CN114046927B - 一种闭环气压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种闭环气压传感器，包括气压敏感结构和闭环控制电路。所述气压敏感结构包括：衬底，下电极，反馈加热电阻，锚区，敏感膜和上电极。其中，上电极结构包括敏感上电极和电极引出；下电极结构包括敏感下电极和电极引出。闭环控制电路，所述闭环控制电路包括：交流电源，气压敏感电容，电容，运放，三极管，反馈加热电阻。本发明通过闭环控制方式，在灵敏度不减小的前提下，气压传感器的满量程线性度得到改善；通过闭环控制电路的调节，气压传感器可以获得比开环状态更大的测量范围。

Description

一种闭环气压传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种闭环气压传感器。

背景技术

气压传感器用来测量气体的绝对压强，被广泛应用于工业生产、科学研究和日常生活中。气压传感器的类型很多，针对的应用场景也各不相同，主要工作原理包括：压阻式、电容式、压电式、霍尔效应等。其中，电容式气压传感器是各种气压传感器中最为常见的一种。

电容式气压传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测气压转换成电容值改变的气压传感器。这种气压传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受气压而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式气压传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式气压传感器和差动电容式气压传感器。单电容式气压传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在气压的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和气压成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。差动电容式气压传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在气压的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。

电容式气压传感器存在的一个问题是敏感膜形变较大时会导致输出的非线性增大。通过将敏感膜设计成中间厚四周薄的形状可以改善电容式气压传感器的非线性问题，但是其灵敏度会下降。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种闭环气压传感器，以解决现有电容式气压传感器的非线性及灵敏度的问题。

本发明提出的闭环气压传感器的技术方案如下：

一种闭环气压传感器，所述闭环气压传感器包括气压敏感结构以及与所述气压敏感结构电连接的闭环控制电路；其中：

所述气压敏感结构包括：

衬底；

设置在所述衬底上的锚区，形成在所述锚区上表面的敏感膜；

所述锚区与所述敏感膜构成密闭腔体；

下电极，设置在所述密闭腔体内的所述衬底上；

反馈加热电阻，临近所述下电极设置在所述密闭腔体内的所述衬底上；

上电极，设置在所述敏感膜的上表面；

所述闭环控制电路包括：

交流电源，所述交流电源连接于所述气压敏感结构的上电极或下电极；

运放，所述运放的正相输入端连接于所述气压敏感结构的上电极或下电极；

推挽放大电路，所述推挽放大电路包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的基极连接于所述运放的输出端，所述第二三极管的发射极连接于电源电压、所述第二三极管的集电极连接于所述反馈加热电阻；

电容，所述电容跨接于所述运放的正相输入端和输出端。

可选地，所述上电极包括敏感上电极和上电极引出端，所述敏感上电极设置于所述敏感膜的中央区域。

可选地，所述下电极包括敏感下电极及下电极引出端，所述敏感下电极设置于所述密闭腔体内的所述衬底上且对应于所述敏感上电极的位置。

可选地，所述反馈加热电阻为折叠结构。

可选地，所述敏感膜、所述敏感上电极、所述敏感下电极为圆形或者矩形。

可选地，所述反馈加热电阻的材质包括铂。

可选地，还包括第一电阻，所述第一电阻跨接于所述运放的正相输入端和输出端；和/或，还包括第二电阻，所述第二电阻连接于所述运放的输出端与所述第一三极管的基极；和/或，还包括第三电阻，所述第三电阻连接于所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的基极。

可选地，所述第一三极管为NPN三极管，所述第二三极管为PNP三极管。

本发明还提出一种利用闭环气压传感器进行气压检测的方法，包括以下步骤：

测量前，对所述闭环气压传感器的输出电压进行标定，建立气压对应输出电压的关系；

测量时，将采集的输出电压与标定值进行对比，获得所测量的气压值。

可选地，所述标定使用标准气压箱进行。

与现有技术相比，本发明所提出的技术方案至少具有以下有益效果：

（1）通过闭环控制方式，敏感膜的运动范围减小，只在初始位置附近的线性区内运动，因此在灵敏度不减小的前提下，气压传感器的满量程线性度得到改善；

（2）开环状态气压传感器的测量范围取决于敏感膜的运动范围，而闭环状态气压传感器的测量范围不仅取决于敏感膜的运动范围，还取决于反馈电路的反馈深度，因此通过闭环控制电路的调节，气压传感器可以获得比开环状态更大的测量范围。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明其中一实施例的闭环气压传感器结构剖面图；

图2是本发明其中一实施例的闭环气压传感器结构顶视图；

图3是本发明其中一实施例的闭环气压传感器结构底视图

图4是本发明其中一实施例的闭环气压传感器的闭环读出电路原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提出一种闭环气压传感器，闭环气压传感器包括：

气压敏感结构以及与所述气压敏感结构电连接的闭环控制电路；其中：

所述气压敏感结构包括：

衬底1；该衬底比如是带表面氧化层的硅；

设置在所述衬底1上的锚区4，形成在所述锚区4上表面的敏感膜2；其中，该锚区例如是多晶硅，采用先气相沉积再光刻刻蚀的方法形成；敏感膜例如是二氧化硅，采用先沉积再光刻刻蚀的方法形成；

所述锚区4与所述敏感膜2构成密闭腔体；

下电极5，设置在密闭腔体内的衬底1上；

反馈加热电阻6，临近下电极5设置在所述密闭腔体内的所述衬底1上；

上电极3，设置在所述敏感膜2的上表面；

所述闭环控制电路包括：

交流电源7，所述交流电源7连接于所述气压敏感结构的上电极3或下电极5；

运放10，所述运放10的正相输入端连接于所述气压敏感结构的上电极3或下电极5；

第一三极管14和第二三极管15，第一三极管14的基极通过第二电阻12连接于运放10的输出端、集电极通过第三电阻13连接于第二三极管15的基极；第二三极管15的发射极连接于电源电压、集电极连接于反馈加热电阻6；

电容9和第一电阻11，电容9和第一电阻11跨接于所述运放10的正相输入端和输出端，电容9、第一电阻11、运放10将气压敏感电容转换为电压信号。

可选地，所述上电极3包括敏感上电极3A和上电极引出端3B，其中，敏感上电极3A设置于敏感膜2的中央区域。

可选地，所述下电极5包括敏感下电极5A及下电极引出端5B，所述敏感下电极5A设置于所述密闭腔体内的所述衬底上且对应于所述敏感上电极的位置，即敏感下电极5A与敏感上电极3A构成气压敏感电容8的上下两极。作为本发明的优选方案：敏感膜2、敏感上电极3A、敏感下电极5A的典型形状为圆形或矩形。

可选地，所述反馈加热电阻6为折叠结构。反馈加热电阻6例如是铂，可采用溅射和光刻剥离工艺形成。

如图4所示，闭环控制电路的气压敏感电容8一端接交流电源7，另一端接运放10正相输入端；电容9和第一电阻11跨接在运放10的正相输入端和输出端；运放10的输出端通过第二电阻12连接到第一三极管14的基极；第一三极管14的集电极通过第三电阻13连接于第二三极管15的基极；第二三极管15的发射极连接于电源电压、集电极连接于反馈加热电阻6。

其中，第一三极管14例如为NPN三极管，第二三极管15例如为PNP三极管。

本发明所提出的一种闭环气压传感器的工作原理为：

气压敏感原理：当环境气压增大时，由于敏感结构内外的压差，敏感膜2向下弯曲，上电极3和下电极5之间的间隙减小，敏感电容增大；当环境气压减小时，由于敏感结构内外的压差，敏感膜2向上弯曲，上电极3和下电极5之间的间隙增大，敏感电容减小。

闭环控制原理：当气压敏感电容8增大时，运放10输出电压增大，通过第二电阻12使第一三极管14的基极输入电流增大，该电流被第一三极管14和第二三极管15组成的推挽放大电路增大，使反馈加热电阻6发热量增大，加热电阻发热增大使得密闭腔气压增大，敏感膜2向上弯曲，从而使气压敏感电容8减小；反之，当气压敏感电容8减小时，运放10输出电压减小，反馈加热电阻6发热量减小，加热电阻发热减小使得密闭腔气压减小，敏感膜2向下弯曲，从而使气压敏感电容8增大。

本发明还提出一种利用闭环气压传感器进行气压检测的过程：

测量前，使用标准气压箱对传感器的输出电压进行标定，建立不同气压对应输出电压的关系。测量时，将读到的输出电压与标定值进行对比，可以得到当前测量的气压值。

与现有技术相比，本发明所提出的技术方案至少具有以下有益效果：

（1）通过闭环控制方式，在灵敏度不减小的前提下，气压传感器的满量程线性度得到改善；

（2）通过闭环控制电路的调节，气压传感器可以获得比开环状态更大的测量范围。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种闭环气压传感器，其特征在于，所述闭环气压传感器包括气压敏感结构以及与所述气压敏感结构电连接的闭环控制电路；其中：

所述气压敏感结构包括：

衬底；

设置在所述衬底上的锚区，形成在所述锚区上表面的敏感膜；

所述锚区与所述敏感膜构成密闭腔体；

下电极，设置在所述密闭腔体内的所述衬底上；

反馈加热电阻，设置在所述密闭腔体内的所述衬底上；

上电极，设置在所述敏感膜的上表面；

所述闭环控制电路包括：

交流电源，所述交流电源连接于所述气压敏感结构的上电极或下电极；

运放，所述运放的正相输入端连接于所述气压敏感结构的上电极或下电极；

推挽放大电路，所述推挽放大电路包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的基极连接于所述运放的输出端，所述第二三极管的发射极连接于电源电压、所述第二三极管的集电极连接于所述反馈加热电阻；

电容，所述电容跨接于所述运放的正相输入端和输出端。

2.根据权利要求1所述的一种闭环气压传感器，其特征在于：所述上电极包括敏感上电极和上电极引出端，所述敏感上电极设置于所述敏感膜的中央区域。

3.根据权利要求2所述的一种闭环气压传感器，其特征在于：所述下电极包括敏感下电极及下电极引出端，所述敏感下电极设置于所述密闭腔体内的所述衬底上且对应于所述敏感上电极的位置。

4.根据权利要求3所述的一种闭环气压传感器，其特征在于：所述反馈加热电阻为折叠结构。

5.根据权利要求3所述的一种闭环气压传感器，其特征在于：所述敏感膜、所述敏感上电极、所述敏感下电极为圆形或者矩形。

6.根据权利要求4所述的一种闭环气压传感器，其特征在于：所述反馈加热电阻的材质包括铂。

7.根据权利要求1所述的一种闭环气压传感器，其特征在于：还包括第一电阻，所述第一电阻跨接于所述运放的正相输入端和输出端；和/或，还包括第二电阻，所述第二电阻连接于所述运放的输出端与所述第一三极管的基极；和/或，还包括第三电阻，所述第三电阻连接于所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的基极。

8.根据权利要求1或7所述的一种闭环气压传感器，其特征在于：所述第一三极管为NPN三极管，所述第二三极管为PNP三极管。

9.一种利用权利要求1-8任一项闭环气压传感器进行气压检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量前，对所述闭环气压传感器的输出电压进行标定，建立气压对应输出电压的关系；

测量时，将采集的输出电压与标定值进行对比，获得所测量的气压值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述标定使用标准气压箱进行。

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