CN108332898A - 一种复合量程气压传感器和高精度探空气压测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合量程气压传感器，包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层、绝缘二氧化硅层和玻璃空腔，硅底层底部向上设置有两级凹槽，凹槽上方设有内膜片和外膜片，外膜片比内膜片的厚度厚，内膜片为内部气压传感器的受力应变薄膜，外膜片为外部气压传感器的受力应变薄膜；绝缘二氧化硅层上表面放置了内外两组套嵌的由4个硅纳米线压敏电阻构成的惠斯通电桥。本发明还公开了一种高精度探空气压测量装置，本发明提高了传感器的可承受最大压力，由于使用了较厚的外膜，因此可以使用更薄的内膜片，从而实现了更高的灵敏度，有效的减小了数据测量误差，满足了高精度气压测量装置的需求。

Description

一种复合量程气压传感器和高精度探空气压测量装置
技术领域
本发明涉及微纳机电系统传感器技术领域，特别是一种复合量程气压传感器和高精度探空气压测量装置。
背景技术
气象的变化与人类生活紧密相关，直接影响着人类从事生产劳动、交通运输、航空航天等活动，为了能够预测并且掌握高空气象的规律，人类为此做了不懈的努力。高空气象检测是气候研究的一个重要部分，是开展天气预警预报、进行气象研究和科学实验、研究气候变化以及全球气象情报的一个重要途径。气压作为大气要素之一，是高空气象探测的一个重要因素，气压测量的范围和精度直接影响高空气象探测的质量，因此作为探空仪中的气压感应元件，气压传感器的优化设计显得尤为重要。传统的探空传感器在宽量程范围内很难同时达到高灵敏度和良好的线性度，测量精度不统一，无法满足市场越发提高的现实要求，因而迫切需要满足宽测压范围、高灵敏度、高精度测量要求的探空气压传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种复合量程气压传感器和高精度探空气压测量装置，利用单片复合量程气压传感器进行中低空和高空气压的检测，使得测量装置在宽量程范围内既可以达到高灵敏度，同时具有良好的线性度和高的测量精度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种复合量程气压传感器，包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层、绝缘二氧化硅层和玻璃空腔，硅底层底部向上设置有两级凹槽，凹槽上方设有内膜片和外膜片，外膜片比内膜片的厚度厚，内膜片为内部气压传感器的受力应变薄膜，外膜片为外部气压传感器的受力应变薄膜；绝缘二氧化硅层上表面放置了内外两组套嵌的由4个硅纳米线压敏电阻构成的惠斯通电桥，其中一组惠斯通电桥中的硅纳米线压敏电阻两两对称放置于内膜片四周，另一组惠斯通电桥中的硅纳米线压敏电阻两两对称放置于外膜片的四周。
作为本发明所述的一种复合量程气压传感器进一步优化方案，玻璃空腔是通过阳极键合与复合量程气压传感器的绝缘二氧化硅层结合，形成了一个参考压力室，并在玻璃空腔内表面覆盖了恒温装置，在玻璃空腔上钻孔并注入了不导电的传导树脂，通过金属触点将引线通过钻孔引出实现电连接。
作为本发明所述的一种复合量程气压传感器进一步优化方案，所述恒温装置所用材料为聚酰亚胺电热膜。
一种高精度探空气压测量装置，包括上述的复合量程气压传感器、静压头装置、恒流源模拟标准压力电路以及恒温装置；所述静压头装置内表面固定了恒温装置，气体进入静压头装置，静压头装置用于过滤掉风速风向对复合量程气压传感器的影响；恒流源模拟标准压力电路用于进行复合量程气压传感器的实时自校正，恒温装置用于处理屏蔽掉环境温度变化产生的影响。
作为本发明所述的一种高精度探空气压测量装置进一步优化方案，所述静压头装置由上下对称的两个钻孔椭圆半球体及空腔导管组成，其中两个半球体上下对称放置形成进风口，位于上方的空腔导管一端连接上方的半球体，另一端与复合量程气压传感器相连，位于下方的空腔导管一端与下方的半球体相连，另一端悬空。
作为本发明所述的一种高精度探空气压测量装置进一步优化方案，所述恒温装置所用材料为聚酰亚胺电热膜。
作为本发明所述的一种高精度探空气压测量装置进一步优化方案，所述恒流源模拟标准压力电路由恒流源芯片与传感器惠斯通电桥连接构成，其中恒流源芯片采用了ADI公司生产的可编程电流源输出芯片AD5410。
作为本发明所述的一种高精度探空气压测量装置进一步优化方案，还包括信号调理电路、A/D转换器、单片机、无线通信模块和HID，复合量程气压传感器与信号调理电路、A/D转换器、单片机依次顺序连接，单片机与恒流源模拟标准压力电路、恒温装置、无线通信模块、HID分别连接。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)系统初始化，利用高精度的可调恒流源模拟了标准的气压值，对复合量程气压传感器进行实时标定自校正，消除了时漂误差带来的影响；
(2)单片机利用PID算法输出可调的PWM波，进而控制聚酰亚胺电热膜温度维持恒定，其中传感器维持在50℃,静压头装置保持在70℃，由于高空温度较低且极易结冰，维持在50℃可使传感器不起雾结冰且可以正常工作，消除了温度变化带来的影响以及延长设备工作寿命，静压头装置由于直接暴露在空气中，可适当提高温度；
(3)采集外部气压传感器的输出信号，利用无线模块传输到地面控制中心，并判断气压是否小于500hPa，如果是，则采集内部气压传感器的输出信号，并利用无线模块传输到地面控制中心；
(4)地面控制中心进行信号处理，给出整个量程(3-1100hPa)范围内的气压测量结果。
附图说明
图1是静压头装置及传感器和恒温装置安装示意图；
图2是本发明中复合量程气压传感器内部结构的俯视图；
图3是本发明中图2中A-A的剖面图；
图4是本发明中图2中A-A添加玻璃空腔装置的剖面图；
图5为恒流源加载到惠斯通电桥示意图；
图6是恒温电路示意图；
图7是探空传感器工作流程图；
图8是本发明的一种实施例的模块框图。
图中的附图标记解释为：1-复合量程气压传感器，2-上空腔导管，3-静压头，4-聚酰亚胺电热膜，5-下空腔导管，6-二氧化硅层，7-外膜片受力应变薄膜，8-铝，9-硅纳米线压敏电阻，10-金属端子，11-引线，12-内膜片受力应变薄膜，13-硅底层，14-玻璃基底层，15-玻璃空腔，16-传导树脂，17-金属触点，18-聚酰亚胺电热膜，19-温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种高精度探空气压测量装置，包括了复合量程气压传感器1，静压头装置，恒温装置，每个复合量程气压传感器1包括自下至上依次叠放的玻璃基底层14、硅底层13和绝缘二氧化硅层6，所述绝缘二氧化硅层6上表面的四周分别设置两组硅纳米线压敏电阻9，经过一系列工艺流程，硅纳米线压敏电阻9两端溅射了金属铝8，金属铝8通过引线11与金属端子10相连接。
如图1所示，单片复合量程气压传感器安装在静压头上方的上空腔导管2内部，导管另一端与静压头3相连，两个椭圆半球体静压头3对称放置，下方的静压头连接了下空腔导管5，下空腔导管5的另一端悬空，可排出雨雪天气不慎进入的水滴，其中在3内表面固定了聚酰亚胺电热膜4作为加热设备，在聚酰亚胺电热膜4的表面固定了温度传感器19实时测量电热膜温度并将温度信息传送给单片机，单片机利用PID算法调控输出PWM波，使得聚酰亚胺电热膜4始终维持在70℃，实现了恒温功能，消除了冰雨结冰的影响。
如图2、3所示，位于外膜片受力应变薄膜7范围内的硅纳米线压敏电阻构成了一组惠斯通电桥，位于内膜片受力应变薄膜12范围内的硅纳米线压敏电阻9构成了第二组惠斯通电桥。如图4所示，利用阳极键合技术将二氧化硅层6与玻璃空腔15结合，可形成一个参考压力室，其中在玻璃空腔15的内表面覆盖了一层恒温材料聚酰亚胺电热膜18，玻璃空腔15的外部放置了温度传感器19用来测量复合量程气压传感器的温度，与加热片结合使其始终保持在50℃，在玻璃空腔15上钻孔并注入了不导电的传导树脂16，可通过金属触点17将引线通过钻孔实现导电互连。
由于传感器使用或者放置一段时间后，输出特性易发生改变，本发明设计了恒流源装置模拟标准压力来进行实时标定自校正。其中恒流源电路采用了ADI公司生产的可编程电流源输出芯片AD5410，将恒流源芯片与MCU单片机相连，编程控制输出可调电流，将恒流源输出电流加载到硅纳米线压敏电阻构成的惠斯通电桥上，电桥如图5所示，由电路叠加原理可得，
则输出电压
当传感器不加载时，此时
R1＝R2＝R3＝R4＝R，
则
由上式可以看出，输出电压Vo与硅纳米线压敏电阻阻值R成正比，则Vo与传感器所受压力成线性关系，又输出电压Vo与加载的恒流源Ii成正比，因此可以用外加恒流源Ii模拟标准压力源，本发明使用ADI公司生产的可编程电流源芯片输出0～24mA的高精度可调电流，其相对精度可达到0.024％，并且可以通过外接15KΩ的精密电阻将测量精度提高至0.012％。
在进行自动标定前，需要先使用标准压力源Pi对传感器进行标定以获得输出特性曲线,设Pi(Pi＝0为传感器空载的情况)测得的电压值为Vi(i＝1，2，3，4...,n),可以得到关于Pi和Vi的多项式
经过多项式拟合可得到系数矩阵C＝(VTV)-1VTP,其中V为Vi各级次幂构成的矩阵，P为Pi构成的列向量。则对任意测得的电压输出信号V，可得到对应的压力值P＝c0+c1V+c2V2+…+cnVn，正常测量时接通恒流源Ii，将传感器输出的的电压值带入P＝c0+c1V+c2V2+…+cnVn中，可计算得到Ii对应的模拟标准压力值。
如图6所示，由于单片机输出信号通常较小，无法驱动恒温装置，因此将聚酰亚胺电热膜通过功率放大电路与单片机相连，另外将电热膜与温度传感器相连接，实时测量电热膜温度并传送给单片机进行处理。本电路使用了TB6612FNG芯片进行信号放大，从而实现单片机输出PWM波控制电热膜加热并维持在恒定温度。
如图7所示为探空传感器工作流程图，首先开启单片机硬件系统进行初始化，采用恒流源模拟标准压力电路进行实时校正之后，探空装置升空后单片机利用PID算法输出可调的PWM波，进而控制聚酰亚胺电热膜温度维持恒定，其中复合量程气压传感器维持在50℃,静压头装置保持在70℃，由于高空温度较低且极易结冰，维持在50℃可使传感器不起雾结冰且可以正常工作，消除了温度变化带来的影响以及延长设备工作寿命，静压头装置由于直接暴露在空气中，可适当提高温度。采集外部气压传感器的输出信号，利用无线模块传输到地面控制中心，并判断气压是否小于500hPa，若低于500hPa则转换为内部传感器进行测量，同时将信号通过无线模块传送至地面，否则继续下一步，将信号输出至信号处理电路进行处理后输出。最后地面控制中心进行信号处理，给出整个量程(3-1100hPa)范围内的气压测量结果。
如图8所示，一种高精度探空气压测量装置，还包括电源、信号调理电路、A/D转换器、无线通信模块和HID，其中信号调理电路包括运算放大器和滤波器，所示运算放大器为差分放大电路是现有技术，所述电源分别连接复合量程气压传感器、恒流源模拟标准压力电路、恒温装置、信号调理电路、A/D转换器、单片机，并为其供电；所述复合量程气压传感器连接运算放大器，再经滤波器和A/D转换器传递至单片机，所述单片机连接无线通信模块和HID。
然后将复合量程气压传感器的信号由单片机传递至无线通信模块与地面进行通信，所述单片机是MCU，其型号为STM32，所述无线通信模块采用了北斗无线通信模块，所述HID为LED灯，作为装置显示灯，用于显示装置是否正常工作。
为了实现更宽的测压范围和更高的灵敏度，本发明采用了复合量程气压传感器，具有内外两个厚度不同的应变薄膜，相较于单膜传感器，双膜传感器使用了较厚的外膜作为加强结构，可以避免内膜边缘的尖峰应力，提高了传感器的最大承受压力。由于使用了较厚的外膜，因此可以使用更薄的内膜片，从而实现了更高的灵敏度。因此使用复合量程气压传感器来测量高空气压，不仅增加了测压范围，也提高了测量灵敏度。为了保证测量数据的准确性，本发明结合了静压头装置、恒温装置以及恒流源模拟标准压力电路，消除了外界环境改变带来的影响以及传感器自身性能发生漂移产生的变化，有效的减小了测量的误差，满足了高精度探空气压装置的需求。
本发明设计了一种复合量程气压传感器，复合了两个厚度不同的压力应变薄膜，相较于传统的单膜传感器，双膜传感器使用了较厚的外膜作为加强结构，可以避免内膜边缘的尖峰应力，提高了传感器的可承受最大压力，由于使用了较厚的外膜，因此可以使用更薄的内膜片，从而实现了更高的灵敏度。在本发明中，内膜片测压范围为3-500hPa,外膜片的测压范围为500hPa-1100hPa，满足了探空传感器要求的测量气压范围。气体首先进入静压头装置，过滤掉周围风速风向对测量系统的影响；静压头内表面和气压传感器内均固定了恒温装置，屏蔽了探空环境温度变化产生的影响；利用恒流源装置模拟标准压力，实现传感器实时自校正功能；复合量程传感器安装在静压头上方的空腔导管内，将测得的数据传送至信号处理电路，有效的减小了数据测量误差，满足了高精度气压测量装置的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合量程气压传感器，其特征在于，包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层、绝缘二氧化硅层和玻璃空腔，硅底层底部向上设置有两级凹槽，凹槽上方设有内膜片和外膜片，外膜片比内膜片的厚度厚，内膜片为内部气压传感器的受力应变薄膜，外膜片为外部气压传感器的受力应变薄膜；绝缘二氧化硅层上表面放置了内外两组套嵌的由4个硅纳米线压敏电阻构成的惠斯通电桥，其中一组惠斯通电桥中的硅纳米线压敏电阻两两对称放置于内膜片四周，另一组惠斯通电桥中的硅纳米线压敏电阻两两对称放置于外膜片的四周。
2.根据权利要求1所述的一种复合量程气压传感器，其特征在于，玻璃空腔是通过阳极键合与复合量程气压传感器的绝缘二氧化硅层结合，形成了一个参考压力室，并在玻璃空腔内表面覆盖了恒温装置，在玻璃空腔上钻孔并注入了不导电的传导树脂，通过金属触点将引线通过钻孔引出实现电连接。
3.根据权利要求2所述的一种复合量程气压传感器，其特征在于，所述恒温装置所用材料为聚酰亚胺电热膜。
4.一种高精度探空气压测量装置，其特征在于，包括权利要求1或2或3所述的复合量程气压传感器、静压头装置、恒流源模拟标准压力电路以及恒温装置；所述静压头装置内表面固定了恒温装置，气体进入静压头装置，静压头装置用于过滤掉风速风向对复合量程气压传感器的影响；恒流源模拟标准压力电路用于进行复合量程气压传感器的实时自校正，恒温装置用于处理屏蔽掉环境温度变化产生的影响。
5.根据权利要求4所述的一种高精度探空气压测量装置，其特征在于，所述静压头装置由上下对称的两个钻孔椭圆半球体及空腔导管组成，其中两个半球体上下对称放置形成进风口，位于上方的空腔导管一端连接上方的半球体，另一端与复合量程气压传感器相连，位于下方的空腔导管一端与下方的半球体相连，另一端悬空。
6.根据权利要求4所述的一种高精度探空气压测量装置，其特征在于，所述恒温装置所用材料为聚酰亚胺电热膜。
7.根据权利要求4所述的一种高精度探空气压测量装置，其特征在于，所述恒流源模拟标准压力电路由恒流源芯片与传感器惠斯通电桥连接构成，其中恒流源芯片采用了ADI公司生产的可编程电流源输出芯片AD5410。
8.根据权利要求4所述的一种高精度探空气压测量装置，其特征在于，还包括信号调理电路、A/D转换器、单片机、无线通信模块和HID，复合量程气压传感器与信号调理电路、A/D转换器、单片机依次顺序连接，单片机与恒流源模拟标准压力电路、恒温装置、无线通信模块、HID分别连接。
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