CN108375446B - 一种探空巨压阻气压传感器阵列装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探空巨压阻气压传感器阵列装置，包括至少一个第一巨压阻气压传感器阵列、至少一个第二巨压阻气压传感器阵列、信号调理电路、模拟选择器、模数转换器、处理器和GPS无线通信模块；第一巨压阻气压传感器阵列、第二巨压阻气压传感器阵列将采集到的数据信号通过信号调理电路处理后，利用模拟选择器选通传输给模数转换器，模数转换器转换后将数字信号传输给处理器，再通过无线通信模块将数据传输给地面的控制中心。本发明还公开了一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，本发明将中低空量程的气压传感器和高空量程气压传感器相结合，在复合的整个量程范围内，兼顾了高的线性度和高的灵敏度，有效地提高了测量的精确度。

Description

一种探空巨压阻气压传感器阵列装置及测量方法

技术领域

本发明涉及微纳机电系统传感器技术领域，特别是一种探空巨压阻气压传感器阵列装置及测量方法。

背景技术

常规的大气压力测量是通过放飞探空气球搭载探空仪实现的。这种方法简单便捷，易于实现。但目前探空仪采用单一的传统压阻式气压传感器，由于单一传感器的灵敏度和线性度之间没有办法都达到最佳情况，也就是说，它们存在着性能折中。例如，在中低空（0-7km海拨高度）传感器的线性度较好，而在高空（7-40km海拨高度）单一传感器为了测量微弱的气压，需要有足够的灵敏度，此时线性度较差，产生的非线性误差导致测量精度下降，所以在0-40km海拨高度范围内探空仪无法实现统一的高精度大气压力测量。此外，探空环境的温度、尤其是-50~-90°C的低温对大气压力测量结果的影响也比较严重。

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探空巨压阻气压传感器阵列装置及测量方法，该大气压力测量装置采用异质结巨压阻传感器和复合量程阵列相结合的方式，极大的提高了气压测量的灵敏度和分辨率，同时显著削弱了非线性误差，能够在整个探空海拨高度范围内统一的高精度气压测量。

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探空巨压阻气压传感器阵列装置，包括至少一个第一巨压阻气压传感器阵列、至少一个第二巨压阻气压传感器阵列、信号调理电路、模拟选择器、模数转换器、处理器和GPS无线通信模块；其中，

第一巨压阻气压传感器阵列、第二巨压阻气压传感器阵列分别将采集到的数据信号通过信号调理电路处理后，再利用模拟选择器选通传输给模数转换器进行转换，转换后的数字信号传输给处理器，再通过GPS无线通信模块将数据传输给外部的控制中心；

所述第一巨压阻气压传感器阵列包括4个相同的第一巨压阻气压传感器，第一巨压阻气压传感器包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层，所述绝缘二氧化硅层上表面的四周分别设置有4个正方形截面的硅铝异质结传感单元，每个硅铝异质结传感单元包括自内而外依次嵌套的内层硅、中间层铝和外层硅，硅铝异质结的两端均设置有金属边，每个金属边各自通过引线连接金属片，金属片通过其上引出的电极连接有铝端子；

所述第二巨压阻气压传感器阵列包括4个相同的第二巨压阻气压传感器，第二巨压阻气压传感器包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层，所述绝缘二氧化硅层上表面的四周分别设置有4个三角形截面的硅锗异质结传感单元，每个硅锗异质结传感单元包括自内而外依次嵌套的内层硅、中间层锗和外层硅，硅锗异质结的两端均设置有金属边，每个金属边各自通过引线连接金属片，金属片通过其上引出的电极连接有铝端子。

作为本发明所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置进一步优化方案，第一巨压阻气压传感器为高空量程的巨压阻气压传感器，第二巨压阻气压传感器为中低空量程的巨压阻气压传感器，第一巨压阻气压传感器阵列为高空量程的巨压阻气压传感器阵列、第二巨压阻气压传感器阵列为中低空量程的巨压阻气压传感器阵列。

作为本发明所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置进一步优化方案，所述硅底层的底部向上设置有凹槽，位于凹槽上方的硅底层为受力应变薄膜；高空量程的巨压阻气压传感器具有E型凹槽和受力应变薄膜，中低空量程的巨压阻气压传感器具有C型凹槽和受力应变薄膜。

作为本发明所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置进一步优化方案，高空量程的巨压阻气压传感器具有尺寸大于或等于1500µm×1500µm的E型凹槽和厚度小于35µm的受力应变薄膜，中低空量程的巨压阻气压传感器具有尺寸小于或等于900µm×900µm的C型凹槽和厚度大于或等于35µm的受力应变薄膜。

作为本发明所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置进一步优化方案，第一巨压阻气压传感器中的四个硅铝异质结传感单元分别设置于绝缘二氧化硅层上表面的四周，其中两个硅铝异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围内，另外两个硅铝异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围外，位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅铝异质结传感单元的连线与位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅铝异质结传感单元的连线互相垂直；位于受力应变薄膜相对应的范围内的两组硅铝异质结传感单元是被测端；位于受力应变薄膜相对应的范围外的两组硅铝异质结传感单元是参考端，通过引线连接至铝端子，构成了具有温度补偿功能的惠斯通电桥，硅铝异质结传感单元具有内外两层接触势垒。

作为本发明所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置进一步优化方案，第二巨压阻气压传感器中的四个硅锗异质结传感单元分别设置于绝缘二氧化硅层上表面的四周，其中两个硅锗异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围内，另外两个硅锗异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围外，位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅锗异质结传感单元的连线与位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅锗异质结传感单元的连线互相垂直；位于受力应变薄膜相对应的范围内的两组硅锗异质结传感单元是被测端；位于受力应变薄膜相对应的范围外的两组硅锗异质结传感单元是参考端，通过引线连接至铝端子，构成了具有温度补偿功能的惠斯通电桥，硅锗异质结传感单元具有内外两层接触势垒。

作为本发明所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置进一步优化方案，第一巨压阻气压传感器阵列和第二巨压阻气压传感器阵列的进气装置的端口增加了滤网，并在通气管道内加装两层海绵。

作为本发明所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置进一步优化方案，模数转换器为AD7794模数转换器，处理器为STM32F429单片机。

一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，当装置工作时，处理器先判断气压数值在哪个工作范围内，若在450~1100hPa范围内，则选择中低空量程的巨压阻气压传感器阵列T上的数据进行采集；若在3~450hPa范围内，处理器通过地址线A2A1A0控制模拟选择器选择高空量程的巨压阻气压传感器阵列S上的数据进行采集；将选择后的数据通过模数转换器，得到的数字信号再传输给处理器，处理器将数据传递给GPS无线通信模块，并由GPS无线通信模块发送回地面控制中心，实现气压数据的测量，最后将两个量程的数据合并形成一个整体的3-1100hPa复合量程的数据。

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）本发明将中低空量程的气压传感器和高空量程气压传感器相结合，相比于传统单一气压传感器的测量方式，在复合的整个量程范围内，兼顾了高的线性度和高的灵敏度，有效地提高了测量的精确度；

（2）本发明采用的硅铝异质结传感单元和硅锗异质结传感单元在大气压力作用下可以产生更大的阻值变化，使得压阻系数与应变系数成倍的增加，极大地提升了灵敏度，使得高空微压测量数据更加准确；

（3）本发明在中低空和高空两种量程中均采用阵列平均测量的方式，可以有效地削弱随机误差，提高测量的准确性；

（4）本发明采用了硅铝异质结传感单元和硅锗异质结传感单元均具有低的温度系数，同时由它们构成的惠斯通电桥具有温度补偿功能，显著减小了探空环境的温度、尤其是-50~-90°C的低温对于气压测量结果的影响。

附图说明

图1是本发明的探空巨压阻气压传感器阵列装置结构框图。

图2是本发明的巨压阻传感器内部结构的俯视图；其中，（a）均表示用于测量气压在3~450hPa范围内（高空量程，海拨高度7km~40km）大气压力变化情况，（b）均表示用于测量气压在450~1100hPa（中低空量程，海拨高度7km以下）大气压力的变化情况。

图3是本发明的巨压阻传感器内部结构沿图2中的AA截面侧视图；其中，（a）均表示用于测量气压在3~450hPa范围内（高空量程，海拨高度7km~40km）大气压力变化情况，（b）均表示用于测量气压在450~1100hPa（中低空量程，海拨高度7km以下）大气压力的变化情况。

图4是本发明的巨压阻传感器阵列结构示意图；其中，（a）为高空量程的气压传感器阵列S，（b）为中低空量程的气压传感器阵列T。

图5是本发明的巨压阻传感器阵列测量模块示意图。

图6是本发明的测量方法流程图。

图中的附图标记解释为：1-巨压阻气压传感器，2-硅铝或者硅锗异质结传感单元，3-金属边，4-引线，5-金属片，6-电极，7-铝端子，8-内层硅，9-第一接触势垒，10-中间层铝或者锗，11-第二接触势垒，12-外层硅，13-绝缘二氧化硅层，14-硅底层，15-玻璃基底层，16-受力应变薄膜，17-微压结构。

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：

一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的总体结构如图1所示。利用耐压气球将整个装置升空，装置最下方为一碗状结构的进气端口，在碗底有一层滤网，起到防杂物（比如气溶胶尘埃和冰水）的作用；在其上方的导气管中还加装了两层薄薄的海绵层，防止风速风向的影响，使数据测量更加精准。该装置中还包含巨压阻气压传感器阵列及其数据采集和处理模块，并通过GPS无线通信模块将数据传输给地面的控制中心。数据采集和处理模块主要包括信号调理电路、模拟选择器以及模数转换器。

如图2、3、4、5所示，所述两种不同量程分为中低空量程（T）和高空量程(S)，所述不同量程的巨压阻气压传感器阵列各自含有4个相同巨压阻气压传感器，不同量程的阵列中的巨压阻气压传感器的构成材料和形状不同，两种不同量程构成了一个复合量程，能够覆盖了0-40km海拨高度范围的气压变化情况。如图2中的（a）和图3中的（a）所示，所述高空量程的巨压阻气压传感器1包括自下而上依次叠放的玻璃基底层15、硅底层14和绝缘二氧化硅层13，所述绝缘二氧化硅层13上表面的四周分别设置有4个正方形截面的硅铝异质结传感单元2，每个硅铝异质结传感单元2包括自内而外依次嵌套的内层硅8、中间层铝10和外层硅12，硅铝异质结传感单元2的两端均设置有金属边3，每个金属边各自通过引线4连接金属片5，金属片5通过其上引出的电极6连接有铝端子7。如图2中的（b）和图3中的（b）所示，所述中低空量程的巨压阻气压传感器1包括自下而上依次叠放的玻璃基底层15、硅底层14和绝缘二氧化硅层13，所述绝缘二氧化硅层13上表面的四周分别设置有4个三角形截面的硅锗异质结传感单元2，每个硅锗异质结传感单元2包括自内而外依次嵌套的内层硅8、中间层锗10和外层硅12，硅锗异质结传感单元2的两端均设置有金属边3，每个金属边3各自通过引线4连接金属片5，金属片5通过其上引出的电极6连接有铝端子7。

如图2所示，所述异质结巨压阻气压传感器1中的四个异质结传感单元2分别设置于绝缘二氧化硅层13上表面的四周，其中两个异质结传感单元2对称放置于受力应变薄膜16相对应的范围内，另外两个异质结传感单元2对称放置于受力应变薄膜16相对应的范围外，位于受力应变薄膜16相对应的范围内两组异质结传感单元2的连线与位于受力应变薄膜16相对应的范围外两组异质结传感单元2的连线互相垂直；位于受力应变薄膜16相对应的范围内的两组异质结传感单元2是被测端；位于受力应变薄膜16相对应的范围外的两组异质结传感单元2由于不受大气压力影响因而作为参考端，通过引线连接至铝端子，构成了具有温度补偿功能的惠斯通电桥，并且具有内外两层接触势垒（第一接触势垒9和第二接触势垒11）的异质结传感单元2有低的温度系数，有利于进一步减小探空环境温度，尤其是低温（-50~-90°C）对于气压测量结果的影响。

如图3所示，巨压阻气压传感器1的硅底层14底部向上设置有凹槽（硅杯），位于凹槽上方的硅底层为异质结巨压阻传感器的受力应变薄膜16。所述的高空量程的气压传感器具有长宽为1500µm×1500µm的E型凹槽和15µm厚的受力应变薄膜，该E型凹槽带有微压结构17，它起到了保护受力应变薄膜的作用，该气压传感器用于测量气压在3~450hPa范围内气体的压力变化情况。所述的中低空量程的气压传感器具有长宽为900µm×900µm的C型凹槽和35µm厚的受力应变薄膜，能够承受更加的大气压力，用于测量气压在450~1100hPa范围内气体的压力变化情况。如图3所示，所述硅铝异质结传感单元为长方体状结构，硅锗异质结传感单元为三棱柱结构，其中内层硅和中间层铝或锗之间的接触区域形成第一接触势垒9，中间层铝或锗和外层硅之间的硅铝接触区域形成第二接触势垒11。

如图4所示，利用图2中的巨压阻气压传感器在基片上组成阵列式测量结构。图4中的（a）为高空量程的气压传感器阵列S，图4中的（b）为中低空量程的气压传感器阵列T；其中中低空量程的气压传感器阵列T包含T1，T2，T3，T4四个相同硅锗异质结气压传感器；高空量程的气压传感器阵列S包含S1，S2，S3，S4四个硅铝异质结气压传感器。如图5所示，整个探空巨压阻气压传感器阵列装置由两片阵列S和两片阵列T构成，一共包含4个异质结传感器阵列。通过采用两片阵列数据取平均的方法削弱了随机误差，确保了测量数据的精确性。本发明测量装置还包括电源、信号调理电路、模拟选择器、ADC、STM32F429单片机、ESP8266WIFI无线通信模块，其中信号调理电路包括放大电路和滤波器。电源分别连接巨压阻传感器阵列、信号调理电路、模拟选择器、AD7794模数转换器、STM32F429单片机，并为它们供电；单片机连接ESP8266WIFI无线通信模块。巨压阻气压传感器阵列将采集到的数据信号通过信号调理电路处理后，利用单片机控制模拟选择器选通并传输给AD7794模数转换器，AD7794模数转换器转换后再将数字信号传输给STM32F429单片机，最后通过GPS无线通信模块将数据传输给地面的控制中心。

本发明探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法流程图如图6所示，当测量装置工作时，单片机会先判断气压数值在哪个工作范围内，若在450~1100hPa范围内，则选择阵列T上的数据进行采集。若在3~450hPa范围内，单片机通过地址线A2A1A0控制模拟选择器选择阵列S上的数据进行采集；将选择后的数据通过 AD7794模数转换器，得到的数字信号再传输给STM32F429单片机，单片机将数据传递给GPS无线通信模块，并由无线通信模块发送回地面控制中心，实现气压数据的测量，最后将两个量程的数据合并形成一个整体的3-1100hPa复合量程的数据。

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 (7)

1.一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，装置包括至少一个第一巨压阻气压传感器阵列、至少一个第二巨压阻气压传感器阵列、信号调理电路、模拟选择器、模数转换器、处理器和GPS无线通信模块；其中，

第一巨压阻气压传感器阵列、第二巨压阻气压传感器阵列分别将采集到的数据信号通过信号调理电路处理后，再利用模拟选择器选通传输给模数转换器进行转换，转换后的数字信号传输给处理器，再通过GPS无线通信模块将数据传输给外部的控制中心；

所述第一巨压阻气压传感器阵列包括4个相同的第一巨压阻气压传感器，第一巨压阻气压传感器包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层，所述绝缘二氧化硅层上表面的四周分别设置有4个正方形截面的硅铝异质结传感单元，每个硅铝异质结传感单元包括自内而外依次嵌套的内层硅、中间层铝和外层硅，硅铝异质结的两端均设置有金属边，每个金属边各自通过引线连接金属片，金属片通过其上引出的电极连接有铝端子；

所述第二巨压阻气压传感器阵列包括4个相同的第二巨压阻气压传感器，第二巨压阻气压传感器包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和绝缘二氧化硅层，所述绝缘二氧化硅层上表面的四周分别设置有4个三角形截面的硅锗异质结传感单元，每个硅锗异质结传感单元包括自内而外依次嵌套的内层硅、中间层锗和外层硅，硅锗异质结的两端均设置有金属边，每个金属边各自通过引线连接金属片，金属片通过其上引出的电极连接有铝端子；

第一巨压阻气压传感器为高空量程的巨压阻气压传感器，第二巨压阻气压传感器为中低空量程的巨压阻气压传感器，第一巨压阻气压传感器阵列为高空量程的巨压阻气压传感器阵列、第二巨压阻气压传感器阵列为中低空量程的巨压阻气压传感器阵列；

测量方法具体如下：

当装置工作时，处理器先判断气压数值在哪个工作范围内，若在450~1100hPa范围内，则选择中低空量程的巨压阻气压传感器阵列T上的数据进行采集；若在3~450hPa范围内，处理器通过地址线A2A1A0控制模拟选择器选择高空量程的巨压阻气压传感器阵列S上的数据进行采集；将选择后的数据通过模数转换器，得到的数字信号再传输给处理器，处理器将数据传递给GPS无线通信模块，并由GPS无线通信模块发送回地面控制中心，实现气压数据的测量，最后将两个量程的数据合并形成一个整体的3-1100hPa复合量程的数据。

2.根据权利要求1所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，所述硅底层的底部向上设置有凹槽，位于凹槽上方的硅底层为受力应变薄膜；高空量程的巨压阻气压传感器具有E型凹槽和受力应变薄膜，中低空量程的巨压阻气压传感器具有C型凹槽和受力应变薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，高空量程的巨压阻气压传感器具有尺寸大于或等于1500µm×1500µm的E型凹槽和厚度小于35µm的受力应变薄膜，中低空量程的巨压阻气压传感器具有尺寸小于或等于900µm×900µm的C型凹槽和厚度大于或等于35µm的受力应变薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，第一巨压阻气压传感器中的四个硅铝异质结传感单元分别设置于绝缘二氧化硅层上表面的四周，其中两个硅铝异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围内，另外两个硅铝异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围外，位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅铝异质结传感单元的连线与位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅铝异质结传感单元的连线互相垂直；位于受力应变薄膜相对应的范围内的两组硅铝异质结传感单元是被测端；位于受力应变薄膜相对应的范围外的两组硅铝异质结传感单元是参考端，通过引线连接至铝端子，构成了具有温度补偿功能的惠斯通电桥，硅铝异质结传感单元具有内外两层接触势垒。

5.根据权利要求1所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，第二巨压阻气压传感器中的四个硅锗异质结传感单元分别设置于绝缘二氧化硅层上表面的四周，其中两个硅锗异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围内，另外两个硅锗异质结传感单元对称放置于受力应变薄膜相对应的范围外，位于受力应变薄膜相对应的范围内两组硅锗异质结传感单元的连线与位于受力应变薄膜相对应的范围外两组硅锗异质结传感单元的连线互相垂直；位于受力应变薄膜相对应的范围内的两组硅锗异质结传感单元是被测端；位于受力应变薄膜相对应的范围外的两组硅锗异质结传感单元是参考端，通过引线连接至铝端子，构成了具有温度补偿功能的惠斯通电桥，硅锗异质结传感单元具有内外两层接触势垒。

6.根据权利要求1所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，第一巨压阻气压传感器阵列和第二巨压阻气压传感器阵列的进气装置的端口增加了滤网，并在通气管道内加装两层海绵。

7.根据权利要求1所述的一种探空巨压阻气压传感器阵列装置的测量方法，其特征在于，模数转换器为AD7794模数转换器，处理器为STM32F429单片机。

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