CN205607567U

CN205607567U - 一种多量程阵列式压力传感芯片及其检测设备

Info

Publication number: CN205607567U
Application number: CN201520931499.8U
Authority: CN
Inventors: 张加宏; 赵阳; 顾芳; 陈剑翔; 张月香; 沈雷
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2025-11-19

Abstract

本实用新型公开了一种多量程阵列式压力传感芯片及其检测设备，包括在同一衬底上的压力传感器组和温度传感器组，所述压力传感器组为M×N压力传感器阵列，压力传感器组具有M种量程压力传感器，同时M种量程的压力传感器各具有N个，其M，N为任意数，所述温度传感器组为2×M个温度传感器阵列，温度传感器阵列位于压力传感器阵列两侧，相应的每一量程的压力传感器左右两侧均有一个温度传感器；本实用新型所述的一种多量程阵列式压力传感芯片及其检测装置实现了压力测量的高可靠性与高稳定性，可应用于各种恶劣的环境。

Description

一种多量程阵列式压力传感芯片及其检测设备

技术领域

本实用新型涉及一种多量程阵列式压力传感芯片及检测装置。

背景技术

压阻式压力传感器作为压力传感器的一种主要类型，由于其具有较高测量精度、较低功耗和低成本，广泛地应用航天、航空、航海、石油化工、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

压阻式压力传感器的工作原理是将作用在硅弹性体上的压强P变换成在弹性体上的应力T，应力T进一步引起制作在弹性体上的力敏电阻的阻值变化ΔR，阻值变化ΔR再通过全桥电路转换成电压输出ΔV，形成电压与压力的传感器转换功能。

目前，很多场合需要宽量程，高精度，高灵敏度。例如，在航天和航空工业中,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。现有的MEMS压力传感器的一般为固定的量程，小量程压力传感器测量低压时具有高灵敏度，但测量范围窄；大量程压力传感器具有较高的测量范围，但测量低压灵敏度低，这就造成当被测量的气压变化较大时会产生较大的测量误差。

测量电路的不精确，温度漂移都会降低测量的精度，所以在传感器的测量过程中，如何解决温度漂移问题，提高测量精度极为重要。

值得注意的是，单一普通压力传感器在恶劣环境中损坏时致使整个压力测量系统损坏，造成较大误差，浪费成本。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种多量程阵列式压力传感芯片及检测装置,使该芯片具有宽量程的测量范围，提高了各量程压力传感器的灵敏度与精确度，克服大量程传感器测量微小压力时灵敏度低，小量程测量高压时非线性的弱点。通过自选量程、自动修正各类误差、自动补偿的测量电路提高测量精度，并通过其故障诊断软件实现自动诊断功能，实现压力测量的高可靠性与高稳定性。最终使得多量程集成压力传感器芯片得以应用于各种恶劣的环境条件下。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种多量程阵列式压力传感芯片，其特征在于，包括在同一衬底上的压力传感器组和温度传感器组，所述压力传感器组为M×N压力传感器阵列，用于测量压力，压力传感器组具有M 种量程压力传感器，同时M种量程的压力传感器各具有N个，其M，N可为任意数，所述温度传感器组为2×M个温度传感器阵列，压力传感器组与温度传感器组设置于同一衬底上组成芯片，温度传感器阵列位于压力传感器阵列两侧，相应的每一量程的压力传感器左右两侧均有一个温度传感器，用于测量压力传感器阵列左右两侧的温度值，实现对压力传感器阵列进行温度补偿。

不同于采用压强为某一特定大小的MEMS压力传感器进行压力测量的方案，本实用新型采用适合于大批量生产的标准CMOS工艺兼容的MEMS技术，将M个不同量程压力传感器集成在同一芯片上，使该芯片的具有宽量程的测量范围，提高了各量程压力传感器的灵敏度与精确度，克服大量程传感器测量微小压力时灵敏度低，小量程测量高压时非线性的弱点。

同时将针对上述每个量程所具有的N个压力传感器集成到同一芯片上，形成阵列式测量，提高各量程压力传感器精确度。由于同一量程压力传感器具有N个，当部分传感器出现损坏时通过软件操作处理，仍能保持压力测量的高可靠性与高稳定性。

进一步形成MEMS压力传感器阵列进行压力测量，当外界压强变化时，尤其变化剧烈时，使得至少一个量程的MEMS压力传感器可准确测量环境的压强，从而实现对外界压力测量准确的目的。

多量程阵列式压力传感芯片的检测装置，其特征在于，包括可调恒流源电路、压力传感阵列电路、前置放大电路、滤波电路、温度漂移补偿电路、二级可调放大电路、A/D转换器、数字信号处理器、控制电路以及切换电路，所述可调恒流源电路为压力传感电路供能，所述压力传感电路连接前置放大器对信号进行放大处理，经放大信号向滤波电路输入，经滤波后的电压信号进入温度漂移补偿电路，补偿后的电压信号进入二级可调放大电路，二级可调放大电路放大信号输入到A/D转换器，数字信号处理器监控A/D转换器采集的数据反馈到控制电路，控制电路控制切换电路分别连接二级可调放大电路、压力传感电路和可调恒流源电路。

优选的是，所述可调恒流源电路主要由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电压为V1的稳压二极管Z1、放大器AMP1、切换电路M2构成，电阻R1为限流电阻，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5为切换电阻，切换电路M2受控制电路控制。

优选的是，所述压力传感阵列电路由切换电路M1、切换电路M3与压力传感器组构成，切换电路M1连接各量程传感器，切换电路M3针对切换电路M1选择的某一量程的压力传感器进行选择，所述切换电路M1、切换电路M3均由控制电路控制。切换电路实现对不同量程的压力传感器和对某一量程的全部压力传感器进行选择，并且通过切换电阻实现了不同大小的恒流源输出转换与对二级放大电路放大倍数的选择，所述切换电路均有控制电路控制。

优选的是，前置放大电路对压力传感器输出的微弱信号进行放大，所述前置放大电路由仪表放大器INA128与电阻R_G构成，所述滤波电路为一种低通滤波电路，由电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2和放大器AMP2构成，电阻R8和电容C2构成两个反馈支路，所述二级放大电路由切换电路M4、放大器AMP4、精密电阻r1,r2...rn构成。滤波电路移除传感器阵列输出经前置放大电路放大后的噪声分量，提高模拟信噪比。

优选的是，针对温度漂移影响测量精度的问题，集成了温度漂移补偿电路，通过数字电路或模拟电路的方法进行温度补偿，克服被温度影响压阻系数测量的问题，降低环境系统的影响。所述温度漂移补偿电路为模拟电路补偿，由温度传感器组、温度补偿记录表、D/A转换器、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和AMP3构成，所述电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和AMP3构成减法器，D/A转换器连接减法器的负端，压力传感器组连接减法器的正端。温度补偿电路依据温度传感器所测的温度值进行相应的温度补偿。

优选的是，二级可调放大电路使得放大后信号的电压范围满足A/D转换器的电压范围匹配要求；A/D转换器将模拟信号转变为数字电路进行后续处理；数字信号处理器处理经转换的数字信号与确定输入压力，将处理结果反馈给控制电路，从而得到合适的A/D采集电压与采用合适量程压力传感器测量。并且针对压力传感器阵列在工艺过程或恶劣环境造成的某一个或多个压力传感器损坏影响其测量精度，提出了故障诊断算法，实现了自动诊断功能，自动对传感器和系统工作状态进行定期的检测，及时发现发生故障的位置，并给予软件操作处理，实现压力测量的高可靠性与高稳定性。

一种多量程阵列式压力传感芯片的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，电阻R1，R2，放大器AMP1，V1的稳压二极管Z1构成电流为I＝V1/R2恒流源电路，为压力传感器阵列进行供能，切换电路M1连接至高量程压力传感器阵列，切换电路M3对相应的高量程压力传感器S11,S12,S13,S14进行选择，当压力P作用时，高压量程压力传感器阵列膜片都发生弯曲，膜片应变引起应变电阻变化ΔR，在恒流源的激励下，惠斯通电桥电阻值的变化转化为电压的变化ΔV；

步骤2，连接切换电路M3所对应的仪表放大器INA128对惠斯通桥电路电压输出ΔV进行放大，经过前置放大电路的放大后的压力传感器输出的信号流入滤波电路，滤掉信号中一部分噪声以及不需要的频率范围的信号；

步骤3，解决温度漂移影响测量精度的问题，首先测出各温度传感器在不同温度时的零点输出，将其A/D转换器转换后数据存放到存储器中，做成矩阵记录表，此数据值为A，根据温度传感器的测量值得到进行压力测量时温度环境，将矩阵记录表相对应的的A通过D/A转换连接减法器的负端，压力传感器测量值连接正端，然后连接A/D转换器，实现模拟温度漂移补偿方案；或者，通过数字电路方式实现温度漂移补偿，在温度为W的环境下进行压力测量时，某一量程压力传感器测量值经C倍放大，A/D转换器后输出值为D2；此时从存储器中调用相关温度，相关传感器的的零点输出值，放大C倍得到D3；将D2与D3相减得到温度补偿后的输出值。

步骤4，温度漂移补偿后的信号进入二级选择性放大电路，切换电路M4对电阻r1进行选择，初始放大倍数为1，经二级选择性放大后信号进入多通道A/D转换器，将模拟信号转变为数字信号，送往数字信号处理器进行处理后续；

步骤5，数字信号处理器监控多通道A/D转换器采集的数据，当数据未达到一定的电压范围时，反馈给控制电路，控制电路通过控制切换电路M4选择电阻r2，更改二级可调放大电路的增益；再次放大后的信号进入多通道A/D转换器，将转变的数字信号再次进入数字信号处理电路进行判断，重复上述过程直到达到A/D转换器合适的采样电压；

步骤6，通过数字信号处理电路处理得到同一量程压力传感器的4个压力传感器的测量值，当4个压力传感器的测量值相差较小时，通过平均算法得到最终压力值，当4个压力传感器的测量值中存在Pn与平均值有较大误差时，则抛弃Pn，将其剩余数据做平均算法得到最终压力。

步骤7，重复测量，自动对压力传感器组、温度传感器组和系统工作状态进行定期的检测，及时发现发生故障的位置，当Pn出现连续测量错误时，将其Pn 认定为损坏，控制器控制切换电路M3不对其Pn进行选择测量，并软件操作处理剩下的测量数据。

本实用新型与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本实用新型将MEMS温度传感器与测量结构集成在一起进行温度补偿，保证其一致性，提高测量的精确度。

2.本实用新型提供的一种多量程集成压力传感器芯片与现有的压阻式压力传感器相比，由于采用两个或两个以上不同量程压力传感器，即具有较大的测量范围，又保证了低压力测量的灵敏度。

3.本实用新型针对各个量程的集成压力传感器阵列，提高了各量程测量的精确度。

4.采用纳米薄膜作为应变电阻，同时对应变电阻进行巨压阻特性处理，提高压阻式压力传感器的灵敏度。

5.工艺流程与单一量程传感器相同，并与集成电路工艺兼容，易集成化。

6.该结构通过自选量程、自动修正各类误差、自动补偿等功能来保证它的高精确度。

7.通过其故障诊断软件实现自动诊断功能，自动对传感器和系统工作状态进行定期的检测，及时发现发生故障的位置，并给予软件操作处理，实现压力测量的高可靠性与高稳定性。

附图说明

图1为本实用新型流程示意图；

图2本实用新型芯片原理示意图；

图3本实用新型芯片横向剖面图；

图4本实用新型芯片侧向剖面图；

图5本实用新型芯片结构示意图；

图6本实用新型温度补偿零点矩阵记录表；

图7本实用新型测量电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种多量程阵列式压力传感芯片的检测装置，其特征在于，包括可调恒流源电路101、压力传感阵列电路102、前置放大电路103、滤波电路104、温度漂移补偿电路105、二级可调放大电路106、A/D转换器107、数字信号处理器108、控制电路109以及切换电路110，所述可调恒流源电路101实现不同大小恒流源的输入，为压力传感阵列电路102供能，由于压力信号经传感器转换后的电信号较微弱，在毫伏数量级上，为了防止在采样过程中使得信噪比明显的降低，在同一量程传感器后都设置一个前置放大器103，所述压力传感阵列电路102连接前置放大器103对信号进行放大处理，经放大信号向滤波电路104输入，滤波电路104移除传感器阵列输出经前置放大电路103放大后的噪声分量，提高模拟信噪比，经滤波后的电压信号进入温度漂移补偿电路105，温度漂移补偿电路105依据压力传感器阵列102工作所处的环境温度值进行相应的温度补偿，提高测量精度，补偿后的电压信号进入二级可调放大电路106，由于前置放大器的放大倍数太大，就会降低模拟信号的信噪比，导致较大的误差，因此还需要一个二级选择性放大电路106，通过对弱信号进行放大提高分辨率，二级可调放大电路106使得放大后信号的电压范围满足A/D转换器107的电压范围匹配要求后，输入到A/D转换器107，经过放大电路106放大后的信号还是模拟信号，经过A/D转换器107转换为数字信号，送往数字信号处理器108进行处理后续，这里多路A/D转换器，实现同一量程压力传感器的同时采集，提高工作效率，数字信号处理器108监控A/D转换器107采集的数据，当数据进入一定的电压范围时，反馈到控制电路109，控制电路109控制切换电路110实现对二级可调放大电路,106增益的改变，使得增益能自动地随采集数据的大小而调节，实现变精度的A/D采集，控制电路109控制切换电路110分别连接二级可调放大电路106、压力传感电路102和可调恒流源电路101，数字信号处理器108处理最终经转换的数字信号并且确定输入压力，当输入压力在其它量程压力传感器范围内时，反馈给反馈到控制电路109，控制电路109控制切换电路110实现对压力传感电路102合适量程的压力传感器的选择，重复上述过程对压力进行测量；否则输出该压力值，该压力值为最终精确压力值。

所述可调恒流源电路101主要由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电压为V1的稳压二极管Z1、放大器AMP1、切换电路M2构成，电阻R1为限流电阻，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5为切换电阻，切换电路M2受控制电路611控制。

所述压力传感阵列电路102由切换电路M1、切换电路M3与压力传感器组构成，切换电路M1连接各量程传感器，切换电路M3针对切换电路M1选择的某一量程的压力传感器进行选择，所述切换电路M1、切换电路M3均由控制电路111控制。

所述前置放大电路由仪表放大器INA128与电阻R_G构成，所述模拟滤波电路104为一种低通滤波电路，由电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2和放大器AMP2构成，电阻R8和电容C2构成两个反馈支路，所述二级放大电路106由切换电路M4、放大器AMP4、精密电阻r1,r2...rn构成。

所述温度漂移补偿电路105为模拟电路补偿，由温度传感器组、温度补偿记录表、D/A转换器、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和AMP3构成，所述电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和AMP3构成减法器，D/A转换器连接减法器的负端，压力传感器组连接减法器的正端。

所述压力传感器组为M×N压力传感器阵列，用于测量压力，压力传感器组具有M种量程压力传感器，同时M种量程的压力传感器各具有N个，其M，N可为任意数，如图5所示S1X～SMX(X为1～N)代表M种量程，SX1～SXN(X为1～N)代表X量程的N个压力传感器，所述温度传感器组为2×M个温度传感器阵列，压力传感器组与温度传感器组设置于同一衬底上组成芯片，温度传感器阵列位于压力传感器阵列两侧，相应的每一量程的压力传感器左右两侧均有一个温度传感器，用来测量所工作压力传感器的环境温度值，用于对压力传感器阵列进行温度漂移补偿。如图5所示T11～T1M,T21～T2M代表2M个温度传感器。

压力传感器量程与各量程压力传感器可根据实际情况设置。本实用新型以4×4压力传感器阵列为例，兼顾对微压量程的范围与高量程压力传感器的重要性，所设计的微压传感器选定目标为0～100kpa，低压传感器目标为0.1～1Mpa，中压传感器目标1～10Mpa，高压传感器目标10～50Mpa，每一类传感器分别有4个。如图2所示，高压量程传感器为S11,S12,S13,S14；中压量程压力传感为S21,S22,S23,S24；低压量程压力传感器为S31,S32,S33,S34；微压量程压力传感器为S41,S42,S43,S44；相应的温度传感器为 T11,T12,T13,T14,T21,T22,T23,T24，其中铂电极为201，铝电极为202，导线为203，硅纳米线204。

多量程阵列式压力传感芯片横向剖面图如图3所示，左右两侧为温度传感器，中间为同一量程的压力传感阵列。而多量程阵列式压力传感芯片纵向剖面图如图4所示，图中的压力传感器分别具有不同量程。

本实用新型所述一种多量程阵列式压力传感芯片由于其宽量程可广泛用于测量的气压变化较大的环境，由于该结构通过自选量程、自动修正各类误差、自动补偿可广泛用于高精确度要求的环境。通过其故障诊断软件实现自动诊断功能，实现压力测量的高可靠性与高稳定性。使多量程集成压力传感器芯片得以应用于各种恶劣的环境条件下。

如图7所示，一种多量程阵列式压力传感芯片的检测方法包括以下步骤：

步骤2，连接切换电路M3所对应的仪表放大器INA128对惠斯通桥电路电压输出ΔV进行放大，为了保证较高的信噪比与减小后级电路的噪声，此处前置增益选择为20，经过前置放大电路的放大后的压力传感器输出的信号流入滤波电路，滤掉信号中一部分噪声以及不需要的频率范围的信号，在一定程度上提高了输出模拟信号的信噪比；

步骤3，针对温度漂移影响测量精度的问题，首先测出各温度传感器在不同温度时的零点输出，将其A/D转换器转换后数据存放到存储器中，做成矩阵记录表，如图6所示，此数据值为A，根据温度传感器的测量值得到进行压力测量时温度环境，将矩阵记录表相对应的的A通过D/A转换连接减法器的负端，压力传感器测量值连接正端，然后连接A/D转换器，实现模拟温度漂移补偿方案；

步骤5，通过数字信号处理电路处理得到同一量程压力传感器的4个压力传感器的测量值P1，P2，P3，P4，当P1，P2，P3，P44个压力传感器的测量值相差较小时，通过平均算法得到最终压力值P＝(P1+P2+P3+P4)/4，当4个压力传感器的测量值中存在Pn(n＝1，2，3，4)与平均值有较大误差时，则抛弃Pn，将其剩余数据做平均算法得到最终压力。

步骤6，重复测量，自动对压力传感器组、温度传感器组和系统工作状态进行定期的检测，及时发现发生故障的位置，当Pn出现连续测量错误时，将其Pn认定为损坏，控制器控制切换电路M3不对其Pn进行选择测量，并软件操作处理剩下的测量数据。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种多量程阵列式压力传感芯片，其特征在于，包括在同一衬底上的压力传感器组和温度传感器组，所述压力传感器组为M×N压力传感器阵列，压力传感器组具有M种量程压力传感器，同时M种量程的压力传感器各具有N个，其M，N为任意数，所述温度传感器组为2×M个温度传感器阵列，温度传感器阵列位于压力传感器阵列两侧，相应的每一量程的压力传感器左右两侧均有一个温度传感器。

2. 一种如权利要求 1 所述的多量程阵列式压力传感芯片的检测设备，其特征在于，包括可调恒流源电路、压力传感阵列电路、前置放大电路、滤波电路、温度漂移补偿电路、二级可调放大电路、A/D转换器、数字信号处理器、控制电路以及切换电路，所述可调恒流源电路为压力传感电路供能，所述压力传感电路连接前置放大器对信号进行放大处理，经放大信号向滤波电路输入，经滤波后的电压信号进入温度漂移补偿电路，补偿后的电压信号进入二级可调放大电路，二级可调放大电路放大信号输入到A/D转换器，数字信号处理器监控A/D转换器采集的数据反馈到控制电路，控制电路控制切换电路分别连接二级可调放大电路、压力传感电路和可调恒流源电路。

3.根据权利要求2所述的一种多量程阵列式压力传感芯片的检测设备，其特征在于，所述可调恒流源电路主要由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电压为V1的稳压二极管Z1、放大器AMP1、切换电路M2构成，电阻R1为限流电阻，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5为切换电阻，切换电路M2受控制电路控制。

4.根据权利要求2所述的一种多量程阵列式压力传感芯片的检测设备，其特征在于，所述压力传感阵列电路由切换电路M1、切换电路M3与压力传感器组构成，切换电路M1连接各量程传感器，切换电路M3针对切换电路M1选择的某一量程的压力传感器进行选择，所述切换电路M1、切换电路M3均由控制电路控制。

5.根据权利要求2所述的一种多量程阵列式压力传感芯片的检测设备，其特征在于，所述前置放大电路由仪表放大器INA128与电阻R_G构成，所述滤波电路为一种低通滤波电路，由电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2和放大器AMP2构成，电阻R8和电容C2构成两个反馈支路，所述二级可调放大电路由切换电路M4、放大器AMP4、精密电阻构成。

6.根据权利要求2所述的一种多量程阵列式压力传感芯片的检测设备，其特征在于，所述温度漂移补偿电路为模拟电路补偿，由温度传感器组、温度补偿记录表、D/A转换器、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和AMP3构成，所述电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和AMP3构成减法器， D/A转换器连接减法器的负端，压力传感器组连接减法器的正端。