CN112378553B - 一种在线温控标定的硅压阻压力传感器及其温度标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在线温控标定的硅压阻压力传感器及其温度标定方法，该传感器包括外壳和设置于外壳内的表芯、测温元件、加热元件、恒温结构层、制冷元件、机械支撑结构层、隔热结构层、控制电路与导线；表芯包括芯片和基座，芯片封装在基座上，测温元件设置于表芯上，恒温结构层与基座共同组成第一腔体；加热元件和制冷元件均设置在恒温结构层的外壁上；表芯、测温元件、加热元件均通过导线与控制电路电气连接；机械支撑结构层与基座共同组成第二腔体，第二腔体的外壁上包裹有隔热结构层；隔热结构层和控制电路均与外壳机械连接。本发明能够解决现有传感器无法实现免拆装在线标定的技术问题。

Description

一种在线温控标定的硅压阻压力传感器及其温度标定方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种在线温控标定的硅压阻压力传感器及其温度标定方法。

背景技术

硅压阻压力传感器是硅微压力传感器中技术最成熟的一类，具有体积微小、易于集成、灵敏度高、过载能力强、工艺难度小、成本低等优点，被广泛应用于航空航天、工业控制、消费电子等领域。随着各项技术的高速发展，压力传感器也向着微型化、集成化、智能化、系列化、标准化、高可靠性等方向发展，以实现更多领域的应用。

以半导体硅材料为敏感元件的硅压阻压力传感器具有温度敏感和时间漂移现象，明显影响了传感器的性能指标。为减少以上现象其对传感器性能指标的影响，一般定期对传感器进行标定，即在传感器工作温度范围内设定一系列标定温度点，在各温度点下进行一系列压力点的测量，之后对测试数据进行拟合处理得出标定参数，重新写入传感器电路，实现传感器性能指标的重新标定。

对于常规传感器，要实现定期的标定，一般需要先将其从应用系统中拆卸，置入温箱等装置中提供标定温度点的恒温环境，完成全温标定后再次安装，该方法周期长、效率低，而且传感器在很多应用场合并不方便重复拆装。如果考虑不拆卸传感器的场合，可以在标定实施时，在应用系统中安装一定的恒温控制仪器或装置，该类仪器或装置应用时需要考虑应用系统的设计，其安装与拆卸也较为复杂，控温效果也难以保证，可能会出现敏感结构表芯处温度梯度较大、设置值误差较大等缺陷，同时还可能会对系统的其他元器件造成影响。

发明内容

本发明提供了一种在线温控标定的硅压阻压力传感器及其温度标定方法，能够解决现有传感器无法实现免拆装在线标定的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种在线温控标定的硅压阻压力传感器，所述传感器包括外壳和设置于所述外壳内的表芯、测温元件、加热元件、恒温结构层、制冷元件、机械支撑结构层、隔热结构层、控制电路与导线；

所述表芯包括芯片和基座，所述芯片封装在所述基座上，所述表芯通过所述导线与所述控制电路电气连接；

所述测温元件设置于所述表芯上，且通过所述导线与所述控制电路电气连接；

所述恒温结构层为一侧开口的壳体，所述恒温结构层的开口侧与所述基座机械连接，共同组成包围所述芯片和所述测温元件的第一腔体，所述恒温结构层设有用于通气和引出所述导线的第一通孔；

所述加热元件和所述制冷元件均设置在所述恒温结构层的外壁上，且均通过所述导线与所述控制电路电气连接；

所述机械支撑结构层为一侧开口的壳体，所述机械支撑结构层的开口侧与所述基座机械连接，共同组成包围所述恒温结构层、所述加热元件和所述制冷元件的第二腔体，所述机械支撑结构层设有用于通气和引出所述导线的第二通孔，所述第二腔体的外壁上包裹有所述隔热结构层；

所述隔热结构层与所述外壳机械连接，所述隔热结构层设有用于通气和引出所述导线的第三通孔；

所述控制电路与所述外壳机械连接；

所述外壳设有用于通气和引出所述导线的第四通孔。

优选的，所述控制电路包括信号处理模块、温控模块、通讯模块和电源模块；所述信号处理模块用于采集所述表芯输出的电压信号和所述测温元件输出的模拟温度信号，并分别对所述电压信号和所述模拟温度信号进行处理，得到压力信号和数字温度信号；所述温控模块用于接收所述数字温度信号，并根据所述数字温度信号控制所述加热元件和所述制冷元件工作；所述通讯模块用于接收所述压力信号和所述数字温度信号，并与外部设备进行通讯；所述电源模块与外部供电电气连接，用于给所述信号处理模块、所述温控模块、所述通讯模块、所述表芯、所述测温元件、所述加热元件和所述制冷元件供电。

优选的，所述恒温结构层为轴对称的碗状或箱状结构，所述恒温结构层与所述表芯同轴。

优选的，所述第一通孔设置于所述恒温结构层的侧壁上。

优选的，所述恒温结构层的材料为导热金属材料，所述隔热结构层的材料为粘贴气凝胶的耐高温塑料。

优选的，所述加热元件和所述制冷元件均与所述表芯同轴。

优选的，所述加热元件为微型薄膜加热片，所述微型薄膜加热片通过导热胶粘贴在所述恒温结构层与开口侧相对的外壁上。

优选的，所述制冷元件为半导体制冷片，所述半导体制冷片通过导热胶粘贴在所述恒温结构层的侧壁上。

根据本发明的又一方面，提供了一种在线温控标定的硅压阻压力传感器的温度标定方法，对上述的硅压阻压力传感器进行温度标定。

优选的，所述温度标定方法包括：

S1、计算机输出温度指令至控制电路；

S2、控制电路根据计算机输出的温度指令和测温元件输出的模拟温度信号控制加热元件或制冷元件工作，同时将控制电路输出的数字温度信号反馈至计算机；

S3、计算机判断控制电路输出的数字温度信号是否达到预设控温标准，若是，进入S4，否则，返回S2；

S4、计算机输出保温指令至控制电路，控制电路根据接收的保温指令控制加热元件或制冷元件工作，以实现对第一腔体的恒温控制；

S5、在第一腔体的保温时间达到预设时间的情况下，计算机控制压力控制器对硅压阻压力传感器施加多个标定压力值，硅压阻压力传感器的控制电路分别输出与每个标定压力值一一对应的压力信号和与每个标定压力值一一对应的数字温度信号至计算机，以完成当前温度指令的标定；

S6、判断用于标定的温度指令的数量是否达到预设数量，若是，进入S7，否则调整温度指令并返回S1；

S7、对硅压阻压力传感器的控制电路输出的全部压力信号和全部数字温度信号进行拟合处理，得到标定参数，并将标定参数输入至控制电路中。

应用本发明的技术方案，将测温元件、加热元件、制冷元件、恒温结构层、机械支撑结构层、隔热结构层与表芯进行微型化集成，为表芯搭建恒温控制腔室，并利用控制电路对表芯所处的环境进行恒温控制，有效提升了控温效率与精度，同时结构十分紧凑，集成度高，有利于传感器体积的控制。本发明满足了传感器在系统中免拆装的在线标定需求，提高了工作效率，同时省去恒温控制仪器或装置的配置，扩展了传感器的应用范围。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的一种实施例提供的在线温控标定的硅压阻压力传感器的结构示意图；

图2示出了图1中的控制电路的原理图；

图3示出了根据本发明的一种实施例提供的在线温控标定的硅压阻压力传感器的温度标定方法的流程图；

图4示出了根据本发明的一种实施例提供的在线温控标定的硅压阻压力传感器的温度标定方法的方框图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、表芯；20、测温元件；30、加热元件；40、恒温结构层；50、制冷元件；60、机械支撑结构层；70、外壳；80、隔热结构层；90、控制电路；91信号处理模块；92、温控模块；93、通讯模块；94、电源模块；100、导线；110、压力控制器；120、计算机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明的一种实施例提供的在线温控标定的硅压阻压力传感器的结构示意图。

如图1所示，本发明提供了一种在线温控标定的硅压阻压力传感器，所述传感器包括外壳70和设置于所述外壳70内的表芯10、测温元件20、加热元件30、恒温结构层40、制冷元件50、机械支撑结构层60、隔热结构层80、控制电路90与导线100；

所述表芯10包括芯片和基座，所述芯片封装在所述基座上，所述表芯10通过所述导线100与所述控制电路90电气连接；

所述测温元件20设置于所述表芯10上，且通过所述导线100与所述控制电路90电气连接；

所述恒温结构层40为一侧开口的壳体，所述恒温结构层40的开口侧与所述基座机械连接，共同组成包围所述芯片和所述测温元件20的第一腔体，所述恒温结构层40设有用于通气和引出所述导线100的第一通孔；

所述加热元件30和所述制冷元件50均设置在所述恒温结构层40的外壁上，且均通过所述导线100与所述控制电路90电气连接；

所述机械支撑结构层60为一侧开口的壳体，所述机械支撑结构层60的开口侧与所述基座机械连接，共同组成包围所述恒温结构层40、所述加热元件30和所述制冷元件50的第二腔体，所述机械支撑结构层60设有用于通气和引出所述导线100的第二通孔，所述第二腔体的外壁上包裹有所述隔热结构层80；

所述隔热结构层80与所述外壳70机械连接，所述隔热结构层80设有用于通气和引出所述导线100的第三通孔；

所述控制电路90与所述外壳70机械连接；

所述外壳70设有用于通气和引出所述导线100的第四通孔。

应用本发明的技术方案，将测温元件、加热元件、制冷元件、恒温结构层、机械支撑结构层、隔热结构层与表芯进行微型化集成，为表芯搭建恒温控制腔室，并利用控制电路对表芯所处的环境进行恒温控制，有效提升了控温效率与精度，同时结构十分紧凑，集成度高，有利于传感器体积的控制。本发明满足了传感器在系统中免拆装的在线标定需求，提高了工作效率，同时省去恒温控制仪器或装置的配置，扩展了传感器的应用范围。

图2示出了图1中的控制电路的原理图。

如图2所示，根据本发明的一种实施例，所述控制电路90包括信号处理模块91、温控模块92、通讯模块93和电源模块94；所述信号处理模块91用于采集所述表芯10输出的电压信号和所述测温元件20输出的模拟温度信号，并分别对所述电压信号和所述模拟温度信号进行处理，得到压力信号和数字温度信号；所述温控模块92用于接收所述数字温度信号，并根据所述数字温度信号控制所述加热元件30和所述制冷元件50工作；所述通讯模块93用于接收所述压力信号和所述数字温度信号，并与外部设备进行通讯；所述电源模块94与外部供电电气连接，用于给所述信号处理模块91、所述温控模块92、所述通讯模块93、所述表芯10、所述测温元件20、所述加热元件30和所述制冷元件50供电。

其中，温控模块92基于PID控制原理，通过对比例系数、积分系数及微分系数进行合适的线性组合，根据实时温度数据快速准确地调节加热元件30与制冷元件50，实现两者的协同控制，从而达到控制温度的目的，整个电路形成一个闭环回路，实现实时的反馈调节。比例系数、积分系数及微分系数可以通过试凑法取得，最终选定的参数能够使在线温控标定装置在传感器工作温度范围内实现设定温度点的恒温控制，以此提供在线标定的恒温环境条件。

根据本发明的一种实施例，所述恒温结构层40为轴对称的碗状或箱状结构，所述恒温结构层40与所述表芯10同轴。通过同轴设置，可以使芯片的温度场均匀，以降低控温区域内(也就是第一腔体内)的温度梯度，有利于实现恒温。

根据本发明的一种实施例，所述第一通孔设置于所述恒温结构层40的侧壁上，以避免外部气流直接冲击芯片，以降低控温区域内的温度梯度，有利于实现恒温。

根据本发明的一种实施例，所述恒温结构层40的材料为导热金属材料，有助于温度的传导，降低控温区域内的温度梯度，实现控温区域内的恒温环境；所述隔热结构层80的材料为粘贴气凝胶的耐高温塑料，实现有效隔绝外部环境温度。

举例来讲，所述恒温结构层40的材料采用纯铜加工成型。

在本实施例中，机械支撑结构层60可以采用普通硬铝加工，用于支撑表芯恒温控制腔室结构。

根据本发明的一种实施例，所述加热元件30和所述制冷元件50均与所述表芯10同轴。通过同轴设置，可以使芯片的温度场均匀，以降低控温区域内的温度梯度，有利于实现恒温。

根据本发明的一种实施例，所述加热元件30为微型薄膜加热片，所述微型薄膜加热片通过导热胶粘贴在所述恒温结构层40与开口侧相对的外壁上。

根据本发明的一种实施例，所述制冷元件50为半导体制冷片，所述半导体制冷片通过导热胶粘贴在所述恒温结构层40的侧壁上。

其中，加热元件30和制冷元件50在恒温结构层40上均匀布置。

根据本发明的一种实施例，所述测温元件20为微型铂电阻，微型铂电阻通过导热胶粘贴在紧邻芯片的位置。测温元件20可以采用两只，以提高温度测量精度。

本发明的在线温控标定的硅压阻压力传感器的装配过程如下：首先将两只测温元件20在紧邻芯片的位置用导热胶进行粘接，将恒温结构层40倒扣并通过结构胶粘接在基座上以实现包裹芯片和测温元件20，将两只测温元件20的导线100从恒温结构层40对应的通孔中分别引出；然后将加热元件30通过导热胶紧贴到恒温结构层40顶部的中心位置，制冷元件50通过导热胶紧贴到恒温结构层40四周，两种元件在恒温结构层40上均匀布置；之后将整体装入机械支撑结构层60内，各控温元件的导线100从机械支撑结构层60上对应的通孔中引出；之后在机械支撑结构层60周围包裹填充隔热结构层80，引出的导线100焊接到控制电路90上；最后将所有结构安装到传感器的外壳70上，控制电路90引出的导线100与外部设备进行通讯，即完成硅压阻压力传感器的装配。

本发明还提供了一种在线温控标定的硅压阻压力传感器的温度标定方法，对上述的硅压阻压力传感器进行温度标定。

图3示出了根据本发明的一种实施例提供的在线温控标定的硅压阻压力传感器的温度标定方法的流程图。图4示出了根据本发明的一种实施例提供的在线温控标定的硅压阻压力传感器的温度标定方法的方框图。

如图3和图4所示，根据本发明的一种实施例，所述温度标定方法包括：

S1、计算机120输出温度指令至控制电路90；

S2、控制电路90根据计算机120输出的温度指令和测温元件20输出的模拟温度信号控制加热元件30或制冷元件50工作，同时将控制电路90输出的数字温度信号反馈至计算机120；

S3、计算机120判断控制电路90输出的数字温度信号是否达到预设控温标准，若是，进入S4，否则，返回S2；

S4、计算机120输出保温指令至控制电路90，控制电路90根据接收的保温指令控制加热元件30或制冷元件50工作，以实现对第一腔体的恒温控制；

S5、在第一腔体的保温时间达到预设时间的情况下，计算机120控制压力控制器110对硅压阻压力传感器施加多个标定压力值，硅压阻压力传感器的控制电路90分别输出与每个标定压力值一一对应的压力信号和与每个标定压力值一一对应的数字温度信号至计算机120，以完成当前温度指令的标定；

S6、判断用于标定的温度指令的数量是否达到预设数量，若是，进入S7，否则调整温度指令并返回S1；

S7、对硅压阻压力传感器的控制电路90输出的全部压力信号和全部数字温度信号进行拟合处理，得到标定参数，并将标定参数输入至控制电路90中。

本发明的温度标定方法满足了传感器在系统中免拆装的在线标定需求，提高了工作效率，同时省去恒温控制仪器或装置的配置，扩展了传感器的应用范围。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在线温控标定的硅压阻压力传感器，其特征在于，所述传感器包括外壳(70)和设置于所述外壳(70)内的表芯(10)、测温元件(20)、加热元件(30)、恒温结构层(40)、制冷元件(50)、机械支撑结构层(60)、隔热结构层(80)、控制电路(90)与导线(100)；

所述表芯(10)包括芯片和基座，所述芯片封装在所述基座上，所述表芯(10)通过所述导线(100)与所述控制电路(90)电气连接；

所述测温元件(20)设置于所述表芯(10)上，且通过所述导线(100)与所述控制电路(90)电气连接；

所述恒温结构层(40)为一侧开口的壳体，所述恒温结构层(40)的开口侧与所述基座机械连接，共同组成包围所述芯片和所述测温元件(20)的第一腔体，所述恒温结构层(40)设有用于通气和引出所述导线(100)的第一通孔；

所述加热元件(30)和所述制冷元件(50)均设置在所述恒温结构层(40)的外壁上，且均通过所述导线(100)与所述控制电路(90)电气连接；

所述机械支撑结构层(60)为一侧开口的壳体，所述机械支撑结构层(60)的开口侧与所述基座机械连接，共同组成包围所述恒温结构层(40)、所述加热元件(30)和所述制冷元件(50)的第二腔体，所述机械支撑结构层(60)设有用于通气和引出所述导线(100)的第二通孔，所述第二腔体的外壁上包裹有所述隔热结构层(80)；

所述隔热结构层(80)与所述外壳(70)机械连接，所述隔热结构层(80)设有用于通气和引出所述导线(100)的第三通孔；

所述控制电路(90)与所述外壳(70)机械连接；

所述外壳(70)设有用于通气和引出所述导线(100)的第四通孔；

所述控制电路(90)包括信号处理模块(91)、温控模块(92)、通讯模块(93)和电源模块(94)；所述信号处理模块(91)用于采集所述表芯(10)输出的电压信号和所述测温元件(20)输出的模拟温度信号，并分别对所述电压信号和所述模拟温度信号进行处理，得到压力信号和数字温度信号；所述温控模块(92)用于接收所述数字温度信号，并根据所述数字温度信号控制所述加热元件(30)和所述制冷元件(50)工作；所述通讯模块(93)用于接收所述压力信号和所述数字温度信号，并与外部设备进行通讯；所述电源模块(94)与外部供电电气连接，用于给所述信号处理模块(91)、所述温控模块(92)、所述通讯模块(93)、所述表芯(10)、所述测温元件(20)、所述加热元件(30)和所述制冷元件(50)供电；

所述恒温结构层(40)为轴对称的碗状或箱状结构，所述恒温结构层(40)与所述表芯(10)同轴；

所述加热元件(30)和所述制冷元件(50)均与所述表芯(10)同轴。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一通孔设置于所述恒温结构层(40)的侧壁上。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述恒温结构层(40)的材料为导热金属材料，所述隔热结构层(80)的材料为粘贴气凝胶的耐高温塑料。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述加热元件(30)为微型薄膜加热片，所述微型薄膜加热片通过导热胶粘贴在所述恒温结构层(40)与开口侧相对的外壁上。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述制冷元件(50)为半导体制冷片，所述半导体制冷片通过导热胶粘贴在所述恒温结构层(40)的侧壁上。

6.一种在线温控标定的硅压阻压力传感器的温度标定方法，其特征在于，对权利要求1-5中任一项所述的硅压阻压力传感器进行温度标定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述温度标定方法包括：

S1、计算机(120)输出温度指令至控制电路(90)；

S2、控制电路(90)根据计算机(120)输出的温度指令和测温元件(20)输出的模拟温度信号控制加热元件(30)或制冷元件(50)工作，同时将控制电路(90)输出的数字温度信号反馈至计算机(120)；

S3、计算机(120)判断控制电路(90)输出的数字温度信号是否达到预设控温标准，若是，进入S4，否则，返回S2；

S4、计算机(120)输出保温指令至控制电路(90)，控制电路(90)根据接收的保温指令控制加热元件(30)或制冷元件(50)工作，以实现对第一腔体的恒温控制；

S5、在第一腔体的保温时间达到预设时间的情况下，计算机(120)控制压力控制器(110)对硅压阻压力传感器施加多个标定压力值，硅压阻压力传感器的控制电路(90)分别输出与每个标定压力值一一对应的压力信号和与每个标定压力值一一对应的数字温度信号至计算机(120)，以完成当前温度指令的标定；

S6、判断用于标定的温度指令的数量是否达到预设数量，若是，进入S7，否则调整温度指令并返回S1；

S7、对硅压阻压力传感器的控制电路(90)输出的全部压力信号和全部数字温度信号进行拟合处理，得到标定参数，并将标定参数输入至控制电路(90)中。

Images