力传感器是目前市场上最成熟、市场占有率最高的微硅压力传感器。微硅压阻式压力传感器由压力敏感膜片和制作在其表面的压敏电阻两部分构成，当压力作用于压力敏感膜片上时，压力敏感膜片变形并引起压敏电阻阻值变化，通过测量压敏电阻两端的电压变化就可以得到待测压力值。微硅压阻式压力传感器制作工艺简单、利于检测、成本低廉，但是由于其固有的零漂和温漂等问题，一般仅适合于对精度和长期稳定性要求不高的场合。本发明时差振荡硅压力传感器与微硅压阻式压力传感器相比具有高精度、性能稳定、高可靠性等优点，另外时差振荡硅压力传感器为数字输出，避免了变送单元的AD转换的精度损失，提高变送器的整体精度等级。

微硅电容式压力传感器是20世纪80年代以后发展起来的一种微硅压力传感器，一般由两个固定电极和中间可变电极构成，中间电极的位移随待测的压力变化，通过电容值的测量可以达到压力检测的目的。微硅电容式压力传感器灵敏度高于微硅压阻式压力传感器，同时具有抗过载、更高的稳定性和零点低温漂特性，但微硅电容式压力传感器缺点是存在一定的非线性，特别因介电介质受温度影响介电常数产生变化，影响传感器的满量程输出，（满量程影响最大）需要通过后续电路补偿精度损失。本发明时差振荡硅压力传感器与微硅电容式压力传感器相比具有高精度、性能稳定、高可靠性等优点、数字输出。生产工艺要求本发明与微硅电容式压力传感器基本相比要简单、成本合适。

微硅谐振式压力传感器是目前高精度压力传感器之一，它通过检测物体固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，其高精度、性能稳定、结构紧凑、功耗低、体积小。一直是各国研究和开发的重点，作为工业级产品精度有0.075%和0.04%两个级别，最高可以达到0.01%通常用于高精度压力试验仪器，是高端压力测量和高精度压力检测试验仪器的不错选择。相关生产工艺复杂，压力芯体常由激励电极、硅岛、谐振梁、振子和压力敏感膜片等机构组成，要求具备完善的工艺条件，需昂贵的工艺装备。微硅谐振式压力传感器相当昂贵，不易形成规模和产业化。本发明基于MEMS技术的时差振荡高精度硅压力传感器与其性能相当，但相对工艺简化，更容易形成规模和产业化且成本相对便宜具有优势。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种高精度、高可靠、高稳定、低功耗的时差振荡高精度压力传感器。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

时差振荡高精度压力传感器，其结构特点是，包括压力测量单元、比较器、时间测量单元和测量控制单元；所述压力测量单元包括传感单元和放电电容C，所述传感单元包括应变电阻R_+dR、应变电阻R_-dR、热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref；所述压力测量单元和时间测量单元均与所述测量控制单元相连接；所述压力测量单元通过所述比较器与所述时间测量单元相连接，所述比较器通过时间测量单元与测量控制单元相连接；结型场效应管Q与外部电源、放电电容C和测量控制单元相连接。

本发明的时差振荡高精度压力传感器的结构特点也在于：

所述测量控制单元包括有多个用于输出压力数字信号的串行数字输出端口。

所述结型场效应管Q为开关管。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明研制一种基于微电子技术，受外界因素影响最小的时差振荡原理的高精度、高可靠、高稳定、低功耗，精度优于0.075%的一种新型高精度压力传感器。本发明的时差振荡高精度压力传感器，是一种基于MEMS技术的全新理念的高精度压力传感器，它通过检测压力敏感膜片正向和反向电阻的放电时间的比值间接测量压力，为数字信号输出。其抗干扰能力强，性能稳定。除此之外时差振荡硅压力传感器还具备响应快、结构紧凑、低功耗、体积小、重量轻、可批量生产等众多优点。相对微硅压阻压力传感器和微硅电容式压力传感器精度高、稳定可靠，主要性能指标和微硅谐振式压力传感器相当，但较之微硅谐振式压力传感器具有工艺简单、成本低、便于产业化生产、可复现等优点。

本发明的时差振荡高精度压力传感器，可提高压力测量的精确度和可靠性，降低传感器功耗，并且可以复现和批量生产。本发明的时差振荡高精度压力传感器，具有高精度、高可靠、高稳定、低功耗等优点。

附图说明

图1为本发明的时差振荡高精度压力传感器的测量原理图。

图2为图1中的放电电容C的充放电曲线。

图3为本发明的时差振荡高精度压力传感器的时间数字转换器TDC（即时间测量单元）F精度曲线。

图4为本发明的时差振荡高精度压力传感器的时间数字转换器TDC（即时间测量单元）时序。

图5为本发明的时差振荡高精度压力传感器的时间数字转换器TDC（即时间测量单元）构架。

图6为本发明的时差振荡高精度压力传感器的一个压力测量周期的周期循环时间。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，时差振荡高精度压力传感器包括压力测量单元、比较器、时间测量单元和测量控制单元；所述压力测量单元包括传感单元和放电电容C，所述传感单元包括应变电阻R_+dR、应变电阻R_-dR、热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref；所述压力测量单元和时间测量单元均与所述测量控制单元相连接；所述压力测量单元通过所述比较器与所述时间测量单元相连接，所述比较器通过时间测量单元与测量控制单元相连接；结型场效应管Q与外部电源、放电电容C和测量控制单元相连接。

如图1所示，所述热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref相串联连接，其公共连接点为连接点A；所述应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR相串联连接，其公共连接点为连接点B；所述连接点A和连接点B之间相连接后接地；所述热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref相串联后的一端通过单刀双掷开关K1与所述放电电容C、比较器和测量控制单元相连接，热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref相串联后的另一端通过单刀双掷开关K2与所述放电电容C、比较器和测量控制单元相连接。所述应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR相串联后的一端通过单刀双掷开关K3与所述放电电容C、比较器和测量控制单元相连接，所述应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR相串联后的另一端通过单刀双掷开关K4与所述放电电容C、比较器和测量控制单元相连接。所述比较器通过所述时间测量单元和测量控制单元相连接。

结型场效应管Q为一开关管，结型场效应管Q与外部电源、放电电容C和测量控制单元相连接，由测量控制单元控制放电电容的充电。结型场效应管Q的栅极与测量控制单元相连接，漏极接电源，源极接放电电容C。当该场效应管Q导通并K1～K4断开时，电源通过该场效应管Q对电容进行充电，当电容充电完成后，场效应管Q截止，电容通过K1～K4进行放电。

由测量控制单元控制开关K1～K4的通断，从而由放电电容C和应变电阻R_+dR、放电电容C和应变电阻R_-dR分别构成不同的振荡电路。由时间测量单元对两个振荡电路的放电时间进行测量，通过两个放电时间的比值来测定压力值。放电时间是由应变电阻R_+dR的电阻值、放电电容C的电容值和应变电阻R_-dR的电阻值来确定的，而应变电阻R_+dR的电阻值和应变电阻R_-dR的电阻值在外部压力下产生变化，因而不同压力下的放电时间是不同的，因此放电时间的比值也是不同的，从而可通过两个放电时间的比值可获得加在传感单元上的压力值。

所述测量控制单元包括有多个用于输出压力数字信号的串行数字输出端口。

所述结型场效应管Q为开关管。

如图1，所述的时差振荡高精度压力传感器的压力测量原理如下：压力P是通过测量放电电容C的放电时间来间接测量获得的；在测量压力P时，由传感单元感知压力P的变化，传感单元通过沉积在压力敏感膜片上的应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR产生形变，感受压力P的变化；放电电容C的放电时间是所述应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR和放电电容C电容值所共同决定的；

先对放电电容C充电，然后由放电电容C和应变电阻R_+dR构成第一振荡电路，由时间测量单元对第一振荡电路的放电时间T1进行测量；

再次对放电电容C充电，然后由放电电容C和应变电阻R_-dR构成第二振荡电路，由时间测量单元对第二振荡电路的放电时间T2进行测量；

放电时间T1和放电时间T2由时间测量单元测出后传送给测量控制单元，由测量控制单元根据放电时间T1和放电时间T2之间的比值来计算出压力值P。

为了改善压力传感器的测量精度，提高传感器的抗干扰能力和稳定性，降低功耗。本发明提出一种全新压力测量原理的高精度压力传感器，压力测量是通过测量放电时间来间接体现的。放电时间是测量应变电阻通过一个放电电容C放电来获得。正相变化和反向变化的应变电阻的放电时间都会被进行测量。两个放电时间的比值则反映应变电阻的变化信息。时间测量是通过高精度内部时间单元完成，测量精度为20ps。

基于MEMS技术的时差振荡高精度硅压力传感器测量压力是通过测量放电时间来间接实现。通过一个放电电容C对应变电阻进行放电来获得放电时间。正向变化和反向变化的应变电阻的放电时间都会被测量，两个放电时间的比值则会反映应变电阻的变化信息，放电时间的测量是通过高精度内部时间单元完成，测量精度优于20ps，因此该传感器能够实现压力的精确测量。

分析研究时差震荡高精度硅压力传感器的测量原理，进行微机电系统建模和动态分析，模拟电容C充放电随时间变化规律（如图2所示的是电容C的充放电曲线）；对传感器内部核心部件例如硅敏感膜片进行有限元仿真分析，研究膜片在不同受力下的变形规律及应力分布，优化设计膜片的外形结构避免产生应力集中；对硅敏感膜片进行温度场仿真分析，研究膜片随温度变化所产生的变形规律，进行补偿设计，使传感器不易受环境温度影响而产生测量偏差，具有高可靠性、高稳定性。

如图1，由测量控制单元控制应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR和放电电容C产生振荡，产生时间比值输入时间测量单元，时间测量单元优选时数转换器TDC，通过延时插补，将时间值转化为标准的串行数字信号输出。应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR受到压力时分别会产生正向变化和反向变化。发生正向变化和反向变化的应变电阻的放电时间都会被进行测量。两个放电时间的比值则反映应变电阻的变化信息。时间测量是通过高精度内部时间单元完成，测量精度为20ps。传感器为数字信号输出，功耗最低20uA，精度优于0.075%。

压力测量单元包括传感单元和放电电容C，传感单元包括包括一对沉积或扩散在敏感膜片正面（应变电阻R_+dR）和反面（应变电阻R_-dR）的应变电阻。传感单元还包括一个热敏电阻R_temp和一个比较电阻R_ref。热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref构成温度测量单元用于传感器的温度测量和补偿。

由阈值比较器的一个输入端连接正面（R_+dR）应变电阻，另一个输入端为反面（R_-dR）应变电阻，由测量控制单元的MCU控制输入时间测量单元，时间测量单元选择时数转换单元TDC，高精度的时数转化单元保证时间的单元的精度和传感器的输出。传感器为标准串行数字输出，便于信号的采集和应用低功耗。

利用多相时钟和三阶段延时插补技术研发高精度时间数字转换器TDC；分析研究高精度时间数字转换器（TDC）测量原理，设计时间数字转换器TDC的核心结构，仿真分析并验证数字信号在TDC内部传输；设计TDC的总体模块结构和各个门电路，通过HSPICE程序描述设计各个门电路的参数，通过基于BiCMOS的门电路的引入，组成TDC整体结构；通过对TDC整体结构的仿真分析，研究响应时间随电压电流的变化规律，确定理想因子与TDC功率的关系，使高精度时间数字转换器TDC具备高分辨率，大动态范围，低功耗，转换速度快，自动校正，稳定性好，成本低，分辨率优于20ps。

所述的高精度时间数字转换器TDC基于计数器和三阶插值来实现，一个多通道原型TDC被封装在一个0.6um的数字BiCMOS里，测量精度优于20ps。时间间隔测量的基本理论如下：

T＝T₀(Q+F)，其中T₀为TDC的LSB，Q为整数部分，F为小数部分；

在F＝0.5时，时间测量误差最大。图3是时间数字转换器TDC F精度曲线。

图4是所述时间数字转换器TDC时序，图5是时间数字转换器TDC的框图。

第一阶段：一个被测量时间间隔内参考时钟周期的整数部分由一个同步的计数器来计数，如图5中所示，信号同步性由反馈信号clk_sel来控制，计数器检测到起始信号后开始工作，输出clk_en，计数器通过终止信号来存储当前状态，输出store_ctr，最终整数部分的时间为Tcount。

第二阶段：分辨率通过一个N-tap多重时钟来改善，N定义为一个参考时钟周期内存在的多重时钟周期个数，多重时钟存储在N位寄存器，如图5中所示，T11和T21可以代表一个参考时钟周期内多重时钟周期的整数部分，它的分辨率是Tcount/N。

第三阶段：被测量的冲击信号和多重时钟的边缘差值T12和T22通过一个具有M插值比的精插值器来测量，因此最终的插值比为N*M。

所述的放电电容C是时差振荡硅压力传感器的一个重要部分，它直接影响到测量的精度和温度稳定性，在设计原理中电容比值可以抵消。

周期时间是指连续两次放电时间测量之间的时间间隔，它包含了一次放电时间和对电容C再次充电的时间，如下图6所示充放电的时间关系。

放电时间是由应变电阻值和电容C的容值所决定的，放电时间一般是80us～150us。充电时间必须足够长以保证C被充满，充电时间一般为整个周期时间的30%，如果周期时间取值太小就会出现溢出，产生测量错误。

所述温度测量和补偿，时差振荡硅压力传感器具备温度测量功能，通过测量两个电阻（R_temp和R_ref）放电时间的比值来实现，其中一个为热敏电阻，另一个为非热敏电阻。比值的变化将会在内部执行的硬件算法调用来修正非补偿传感器的增益漂移，提高压力测量精度。

本发明基于MEMS技术的时差振荡高精度硅压力传感器，以测量时间间隔来间接测量压力，测量值以数字信号输出，抗干扰能力强、性能稳定，线性精度优于0.075%。该传感器集合了微硅压阻式压力传感器和微硅谐振式压力传感器的优点：(1)比微硅压阻式压力传感器性能卓越，精度更高；(2)相对于微硅谐振式压力传感器简化了工艺要求，摆脱了谐振式压力传感器压力芯体所需的振子、硅岛、电极、谐振梁、震动叶片，减少和抵消了对压力传感器产生影响的一些客观存在的因素（温漂、时漂、回差、静压影响等），性能更加稳定，测量更加精确，使用更加可靠，工艺简化便于规模生产和产业化。

按照本发明用于压力测量的高精度压力传感器，在压力测量时，压力变化首先传递给图1所示的传感单元，传感单元沉积在压力敏感膜片上的应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR产生形变，感受压力变化，应变电阻R_+dR和应变电阻R_-dR在测量控制单元的MCU控制下和放电电容C产生振荡，产生时间比值输入时数转换单元TDC，通过延时插补，将时间值转化为标准的串行数字信号输出。此过程完成了一次压力的高精度采集和数字输出。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.时差振荡高精度压力传感器，其特征是，包括压力测量单元、比较器、时间测量单元和测量控制单元；所述压力测量单元包括传感单元和放电电容C，所述传感器单元包括应变电阻R_+dR、应变电阻R_-dR、热敏电阻R_temp和比较电阻R_ref；所述压力检测单元和时间测量单元均与所述测量控制单元相连接。

所述压力测量单元通过所述比较器与所述时间测量单元相连接，所述比较器通过时间测量单元与测量控制单元相连接；结型场效应管Q与外部电源、放电电容C和测量控制单元相连接。

2.根据权利要求1所述的时差振荡高精度压力传感器，其特征是，所述测量控制单元包括有多个用于输出压力数字信号的串行数字输出端口。

3.根据权利要求1和2所述的时差振荡高精度压力传感器，其特征是，所述结型场效应管Q为开关管。

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