CN104729768A - 一种压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种压力传感器，包括，用于将待测压力转换为自身形变的薄膜组件；直接形成在所述薄膜组件上用于提供磁场的磁性膜体；用于将待测压力传导至所述薄膜组件的压力进口；用于检测所述磁场变化并将所述磁场变化的信号转换为电信号的磁场传感器。工作时，待测压力从所述压力进口输入，并将待测压力传导至所述薄膜组件，所述薄膜组件将待测压力转换为自身形变；直接设置在所述薄膜组件上的磁性膜体随着所述薄膜组件的形变发生磁通量强度变化。所述磁场传感器检测到所述磁通量变化信号并转换为电信号输出。所述压力传感器结构简单，无需半导体封装工艺，工艺成本低、良品率高，适合大规模的工业生产。

Description

一种压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种基于磁原理的压力传感器。

背景技术

压力传感器是最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及汽车、机械工业、自动化、家电等众多领域。

压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器等。其中，压阻式压力传感器具有精度高、线性特性好的优点，应用最为广泛。

压阻式压力传感器主要为基于MEMS原理的硅阻式压力传感器，硅阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的，在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥。当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥加激励电源(恒流和恒压)，便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的。

然而，硅阻式压力传感器中的硅阻式压力芯片直接暴露在被测压力媒体下，这就决定了硅阻式压力在正常情况下只适合测量无腐蚀性的干燥气体的压力，应用领域窄。为了拓宽应用范围，检测腐蚀性气体时，整个硅芯片需要涂覆一层保护胶层；测量液体压力时，涂覆保护胶已经不起作用，需在压力腔填充硅油，并在入口端封装膜片，从而使得被测压力通过膜片和硅油传递到硅芯片上。上述改进明显增加了压力传感器的复杂程度，工艺难度大、良品率低、制造成本高。

即使如此，硅阻式压力芯片需要粘接在温度系数完全匹配的基板上，并将连线飞至引线端子，这都需要半导体封装的专业装置，投资巨大，导致单个传感器的成本较高。同时，由于此类传感器的内在结构复杂，还存在可靠性较低的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的是现有压阻式压力传感器结构复杂、成本高、可靠性低的问题，从而提供一种结构简单、成本低而且精确可靠的压力传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种压力传感器，包括：

薄膜组件，用于将待测压力转换为自身形变；

磁性膜体，直接形成在所述薄膜组件上，用于提供磁场；

压力进口，用于将待测压力传导至所述薄膜组件；

磁场传感器，用于检测所述磁场变化，并将所述磁场变化的信号转换为电信号。

本发明所述的一种压力传感器还包括壳体，所述壳体具有一开口，与紧固在所述开口上的所述薄膜组件形成密闭腔体；所述磁性膜体与所述磁场传感器设置在所述腔体内；所述压力进口设置在所述腔体的外侧。

本发明所述的一种压力传感器还包括芯片，所述芯片设置在所述腔体内，用于处理所述磁场传感器输出的所述电信号，输出所述压力进口处的待测压力值。

所述磁场传感器为霍尔传感器、各向异性磁电阻传感器、巨磁阻效应传感器、隧穿磁阻效应传感器中的一种。

所述磁场传感器的感应方向与所述磁性膜体的磁极方向不平行。

所述磁性膜体的磁场强度为10高斯～1000高斯。

所述磁性膜体的厚度为10nm～1mm。

所述磁性膜体的材料为钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体中的至少一种。

所述薄膜组件的弹性模量为0.01GPa～200GPa。

所述薄膜组件为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合金属纤维膜。

所述压力传感器还包括设置在所述腔体内的温度传感器，用于检测所述腔体内的温度并转换为电信号传输至所述芯片。

所述芯片为可编程芯片。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明所述的一种压力传感器，包括，用于将待测压力转换为自身形变的薄膜组件；直接形成在所述薄膜组件上用于提供磁场的磁性膜体；用于将待测压力传导至所述薄膜组件的压力进口；用于检测所述磁场变化并将所述磁场变化的信号转换为电信号的磁场传感器。

工作时，待测压力从所述压力进口输入，并将待测压力传导至所述薄膜组件，所述薄膜组件将待测压力转换为自身形变；直接设置在所述薄膜组件上的磁性膜体随着所述薄膜组件的形变发生磁通量强度变化。所述磁场传感器检测到所述磁通量变化信号并转换为电信号输出。所述压力传感器结构简单，无需半导体封装工艺，工艺成本低、良品率高，适合大规模的工业生产。

2、本发明所述的一种压力传感器还包括壳体，所述壳体具有一开口，与紧固在所述开口上的所述薄膜组件形成密闭腔体，磁性膜体与磁场传感器设置在所述腔体内，压力进口设置在所述腔体的外侧。由于待测压力的压力媒体与所述压力传感器和芯片通过所述壳体与所述薄膜组件完全隔离，所述压力传感器的工作不受外部压力媒体的影响，应用领域广、工作可靠。

3、本发明所述的一种压力传感器，其中的磁场传感器的感应方向与其中的磁性膜体的磁极方向不平行，所述磁场传感器能在最大限度检测磁感应线的变化，灵敏度高。

4、本发明所述的一种压力传感器还包括设置在所述腔体内的温度传感器，用于检测所述腔体内的温度并转换为电信号传输至所述芯片，以消除由于温度变化导致的非线性误差和性能随温度的漂移导致的误差，从而有效增加了所述压力传感器的工作精度。

5、本发明所述的一种压力传感器中所采用的芯片为可编程芯片，在所述压力传感器总装完成后，通过编程设置消除由于结构误差、磁路误差以及温度变化导致的非线性误差和性能随温度的漂移导致的误差，从而使得所述压力传感器能在任何使用条件下精确地工作。

6、本发明所述的一种压力传感器，优选丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合金属纤维膜作为薄膜组件，不但具有极高的化学稳定性和极宽的温度适应性，可以耐受大部分压力媒体，适用范围广；而且，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合金属纤维膜具有极强的抗冲击性能、柔韧性好，在应力作用下能够发生显著形变，应力松弛后又能迅速恢复原状，压力感应灵敏度高。在此基础上，配合直接贴合在薄膜组件上，厚度为10nm～1mm的磁性膜体，能够精确感知薄膜组件在应用作用下产生的形变，从而确保产生均匀的磁场变化，提高所述压力传感器的精度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明所述的压力传感器剖视图；

图中附图标记表示为：1-壳体、2-薄膜组件、3-磁性膜体、4-压力进口、5-磁场传感器、6-芯片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大元件或组件的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件被称作“形成在”或“设置在”另一元件“上”时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。

作为本发明的一个具体实施例，如图1所示的一种压力传感器，包括，具有一开口的壳体1，紧固在所述开口上，与所述壳体1形成密闭腔体的薄膜组件2；直接形成在所述薄膜组件2靠近所述腔体一侧的磁性膜体3，用于提供磁场；设置在所述壳体1或所述薄膜组件2远离所述腔体一侧的压力进口4，用于将待测压力传导至所述薄膜组件2；设置在所述腔体内的磁场传感器5，用于检测所述磁场变化，并将所述磁场变化的信号转换为电信号；设置在所述腔体内的芯片6，用于处理所述磁场传感器5输出的所述电信号，输出所述压力进口4处的待测压力值。

工作时，待测压力从所述压力进口4输入，并将待测压力传导至所述薄膜组件2，所述薄膜组件2将待测压力转换为自身形变；直接设置在所述薄膜组件2上的磁性膜体3随着所述薄膜组件2的形变发生磁通量强度变化。所述磁场传感器5检测到所述磁通量变化信号并将其转换为电信号传输至所述芯片6，所述芯片6将输入的电信号进行处理，输出所述压力进口4处的待测压力值。所述压力传感器结构简单、工艺成本低、良品率高，适合大规模的工业生产。同时，由于所述压力传感器结构简单、无需半导体封装工艺，工艺成本低，从而容易实现小型化，适用范围广。

所述磁性膜体3与所述磁场传感器5设置在所述腔体内，所述压力进口4设置在所述腔体的外侧。由于待测压力的压力媒体(如被测气体或液体)与所述压力传感器5和芯片6通过所述壳体1与所述薄膜组件2完全隔离，所以所述压力传感器5和芯片6的工作不受外部压力媒体的影响，应用领域广、工作可靠。

所述压力传感器中的磁场由所述磁性膜体3提供，与所述薄膜组件2直接贴合的所述磁性膜体3能够精确敏锐地感知所述薄膜组件2的形变，从而产生均匀的磁场变化，进而有效提高了所述压力传感器的测试精度。

所述磁场传感器5为霍尔传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁阻效应(GMR)传感器、隧穿磁阻效应(TMR)传感器中的一种，TMR传感器的磁敏感性最高、GMR传感器次之，AMR传感器再次之，霍尔传感器最低，四者分别具有不同的温度系数，在实际应用中可根据磁性膜体3的材料来匹配磁芯片，以保证在温度范围内-40℃～180℃内获得最稳定的输出。本实施例中，所述磁场传感器5优选为AMR传感器。

所述磁性膜体3经过优化模拟计算以确保微小变形会在磁场传感器5处产生均匀变化的磁场。通过优化模拟计算，可使磁场传感器5的输出完全与被测压力成比例，并能最大限度地补偿高低温对输出的影响。优选地，待测压力与所述磁场传感器5的输出电压满足：

V＝K’·(E·ΔR/R)/P

V为所述磁场传感器5的输出电压、K’为转换系数、E为激励电压、R为磁场传感器5的磁阻值，ΔR为相对磁场变化所产生的磁阻值的变化、P为待测压力值。

作为本发明的可变换实施例，可以根据上式选择相匹配的磁性膜体3的材料与所述磁场传感器5，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

所述磁场传感器5的感应方向与所述磁性膜体3的磁极方向不平行，本实施例优选为所述磁场传感器5的感应方向与所述磁性膜体3的磁极方向互相垂直，所述磁场传感器5能在最大限度检测磁感应线的变化，灵敏度高、线性度好。

所述磁性膜体3优选为通过溅射工艺直接镀设在所述薄膜组件2上的磁膜，所述磁性膜体3的磁场强度为10高斯～100高斯。可根据压力传感器的具体应用环境进行选择，若周围电磁干扰强，可选用高磁场如接近1000高斯，免除干扰对传感器精度的影响；若应用环境无电磁干扰，可选用10高斯的场强，减少磁性材料的成本。其材料选自但不限于钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体等硬磁材料。

作为本发明的优选实施例，所述磁性膜体3为厚度为0.1mm的钕铁硼，其磁场强度为20高斯，用于测量小压力范围，如500Pa。

本实施例中，所述薄膜组件2为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合金属纤维膜，厚度为0.3mm，弹性模量为0.2GPa。优选所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合金属纤维膜作为所述薄膜组件2，不但具有极高的化学稳定性和极宽的温度适应性，可以耐受大部分压力媒体，适用范围广；而且，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合金属纤维膜具有极强的抗冲击性能、柔韧性好，在应力作用下能够发生显著形变，应力松弛后又能迅速恢复原状，压力感应灵敏度高。在此基础上，配合直接贴合在所述薄膜组件2上，厚度为10nm～1mm的磁性膜体3，确保能够产生均匀的磁场变化，提高了所述压力传感器的精度。

作为本发明的可变换实施例，所述薄膜组件2还可以根据被测压力大小进行选择，用于测量大压力范围(如500兆帕)可选弹性模量为0.01GPa～200GPa，厚度为1.5mm的膜体，选自但不限于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合材料，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

作为本发明的优选实施例，所述压力传感器还包括设置在所述腔体内的温度传感器，用于检测所述腔体内的温度并转换为电信号传输至所述芯片6。

所述芯片6为可编程芯片，在所述压力传感器总装完成后，通过编程设置消除由于结构误差、磁路误差以及温度变化导致的非线性误差和性能随温度的漂移导致的误差，从而使得所述压力传感器能在任何使用条件下精确地工作。

作为本发明的可变换实施例，所述磁场传感器5和所述芯片6还可以集成在同一SOC芯片(英文全称为：System-on-a-Chip)中，不但可以减少所述压力传感器的体积和制造成本，还可以提高所述压力传感器的测量精度和可靠性，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

薄膜组件(2)，用于将待测压力转换为自身形变；

磁性膜体(3)，直接形成在所述薄膜组件(2)上，用于提供磁场；

压力进口(4)，用于将待测压力传导至所述薄膜组件(2)；

磁场传感器(5)，用于检测所述磁场变化，并将所述磁场变化的信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括壳体(1)，所述壳体(1)具有一开口，与紧固在所述开口上的所述薄膜组件(2)形成密闭腔体；所述磁性膜体(3)与所述磁场传感器(5)设置在所述腔体内；所述压力进口(4)设置在所述腔体的外侧。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括芯片(6)，所述芯片(6)设置在所述腔体内，用于处理所述磁场传感器(5)输出的所述电信号，输出所述压力进口(4)处的待测压力值。

4.根据权利要求1-3任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述磁场传感器(5)为霍尔传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁阻效应(GMR)传感器、隧穿磁阻效应(TMR)传感器中的一种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述磁场传感器(5)的感应方向与所述磁性膜体(3)的磁极方向不平行。

6.根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述磁性膜体(3)的磁场强度为10高斯～1000高斯。

7.根据权利要求1-6任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述磁性膜体(3)的厚度为10nm～1mm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述磁性膜体(3)的材料为钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体中的至少一种。

9.根据权利要求1-8任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述薄膜组件(2)的弹性模量为0.01GPa～200GPa。

10.根据权利要求1-9任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述薄膜组件(2)为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合金属纤维膜。

11.根据权利要求3-10任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括设置在所述腔体内的温度传感器，用于检测所述腔体内的温度并转换为电信号传输至所述芯片(6)。

12.根据权利要求3-11任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述芯片(6)为可编程芯片。