CN113295320A - 压力传感器激光调修方法及其压力传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陶瓷压力传感器激光调修的技术领域，特别涉及压力传感器激光调修方法，包括：惠斯通电桥，还包括：并联于所述惠斯通电桥的每一力敏电阻、具有粗/微调节功能的激光调节电路。本发明通过并联可调电阻，具有粗调及细调的功能，可以大幅度提高产品调阻精度，并降低电阻温飘，提高产品温度稳定性，激光调阻后不影响桥路功率，对传感器最大耐压及最大功率有大幅度提升，可满足苛刻使用环境的要求。另，本发明还提供了具有激光调修功能的压力传感器芯片。

Description

压力传感器激光调修方法及其压力传感器芯片
技术领域
本发明涉及陶瓷压力传感器激光调修的技术领域，特别涉及压力传感器激光调修方法及其压力传感器芯片。
背景技术
陶瓷压阻式压力传感器是利用厚膜丝印技术，将具有力敏特性的电子浆料，丝印在陶瓷膜片上，通过合理设计丝印位置及版图，将加在陶瓷膜片的形变转化为电阻的变化，并通过外加的电源，最终以电压的信号输出，后续通过信号放大，信号调理等电路，将膜片所接触到的介质压力，准确地装换为标准的电压或电流信号，或数字信号，从而实现压力测量。
陶瓷压阻式压力传感器具有耐腐蚀，耐高温，抗冲击等特性，广泛应用在汽车，自动化，水/气等介质压力测量的领域。
传统的压阻式压力传感器芯体，其电路设计采用惠斯通电桥电路，在实际印制过程中，其电桥间四个桥臂电阻会存在误差，为保持平衡，通过设计两个可调电阻，与左右各一个桥臂电阻串联，提供激励电压，并在线测试电桥间输出电压，通过激光修调技术，进行在线激光修刻可调电阻，达到电桥输出平衡，在1个标准大气压下(即零点输入)，其桥臂输出零点修调到0mV左右，确保在压力零点，输出为0mV(即零点标定)。
传统的激光调阻对电阻进行修调后，由于丝印技术的先天不足，其修调电阻的变化率有可能超过50％可调电阻值以上的修调范围，由于修调长度过长，将会影响传感器的稳定性及温飘，并且在调阻时，由于激光步距的限制，容易过冲，在后续工艺的影响下，其最终零点输出会超过2mv及以上，对产品稳定性，温飘系数，功率等品质有较大影响，严重影响产品的合格率。
传统的压阻式压力传感器电路原理图请参见图1，其中R1-R4 为力敏电阻，即为感应电阻，形成惠斯通电桥，VR1,VR2为激光修调电阻，在受到压力形变影响下，电桥一端输出电压(输出-)下降，一端输出电压(输出-)上升，在一定压力范围内，其电压差的输出值与压力量程成正比，约2-4mV/V的满量程输出值，在5V电压下，其输出约为10-20mV。
激光调阻原理为：如在压力零点检测到电桥失衡，例如输出为负值，设为-20mV，则通过激光将VR1电阻调大，由分压原理，使输出负端电压下降，使输出负端电压与正端相等，是电桥输出为 0mV附近。反之，输出为正，则通过激光调节VR2，使输出为0mV。
由于电阻体的电阻值的大小，由公式
Figure BDA0003133422010000021
决定，其中
Figure BDA0003133422010000022
为电阻率，L为电阻长度，S为电阻横截面面积，S＝w*d,w为电阻体宽度，d为电阻体厚度，激光调阻的原理为，通过激光(红外，绿光，紫光等)，刻蚀厚膜电阻，将电阻体一部分气化，烧蚀掉，在公式中，即将宽度缩小，那么电流通过电阻体的横截面S会减少，电阻阻值响应增加，以达到目标值，这是激光调阻的原理所在。
再请结合图2的激光调阻示意图，由于激光调阻的激光束激光点的直径由波长及光路决定，以及效率的要求，激光点的光斑大小无法做到非常小，另外由激光振镜所决定的，其切割的步距也不可能无限小，在固定光斑及步距的切割下，在步距相等的情况下，可调电阻的变化率是快速上升的，尽管可以调节切割速度，有切割原理及电阻公式可知，可调电阻的阻值变化是非线性的，其变化率△ R会越来越快，在这种情况下，非常容易产生超调的现象，这对精密调阻非常不利。现有技术的调阻精度无法到0.1％以内的精度，而压力传感器电桥平衡要求的精度在0.05％左右，并且由于温飘及稳定性要求，包括调阻后印保护层后的飘移要求等，对调阻深度及激光切槽的宽度有严格要求，直接串联调阻达不到此项要求。会存在精度不够，温飘过大，不稳定等因素。导致传感器性能飘移(时飘)，温飘等现象。
为此，亟需提供压力传感器激光调修方法及其压力传感器芯片来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的主要目的在于提供供压力传感器激光调修方法，并联可调电阻，具有粗调及细调的功能，可以大幅度提高产品调阻精度，并降低电阻温飘，提高产品温度稳定性，激光调阻后不影响桥路功率，对传感器最大耐压及最大功率有大幅度提升，可满足苛刻使用环境的要求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
压力传感器激光调修方法，包括：惠斯通电桥，还包括：并联于所述惠斯通电桥的每一力敏电阻、具有粗/微调节功能的激光调节电路。
优选地，每一所述激光调节电路均包括：连接于电压输入端、且与所述力敏电阻并联的激光粗调电阻，及与所述力敏电阻并联、且与所述激光粗调电阻串联的激光细调电阻。
优选地，所述压力传感器电压差的输出值与压力量程呈正比、满量程输出值为2mV/V-4mV/V。
优选地，所述激光调节电路的调节电阻的阻值为所述力敏电阻的阻值的4-5倍。
优选地，所述激光调节电路引起的电阻飘移△R1为惠斯通电桥桥臂电阻阻值的1/4-1/5。
本发明的有益相关为：通过在每一所述力敏电阻并接所述激光调节电路，在相同激光步距下，由调节电路引起的调阻相对变化量与传统串联方式要小很多。另外，通过严格控制所述调节电路的调阻变化率限值，通过此电路，可以大幅度提高产品调阻精度，并降低电阻温飘，提高产品温度稳定性，更进一步地，本发明激光调阻后不影响桥路功率，对压力传感器最大耐压及最大功率有大幅度提升，可满足苛刻使用环境的要求。
相对应地，本发明还提供了具有上述激光调修功能的压力传感器芯片，包括芯片本体，及成型于所述芯片本体周侧的定位部，还包括：对称地设置于所述芯片本体上、连接成惠斯通电桥的力敏电阻，设于所述芯片本体上、且设于所述力敏电阻上端的若干调节电阻。
优选地，所述若干调节电阻包括：设置于所述芯片本体上、一端与所述力敏电阻并联连接的粗调电阻，及设于所述芯片本体上、一端与所述粗调电阻串联连接、另一端与所述力敏电阻并联连接的微调电阻。
优选地，所述调节电阻的面积大于所述力敏电阻的面积。
优选地，所述粗调电阻呈长条型。
优选地，所述微调电阻呈T型。
本发明的所述压力传感器芯片，具有大幅度提高产品调阻精度，并降低电阻温飘，提高产品温度稳定性，更进一步地，本发明激光调阻后不影响桥路功率，对压力传感器最大耐压及最大功率有大幅度提升，可满足苛刻使用环境的要求。
附图说明
图1为背景技术中传统的压阻式压力传感器电路原理图。
图2为背景技术中激光调阻示意图。
图3为本发明压力传感器激光调修方法一实施例的电路原理图。
图4为本发明具有激光调修功能的压力传感器芯片一实施例的外观示意图。
说明书附图标号说明:
1-惠斯通电桥，11-力敏电阻，2-激光调节电路，1’-芯片本体，2’-力敏电阻，11’-定位部，3-调节电阻，31-粗调电阻，32-微调电阻。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
需要说明的是，当元件被称为“连接于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，本申请的名词介绍如下：
1、陶瓷压力传感器：采用陶瓷材料作为感应压力形变的传感器。
2、惠斯通电桥：由四个电阻两两头尾组成的电阻网络。
3、零点输出：在压力为零时，电桥输出电压，理论值为0。
4、激励电压：加载在惠斯通电桥上，用于提供传感器变化的电压源的值。
5、激光调阻：通过激光高温烧灼，气化，及在线检测，将厚膜电阻的阻值调到目标值的技术。
6、温飘：指在不同温度下，传感器的输出跟温度之间的变化关系，即△V/△T,其值越小越好。
实施例1：请参考图3，本实施例的所述压力传感器的激光调修方法，包括：惠斯通电桥1，及并联于所述惠斯通电桥1的每一力敏电阻11、具有粗/微调节功能的激光调节电路2。
在一些优选实施例中，所述惠斯通电桥1包括两两首位连接的 4个力敏电阻R1、力敏电阻R2、力敏电阻R3和力敏电阻R4，所述力敏电阻R1和所述力敏电阻R3的连接端连接电压输入端，所述力敏电阻R2和所述力敏电阻R4的连接端接地，所述力敏电阻R1 和所述力敏电阻R2的连接处为一电压输出端(输出-)，所述力敏电阻R3和所述力敏电阻R4的连接处为另一电压输出端(输出+)。
优选实施例中，每一所述激光调节电路2均包括：连接于所述电压输入端、且与所述力敏电阻并联的激光粗调电阻，及与所述力敏电阻并联、且与所述激光粗调电阻串联的激光细调电阻。具体地，一所述激光调节电路2包括：并联于所述力敏电阻R1的激光粗调电阻VR1，及与所述力敏电阻R1并联、且与所述激光微调电阻VR1 串联的激光细调电阻VR3。并联所述力敏电阻R3的激光调节电路 2包括：与所述力敏电阻R3并联的激光粗调电阻VR5，及并联所述力敏电阻R3且与所述激光粗调电阻VR5串联的激光细调电阻 VR7。并联所述力敏电阻R2的激光调节电路2包括：与所述力敏电阻R2并联的激光粗调电阻VR2，及并联所述力敏电阻R2且与所述激光粗调电阻VR2串联的激光细调电阻VR4。另一激光调节电路2包括：与所述力敏电阻R4并联的激光粗调电阻VR6，及与所述力敏电阻R4并联和与所述激光粗调电阻VR6串联的激光细调电阻VR8。更具体地，在受到压力形变影响下，所述惠斯通电桥一端输出电压(输出-)下降，另一端输出电压(输出-)上升，在一定压力范围内，其电压差的输出值与压力量程成正比，约 2mV/V-4mV/V的满量程输出值，在5V电压下，其输出约为10mV -20mV，与传统压力传感器输出相同。将所述激光调节电路2设置为包括微调电阻和细调电阻的初调与细调相结合的方式，在相同的激光步距下，输出电压的值，变化量较少，调阻精度大幅度提升，在温飘及时飘方面，较传统设计大幅度减少，稳定性得到提升。进一步地，由于所述激光调节电路2的电阻均为并联可调电阻，且所述激光调节电路的调节电阻的阻值为所述力敏电阻的阻值的4-5 倍，若桥臂电阻(力敏电阻)为R0，即图3中R1＝R2＝R3＝R4＝R0，可调电阻之和的值等于R1，由并联电阻公式，桥臂等效电阻阻值 R＝R1*R0/(R1+R0)，其中R1为可调电阻为40-50K左右，R0为10K 左右，需要说明的是力敏电阻的大小由丝印精度及烧结参数决定。由激光调阻所引起的力敏电阻R1飘移△R1，所导致桥臂等效电阻的变化约为：△R＝(R1+△R1)*R0/(R1+△R1+R0)，由于R1约等于 4*R0或5*R0，△R1可调电阻大约为桥臂电阻的1/4-1/5，而传统的串联调阻方式，其桥臂电阻由R＝R1+R0组成，其电阻变化率所引起的变化量直接影响到桥臂电阻，在相同激光步距下，由本发明所引起的调阻相对变化量与传统串联方式要小很多。
从以上描述可以看出，本发明的压力传感器激光调修方法，具有相同的激光步距下，输出电压的值，变化量较少，调阻精度大幅度提升，在温飘及时飘方面，较传统设计大幅度减少，稳定性得到提升的特点，采用并联电阻且分粗调电阻及细调电阻，并严格控制调阻变化率限值，可以大幅度提高产品调阻精度，并降低电阻温飘，进一步提高产品温度稳定性。另外，由于本并联电阻的设计面积比力敏电阻要大，激光调阻后不影响桥路功率，对传感器最大耐压及最大功率有大幅度提升，可满足苛刻使用环境的要求。
实施例2：
请结合图4，本实施例的具有激光调修功能的压力传感器芯片，包括：包括芯片本体1’，成型于所述芯片本体1’周侧的定位部11’，对称地设置于所述芯片本体1’上、连接成惠斯通电桥的力敏电阻2’，及设于所述芯片本体1’上、且设于所述力敏电阻2’上端的若干调节电阻3。
在一些优选实施例中，所述若干调节电阻3包括：设置于所述芯片本体1’上、一端与所述力敏电阻2’并联连接的粗调电阻31，及设于所述芯片本体1’上、一端与所述粗调电阻31串联连接、另一端与所述力敏电阻2’并联连接的微调电阻32，所述调节电阻3 的面积大于所述力敏电阻2’的面积。具体地，所述粗调电阻31呈长条型，所述微调电阻32呈T型。
本发明的压力传感器芯片，通过在所述芯片本体1’上设置所述力敏电阻2’，并在每一所述力敏电阻2’上并接所述粗调电阻 31和所述微调电阻32，使得本产品，在相同激光步距下，由本发明所引起的调阻相对变化量与传统串联方式要小很多，另外，可严格控制调阻变化率限值，大幅度提高产品调阻精度，并降低电阻温飘，提高产品温度稳定性。进一步地，由于本所述微调电阻32余所述粗调电阻31的设计面积比敏感电阻要大，激光调阻后不影响桥路功率，对传感器最大耐压及最大功率有大幅度提升，可满足苛刻使用环境的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.压力传感器激光调修方法，包括：惠斯通电桥，其特征在于，还包括：并联于所述惠斯通电桥的每一力敏电阻、具有粗/微调节功能的激光调节电路。
2.如权利要求1所述的压力传感器激光调修方法，其特征在于，每一所述激光调节电路均包括：连接于电压输入端、且与所述力敏电阻并联的激光粗调电阻，及与所述力敏电阻并联、且与所述激光粗调电阻串联的激光细调电阻。
3.如权利要求1或2所述的压力传感器激光调修方法，其特征在于，所述压力传感器电压差的输出值与压力量程呈正比、满量程输出值为2mV/V-4mV/V。
4.如权利要求1或2所述的压力传感器激光调修方法，其特征在于，所述激光调节电路的调节电阻的阻值为所述力敏电阻的阻值的4-5倍。
5.如权利要求1所述的压力传感器激光调修方法，其特征在于，所述激光调节电路引起的电阻飘移△R1为惠斯通电桥桥臂电阻阻值的1/4-1/5。
6.具有如权利要求1所述的激光调修功能的压力传感器芯片，包括芯片本体，及成型于所述芯片本体周侧的定位部，其特征在于，还包括：对称地设置于所述芯片本体上、连接成惠斯通电桥的力敏电阻，设于所述芯片本体上、且设于所述力敏电阻上端的若干调节电阻。
7.如权利要求6所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述若干调节电阻包括：设置于所述芯片本体上、一端与所述力敏电阻并联连接的粗调电阻，及设于所述芯片本体上、一端与所述粗调电阻串联连接、另一端与所述力敏电阻并联连接的微调电阻。
8.如权利要求6所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述调节电阻的面积大于所述力敏电阻的面积。
9.如权利要求7所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述粗调电阻呈长条型。
10.如权利要求7或9所述的压力传感器芯片，其特征在于，所述微调电阻呈T型。
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