CN201993195U - 可输出多个参量的硅电容差压传感器 - Google Patents
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Abstract
可输出多个参量的硅电容差压传感器，在传感器压力腔内，设置硅电容差压敏感单元、压力敏感单元及温度敏感单元，改变硅电容差压传感器原单一的差压输出形式，实现单一传感器测量现场的多参数测量输出；同时后部处理电路利用压力单元及温度单元提供的测量现场的压力信号和温度信号的测量值，通过数字补偿对硅电容差压单元输出的差压输出参量进行静压和温度影响的补偿处理，有效消除静压、温度等附加误差。这种传感器的综合精度，成本低，大大提高了电容传感器的性价比，对硅电容传感器的批量生产极为有利。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器制造及其信号处理技术，可输出多个参量的硅电容差压传感器。
背景技术
硅电容差压传感器是一种新型的结构型差压传感器，核心敏感器件采用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作，由于硅材料弹性体的材料的自身优势，使硅电容传感器与以往的金属电容传感器相比，在测量精度、稳定性等方面都具有更加明显的优势。硅电容传感器的核心敏感器件把外加的两个压力信号转换为相应的电容变化，检测电路则把电容的变化转换为需要的电信号，对该电信号进行处理就可以得到相应的输出信号。
对于差压传感器来说，在理想情况下其输出与外加压力差敏感，对压力值不敏感，即差压传感器的静压影响应该很小。但实际情况中，许多因素都会造成差压传感器的输出信号受到静压的影响，这种静压影响对传感器的差压测量结果造成一种附加误差，直接影响传感器的综合测量精度。为了提高差压传感器的综合精度，有必要降低差压传感器的静压影响。另外，现有技术中，电容差压传感器通常都是单参量输出，即单一量输出对应差压输入信号，无静压和温度等参数输出信息，使得传感器的后补偿技术受到了限制，也无法满足工业现场需要的提供多个参数的要求。
随着我国工业过程控制技术的智能化发展，工业控制仪表对多参数、高精度的传感器的需求量日益增长，多参数输出传感器逐步取代单一参量输出传感器已成为必然的趋势，同时也对传感器实现高精度测量提出了更高的要求。因此在传感器的设计上增加多参数测量单元，并通过补偿技术降低传感器的静压影响，提高传感器的综合精度十分必要。
目前，有效降低电容差压传感器的静压影响的基本方法是：1、通过优化传感器的设计及制造工艺，从根本上直接提高传感器的静压指标。该方法对传感器的设计及制造工艺乃至工艺装备要求更高，对实现的条件要求更苛刻，实现难度大，有时在一定条件下难以持续降低静压影响，在一定的瓶颈条件下可能造成技术停步，并导致生产成本难以进一步下降。2、采用软硬件结合的补偿技术，通过快速发展的数字化处理技术，提高电容传感器的静压指标。这种方法对设计及工艺装备依赖较低，相对易于实现。还可以把某些静压指标不满足要求的电容传感器通过静压补偿技术转变为符合要求的传感器，从而提高传感器的综合精度，提高成品率，降低产品的生产成本。目前，关于硅电容多功能差压传感器静压影响补偿方法的内容未见到公开报道。
发明内容
本实用新型目的是提供可输出多个参量的硅电容差压传感器，实现单一传感器同点的多参数输出及输出特性的高精度测量，有效消除静压、温度等附加误差，提高电容传感器的综合测量精度。
多参数输出的硅电容差压传感器，在硅电容敏感芯体管座内设置差压测量敏感元件、静压敏感元件和温度敏感元件，其特征在于将集静压、温度敏感元件为一体的压力温度传感器置于硅电容敏感芯体的烧结管座上，将各个敏感元件的输出电极分别通过硅铝丝压焊与烧结管座的对应引脚相连，并与检测电路相连，将各敏感元件封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中；该传感器的两引压口分别与受压部的高压腔和低压腔相连，外加压力通过传感器内部的充灌液传递到敏感单元。通过三个参量敏感单元及后部转换及数字处理技术实现单一传感器同点的多参数输出；同时利用产生的静压参量和温度参量通过转换电路和数据补偿处理电路的处理实现对差压测量参量的补偿校正。
差压敏感单元1a的结构，中心硅极板1a-1为双面抛光的硅单晶片上采用微机械加工工艺制作，中间有一个和膜区相连的可以上下移动的质量块1a-8，固定极板1a-2由双抛玻璃制作，先在玻璃上加工出导压孔1a-7再采用溅射、光刻等工艺在表面形成电极层1a-6，同时在导压孔1a-7中形成金属连线，做为玻璃固定极板电极的引出连线，玻璃底板1a-3和玻璃极板1a-2相连，在其边有压焊点1a-9以便实现电容下极板的电极引出，硅中心极板1a-1与玻璃固定极板1a-2、玻璃底板1a-3与导压管1a-4采用静电封接工艺连接在一起，玻璃固定极板1a-2与玻璃底板1a-3之间采用导电胶相连，导压管1a-4和传感器底座7之间采用焊接工艺实现气密连接；采用压焊工艺在焊点1a-9和烧结端子6之间形成硅铝丝连线1a-10做为电容电极引出，最后将差压敏感单元1a装入基座7内；在基座7内有硅油作为外界压力的传导介质。
本实用新型的突出贡献是：
1、在硅电容差压传感器中引入静压敏感单元，由静压敏感单元测试出测试现场的静压量值，经过处理补偿电路的数字处理利用静压测量值对硅电容差压敏感单元的测量值进行数字补偿，实现硅电容差压传感器的静压影响补偿，提高传感器的综合精度。
2、改变硅电容差压传感器单一的差压量输出形式，通过增加静压敏感单元和温度敏感单元，实现了硅电容差压传感器的测试现场的多参量输出。本新型硅电容差压传感器可实现对现场的差压、压力、温度量的测量，通过个敏感单元的封装集成，提高了硅电容差压传感器的综合性能价格比。本方法简便易操作，成本低，对电容传感器的批量生产极为有利。
附图说明
图1为本新型多参量硅电容差压传感器结构示意图；
图2为硅电容差压敏感单元结构剖视图；
图3为静压-温度敏感单元结构装配剖视图；
图4为静压-温度敏感单元结构装配俯视图；
图5为多参量硅电容差压传感器补偿原理图；
图6为多参量硅电容差压传感器静压补偿模块框图；
图7为静压敏感单元和温度敏感单元其结构细节。
具体实施方式
可输出多个参量的硅电容差压传感器，其功能原理见图5，在硅电容差压传感器的敏感模块1内设置了3个敏感元件，分别为差压敏感单元1a、静压敏感单元1b、温度单元1c，外部环境监测量有差压量Pd、静压量Ps、温度量T，通过三个敏感单元分别转换为电参量输出，其中差压敏感单元输出电参量Upd除了反映差压量Pd的影响外还受到静压 Ps和温度T的影响，而静压敏感单元的输出电参量Ups除反映静压Ps外还受到温度T的影响，三个参量Upd、Ups、Ut通过通过数据采集信号转换模块2转换为数字量，由数据处理补偿转换模块进行数字补偿处理，最终形成对应差压Pd、静压Ps、温度T的三个电参量Xd、Xs、Xt信息，其中Xd只与差压Pd有关，不受Ps的影响，即在实现多个参量测量的同时，还实现静压和温度的补偿。整个过程可以通过多元方程组形式表示。其表达式如下：
Upd＝f1(Pd，Ps，T) (1)
Ups＝f2(Ps，T) (2)
Ut＝f3(T) (3)
Xd＝f4(Upd，Ups，Ut) (4)
Xs＝f5(Ups，Ut) (5)
Xt＝f6(Ut) (6)
其中Upd是差压元件输出值
Ups是静压元件输出值
Ut是温度元件输出值
Pd是外加差压值
Ps是外加静压值
T是外加温度值
Xp是传感器差压输出差压量
Xs是传感器静压输出静压值
Xt是传感器温度输出值
在传感器的生产补偿验证过程中，Pd、Ps、T为已知的外输入量，Xp、Xs、Xt为最终传感器输出的三个经数据补偿处理后的电参量。电参量Upd、Ups、Ut为敏感单元转换出的已知量，通过方程(1)～(6)建立Xp、Xs、Xt与Pd、Ps、T对应关系。在传感器的实际应用过程中，利用得出的对应关系，通过传感器的输出参量Xp、Xs、Xt及敏感单元输出量Upd、Ups、Ut可明确测试出外部环境量Pd、Ps、T。从而实现了传感器的多参量输出的同时，实现差压的静压补偿，进而提高传感器的综合测量精度。
在图5中，传感器模块1实现外加物理信号的转换，本设计设置的静压单元1b把外部静压转换成电信号Ups，该信号对实现差压传感器的静压影响消除是必不可少的。2数据采集信号转换模块2把差压敏感单元1a输出的电容信号、静压敏感单元1b输出的电压信号、温度敏感单元1c输出的电阻信号转变成相应的电信号，并把模拟量的电信号转变成数字量输出。再由后面的数据处理补偿转换模块3对数据采集信号转换模块2输出的数 字量进行数据处理、补偿、校正，最后形成传感器的测量输出值。
实施例1的硅电容差压传感器结构见图1，其特征在于：传感器基座7内封装有差压敏感单元1a，差压敏感单元1a通过其组件之一的金属导压管1a-4固定在传感器基座7内，其输出通过烧结引线6联通到数据采集及转换模块2。差压敏感单元1a的更详细结构见如图2；在基座7上面有一烧结端子8，在内表面处装有静压敏感单元1b、温度敏感单元1c，其各自的输出通过烧结引线6联通到数据采集及转换模块2，烧结端子8及其上的静压敏感单元1b和温度敏感单元1c的结构细节见图3及图4。数据采集转换模块2通过数据传输线10与处理补偿转换模块3相连，模块2和模块3的更详细的组成见图6。传感器基座7下部有高压腔a和低压腔b，外部压力P1通到高压腔a并传导到差压敏感单元1a正腔、静压敏感单元1b，外部压力P2通到负压腔并传到到差压敏感单元1a的负腔。
图2表示传感器结构图1中的差压敏感单元1a结构的细节。该结构从上到下的顺序：由玻璃固定极板1a-2、硅中心极板1a-1、玻璃固定极板1a-2、玻璃底板1a-3、导压管1a-4、底座7等组成。中心极板1a-1为双面抛光的硅单晶片，中间有一个和膜区相连的可以上下移动的质量块1a-8，在右侧有压焊点1a-9实现极板的电极引出。固定极板1a-2由双抛玻璃制作，在中心有穿透玻璃的导压孔1a-7，玻璃极板及导压孔表面有电极层1a-6，同时在导压孔1a-7侧壁表面中形成金属连线；玻璃底板1a-3和玻璃极板1a-2相连，在其边有压焊点1a-9以便实现电容下极板的电极引出。
图3和图4为传感器结构图3中烧结端子8及其上静压-温度敏感单元结构装配剖视图的结构细节。在烧结端子8的圆中心位置有静压敏感单元1b和温度敏感单元1c，烧结端子8上的引脚6共有8个引脚，其中引脚6a、6b、6c和差压敏感单元1a的电极引出端1a-9采用硅铝丝连接；引脚6d、6e、6f、6g分别和静压敏感单元1b的输入、输出端IN、0、Out1、Out2(见图7，结构图)相连、引脚6h和温度敏感单元1c的输出端Out3相连。
图3及图4结构描述中提及的静压敏感单元和温度敏感单元其结构细节见图7，硅芯片1b-1、双抛玻璃1b-2封接而成。硅芯片1b-1上表面在合适的位置采用微机械加工工艺形成4个压力敏感电组R1、R2、R3、R4，并形成温度敏感电阻Rt，在硅芯片背面有一空腔成真空状态，R1、R2、R3、R4按照图示的布局连接成电桥。
实施例1的硅电容差压传感器中差压敏感单元实施方案说明：
为硅电容差压传感器要保证传感器实现要求的功能，设计了独特的装配工艺过程。首先是敏感单元的制作，差压敏感单元1a(详细结构见图2)的中心极板1a-1为双面抛光的硅单晶片，采用微机械加工工艺制作，中间可上下移动的质量块1a-8采用化学腐蚀工艺制作，采用硅铝丝超声压焊工艺实现压焊点1a-9到电极端子6的引出。固定极板1a-2 由双抛玻璃制作，先在中心加工出穿透玻璃的导压孔1a-7，再采用溅射金属的方法在其表面形成电极层1a-6。硅中心极板1a-1与玻璃固定极板1a-2，玻璃底板1a-3与导压管1a-4采用静电封接工艺顺序连接在一起，玻璃固定极板1a-2与玻璃底板1a-3之间采用导电胶相连，导压管1a-4和传感器底座7之间采用焊接工艺实现气密连接。采用压焊工艺在焊点1a-9和烧结端子6之间形成硅铝丝连线1a-10，实现电容电极引出。最后差压敏感单元装入基座7内。在基座7内有硅油作为外界压力的传导介质。最终形成差压敏感单元-差压芯体。
静压敏感单元1b、温度敏感单元1c同样是采用微机械加工工艺制作在2.45mm×2.45mm的硅片上构成静压、温度敏感单元。其中采用注入掺杂工艺将硼离子注入硅芯片表面内，在经过退火激活、再扩氧化等工艺形成敏感电阻。在芯片背面用化学腐蚀工艺加工出空腔1b-3。加工完的硅芯片再和封接玻璃通过在真空状态下经气密静电封接工艺连接在一起，形成具备压力测量的敏感单元。
传感器装配过程：首先把静压-温度敏感单元粘接在烧结端子8表面，在用超声压焊工艺把焊点和端子引线连接，把烧结端子用电子束焊接工艺装配到基座7上，把差压单元装到基座，其上的导压管外端和基座连接处采用氩弧焊接工艺连接。经过焊接膜片、膜片成型、充灌、老化、筛选等工序，成为合格的差压传感器。把完成的差压传感器与数据采集转换模块2及模块2与数据处理补偿转换模块3按照设计要求连接，并安装外壳、卡具等成为最终的压力变送器。
硅电容多参量差压传感器静压、温度补偿具体实现方法如图8所示，总体共由三部分组成，即多参量传感器模块1、数据采集信号转换模块2、数据处理器补偿转换模块3。
多参量传感器模块1由差压单元1a、静压单元1b、温度单元1c构成，用来将被测差压、静压和温度值转换成电信号。
数据采集信号转换模块2包括电容信号采集处理单元2a、静压信号采集处理单元2b、温度信号采集处理单元2c、A/D转换模块2d，负责将多参量传感器模块1中的敏感输出的电信号通过2d模数转换模块转换成数字信号，以便后续数字电路理。
数据处理器补偿转换模块3主要包括程序存储器3a、数据存储器3b、单片机3c、D/A转换3d、电源模块3e、输出单元3f等。负责各种数据的采集处理、静压补偿、温度补偿、HART通信、模拟输出及各种运算。其中，程序存储器3a是用来存储各种软件程序，数据存储器3b是用来存储多功能传感器的特征参数和补偿数据。单片机3c是数据处理器补偿转换模块3的核心，它负责控制传感器工作流程，对前级数据采集信号转换模块2提供的数字量进行数据处理，主要完成传感器的零点量程设定、非线性修正、温度补偿、静压补偿及标度变换等。同时，根据需要还可进行各种函数的运算等，单片机的另一重要 功能是完成HART协议通信。4～20mA标准输出单元3f功能是由单片机控制D/A转换器实现的。电源模块3e为数据采集信号转换模块2、传感器模块1中各敏感单元1a、1b、1c、电路元件提供激励电源。最后传感器输出符合工业标准的4～20mA标准电流或电压输出。
在传感器实际应用过程中：静压补偿功能作为一个软件模块，在程序总程序中被分时调用，来实现差压传感器静压影响的补偿。处理过程为，外加静压、差压信号进入传感器模块，信号采集模块把外加压力信号分别转换为电容变化信号和电压信号，单片机处理器通过信号转换模块取得现场相应的差压数据和静压数据，分别记为Dd和Ds，在调用静压补偿处理软件模块，对Dd和Ds进行处理，得到消除了静压影响的差压数据NDd，用于后续其他标准处理过程并输出。
实施例2：在实施例1中，温度敏感单元1c采用热敏电阻，该热敏电阻随温度变化而变化。还可以采用常规标准的热敏二极管来感受温度变化，同样要封装在传感器的压力腔内，具体如图1所示，其产生的温度电压信号由转换模块转换为数字量，其处理方法和实施例1基本相同。本实施例与例1一样，都可以保证敏感单元感受的温度与差压静压敏感单元一致，可有效提高温度补偿的效果。
Claims (2)
1.可输出多个参量的硅电容差压传感器，在硅电容敏感芯体管座内设置差压测量敏感元件、静压敏感元件和温度敏感元件，其特征在于将集静压、温度敏感元件为一体的压力温度传感器置于硅电容敏感芯体的烧结管座上，将各个敏感元件的输出电极分别通过硅铝丝压焊与烧结管座的对应引脚相连，并与检测电路相连，将各敏感元件封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中；该传感器的两引压口分别与受压部的高压腔和低压腔相连，外加压力通过传感器内部的充灌液传递到敏感元件。
2.根据权利要求1所述的可输出多个参量的硅电容差压传感器，其特征在于差压敏感单元(1a)的结构，中心硅极板(1a-1)为双面抛光的硅单晶片上采用微机械加工工艺制作，中间有一个和膜区相连的可以上下移动的质量块(1a-8)，固定极板(1a-2)由双抛玻璃制作，先在玻璃上加工出导压孔(1a-7)再采用溅射、光刻等工艺在表面形成电极层(1a-6)，同时在导压孔(1a-7)中形成金属连线，做为玻璃固定极板电极的引出连线，玻璃底板(1a-3)和玻璃极板(1a-2)相连，在其边有压焊点(1a-9)以便实现电容下极板的电极引出，硅中心极板(1a-1)与玻璃固定极板(1a-2)、玻璃底板(1a-3)与导压管(1a-4)采用静电封接工艺连接在一起，玻璃固定极板(1a-2)与玻璃底板(1a-3)之间采用导电胶相连，导压管(1a-4)和传感器底座(7)之间采用焊接工艺实现气密连接；采用压焊工艺在焊点(1a-9)和烧结端子(6)之间形成硅铝丝连线(1a-10)做为电容电极引出，最后将差压敏感单元(1a)装入基座(7)内；在基座(7)内有硅油作为外界压力的传导介质。
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