CN210071216U - 一种双桥补偿压力传感器 - Google Patents

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陈君杰
金晓雯
程浩
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Abstract

本实用新型揭示了一种双桥补偿压力传感器,该双桥补偿压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器,第一压力传感器包括有源电桥,有源电桥包括相互电连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4,电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成第一惠斯通电桥,第二压力传感器包括参考电桥,参考电桥包括相互电连接的电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8,所述电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8组成第二惠斯通电桥,第二惠斯通电桥设置于第二压力传感器的芯片上。该压力传感器能够通过消除零点漂移实现对极低压力的检测,即可消除零点漂移误差,提高灵敏度,实现对低至0.1kPa的压强的测量。

Description

一种双桥补偿压力传感器
技术领域
本实用新型涉及一种双桥补偿压力传感器,可用于压力传感器技术领域。
背景技术
在传感器的研发和生产中,传感器的零点漂移一直是一个困扰行业的问题,通常使用的补偿方法是电位器,激光修阻等方法,这些方法都是在单个电桥上面加额外的电路完成。例如在惠斯通电桥的桥臂上串联电位器来补偿零点,这样的方法通常需要一个额外的电位器加在电桥外面,大大地增加了体积和成本,除此之外,传感器零点输出随着时间的漂移通过电位器不能补偿。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题,提出一种双桥补偿压力传感器。
本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现:一种双桥补偿压力传感器,包括第一压力传感器和第二压力传感器,所述第一压力传感器包括有源电桥,所述有源电桥包括相互电连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4,所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成第一惠斯通电桥,所述第二压力传感器包括参考电桥,所述参考电桥包括相互电连接的电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8,所述电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8组成第二惠斯通电桥,第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥相互之间电连接,且均与连接端电的一端电连接,连接端点的另一端接地,第一惠斯通电桥、第二惠斯通电桥的一端均与供电电压端电连接,通过供电电压对第一压力传感器和第二压力传感器施加压力,测量第一惠斯通电桥上的第一端点与第二端点之间的电压差,及第二惠斯通电桥上的第三端点与第四端点之间的电压差实现对压力的测量。
优选地,所述有源电桥上的第二端点为“+”端,参考电桥上的第三端点为“-”端,第二端点与第三端点相连组成输出+out端,所述有源电桥上的第一端点为“-”端,参考电桥上的第四端点为“+”端,第一端点与第四端点组成输出-out端。
优选地,电阻R1和电阻R2串联组成有源电桥的左半支,有源电桥的“-”端位于电阻R1和R2之间,电阻R3和R4串联组成有源电桥的右半支,有源电桥的“+”端位于电阻R3和R4之间,有源电桥的左半支和右半支通过并联实现有源电桥的连接。
优选地,电阻R5和R6串联组成参考电桥的左半支,参考电桥的“-”端位于电阻R5和R6之间,电阻R7和R8串联组成参考电桥的右半支,参考电桥的“+”端位于电阻R7和R8之间,参考电桥的左半支和右半支通过并联实现参考电桥的连接。
优选地,对第一压力传感器顶部施加测量压力P1,对第一压力传感器底部施加参考大气压P2,参考大气压P2为标准大气压。
优选地,对第二压力传感器的顶部和底部均施加测量压力P1。
优选地,所述第一惠斯通电桥设置于第一压力传感器的第一芯片上,所述第一芯片为经过微电子工艺处理过的硅片,第一芯片的下方键合有一玻璃键,玻璃键为Pyrex7740玻璃,第一芯片与Pyrex7740玻璃通过阳极键合。
优选地,所述第二惠斯通电桥设置于第二压力传感器的第二芯片上,所述第二芯片为经过微电子工艺处理过的硅片,第二芯片的下方键合有一玻璃键,玻璃键为Pyrex7740玻璃,第二芯片与Pyrex7740玻璃通过阳极键合。
优选地,所述第一芯片和第二芯片的尺寸在2~3mm之间。
本实用新型技术方案的优点主要体现在:该压力传感器能够通过消除零点漂移实现对极低压力的检测,即可消除零点漂移误差,提高灵敏度,实现对低至0.1kPa的压强的测量。
该技术方案解决了现有的压力传感器不能实现对极低压力检测的问题,该传感器结构简单、操作方便,降低了产品成本,适合在产业上推广使用。
附图说明
图1为本实用新型的一种双桥补偿压力传感器的电路原理图。
图2为本实用新型的一种双桥补偿压力传感器的工作过程结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的目的、优点和特点,将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例,凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案,均落在本实用新型要求保护的范围之内。
本实用新型揭示了一种双桥补偿压力传感器,具体地说是能够通过消除零点漂移实现对极低压力的检测的一种压力传感器。如图1和图2所示,一种双桥补偿压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器,所述第一压力传感器包括有源电桥100,所述有源电桥包括相互电连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4,所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成第一惠斯通电桥。
所述第二压力传感器包括参考电桥200,所述参考电桥包括相互电连接的电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8,所述电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8组成第二惠斯通电桥,第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥相互之间电连接,且均与连接端点的一端电连接,连接端点的另一端接地,具体地,在本技术方案中,有源电桥和参考电桥均由9处提供电压,均从10处接地。
第一惠斯通电桥、第二惠斯通电桥的一端均与供电电压端9电连接,通过供电电压对第一压力传感器和第二压力传感器施加压力,测量第一惠斯通电桥上的第一端点11与第二端点12之间的电压差,及第二惠斯通电桥上的第三端点13与第四端点14之间的电压差实现对压力的测量。
所述有源电桥上的第二端点12为“+”端,参考电桥上的第三端点13为“-”端,第二端点12与第三端点13相连组成输出+out端15,所述有源电桥上的第一端点11为“-”端,参考电桥上的第四端点14为“+”端,第一端点11与第四端点14组成输出-out端16。
具体地,电阻R1和电阻R2串联组成有源电桥的左半支,有源电桥的“-”端位于电阻R1和R2之间,电阻R3和R4串联组成有源电桥的右半支,有源电桥的“+”端位于电阻R3和R4之间,有源电桥的左半支和右半支通过并联实现有源电桥的连接。电阻R5和R6串联组成参考电桥的左半支,参考电桥的“-”端位于电阻R5和R6之间,电阻R7和R8串联组成参考电桥的右半支,参考电桥的“+”端位于电阻R7和R8之间,参考电桥的左半支和右半支通过并联实现参考电桥的连接。
对第一压力传感器顶部施加测量压力P1,对第一压力传感器底部施加参考大气压P2,参考大气压P2为标准大气压。对第二压力传感器的顶部和底部均施加测量压力P1。
所述第一惠斯通电桥设置于第一压力传感器的第一芯片上,所述第一芯片17为经过微电子工艺处理过的硅片,第一芯片17的下方键合有一玻璃键18,玻璃键18为Pyrex7740玻璃,第一芯片17与Pyrex7740玻璃通过阳极键合,这是一种芯片键合方式。所述第二惠斯通电桥设置于第二压力传感器的第二芯片19上,所述第二芯片为经过微电子工艺处理过的硅片,第二芯片19的下方键合有一玻璃键20,玻璃键20为Pyrex7740玻璃,第二芯片19与Pyrex7740玻璃通过阳极键合,这是一种芯片键合方式。所述第一芯片17和第二芯片19的尺寸在2~3mm之间。
这种补偿技术用于极低压力传感器,其中共模误差无法通过任何其他方式补偿应变计或差压测量。双桥补偿有两种形式,一种形式的双桥补偿包括两个压力传感器,但两个传感器中只有一个提供压敏输出,第二个传感器是无源的,仅用于校正共模误差。
第二种形式的双桥补偿包含两个压力传感器,两个传感器都提供压力敏感信号,这种补偿技术适用于所有共模误差,是唯一可用于补偿输出失调电压长期漂移的技术,其中一个压力传感器为有源电桥,提供与压力成比例的输出信号,而另一个压力传感器为参考电桥,用于实际消除有源电桥的所有共模误差。通过电耦合两个传感器的输出来完成该补偿。为了提供最高程度的补偿精度,选择两个芯片为同一晶圆上的相邻硅片,这种形式的补偿将校正与长期漂移,预热漂移和温度偏移漂移相关的输出信号偏移误差。
双桥补偿的具体实施方式为:图1中左侧四个电阻1-4组成有源电桥,将有源电桥的“+”端12与参考电桥的“-”端13相连,组成输出+out端15。而图1中右侧四个电阻5-8组成参考电桥,将有源电桥的“-”11端与参考电桥的“+”端14相连,组成输出-out端16。
有源电桥之所以称为有源电桥是因为实际的压力测量过程是由该电桥完成的,而参考电桥只是作为参考,用于将两个电桥各自所处的芯片产生的零点漂移通过彼此相减而完成消除。为有效消除这一误差,两个电桥各自所处的芯片均来源于同一晶圆,经历完全相同的微电子工艺过程,这样方能使它们之间的零点漂移基本相同。
对有源电桥芯片顶部以及参考电桥芯片顶部和底部均施加测量压力P1,而有源电桥芯片底部控制为参考大气压P2,实物图可参见图2。由于压力差的作用,有源电桥的电阻R1-R4会发生明显的电阻变化,其中,电阻R1和R4在压力差的作用下,会发生形变且变长,从而电阻增大,变为R+;而电阻R2和R3在压力差的作用下,会发生形变但变短,从而电阻减小,变为R-,最终造成11端与12端出现电压差,这一电压量反应了压力值和零点漂移值。尽管参考电桥的电阻R5-R8两端没有压力差,但存在零点漂移值会使13端与14端之间出现一个较小的电压差。按照前面所描述的连接方式以后,输出+out端15与输出-out端16之间的电压差值便能消去这一零点漂移量,这也是本技术方案的最大特点所在。
在图2中,对于左侧压力传感器,17是经过微电子工艺处理过的硅片,内含4个压敏电阻构成的有源电桥,18为Pyrex7740玻璃。右侧压力传感器结构与材料与左侧压力传感器相同,来自同一晶圆,则19也是经过微电子工艺处理过的硅片,20仍为Pyrex7740玻璃,尺寸、经历工艺均一致。
对左侧压力传感器顶部以及右侧压力传感器顶部和底部均施加测量压力P1,而左侧压力传感器底部控制为参考大气压P2,一般设置为标准大气压。按图1所示电路原理图实现连接,即可消除零点漂移误差,提高灵敏度,从而实现对低至0.1kPa的压强的测量,对低压的测量也是该双桥补偿压力传感器的重要应用。本技术方案提出了一种新的传感器的零点漂移的补偿方法,通过大量的数据统计得出了通过双桥补偿零点的方法。
本实用新型尚有多种实施方式,凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案,均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:包括第一压力传感器和第二压力传感器,
所述第一压力传感器包括有源电桥,所述有源电桥包括相互电连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4,所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成第一惠斯通电桥,
所述第二压力传感器包括参考电桥,所述参考电桥包括相互电连接的电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8,所述电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8组成第二惠斯通电桥,第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥相互之间电连接,且均与连接端点(10)的一端电连接,连接端点(10)的另一端接地,
第一惠斯通电桥、第二惠斯通电桥的一端均与供电电压端(9)电连接,通过供电电压对第一压力传感器和第二压力传感器施加压力,测量第一惠斯通电桥上的第一端点(11)与第二端点(12)之间的电压差,及第二惠斯通电桥上的第三端点(13)与第四端点(14)之间的电压差实现对压力的测量。
2.根据权利要求1所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:所述有源电桥上的第二端点(12)为“+”端,参考电桥上的第三端点(13)为“-”端,第二端点(12)与第三端点(13)相连组成输出+out端(15),所述有源电桥上的第一端点(11)为“-”端,参考电桥上的第四端点(14)为“+”端,第一端点(11)与第四端点(14)组成输出-out端(16)。
3.根据权利要求2所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:电阻R1和电阻R2串联组成有源电桥的左半支,有源电桥的“-”端位于电阻R1和R2之间,电阻R3和R4串联组成有源电桥的右半支,有源电桥的“+”端位于电阻R3和R4之间,有源电桥的左半支和右半支通过并联实现有源电桥的连接。
4.根据权利要求2所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:电阻R5和R6串联组成参考电桥的左半支,参考电桥的“-”端位于电阻R5和R6之间,电阻R7和R8串联组成参考电桥的右半支,参考电桥的“+”端位于电阻R7和R8之间,参考电桥的左半支和右半支通过并联实现参考电桥的连接。
5.根据权利要求1所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:对第一压力传感器顶部施加测量压力P1,对第一压力传感器底部施加参考大气压P2,参考大气压P2为标准大气压。
6.根据权利要求1所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:对第二压力传感器的顶部和底部均施加测量压力P1。
7.根据权利要求1所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:所述第一惠斯通电桥设置于第一压力传感器的第一芯片上,所述第一芯片(17)为经过微电子工艺处理过的硅片,第一芯片(17)的下方键合有一第一玻璃键(18),第一玻璃键(18)为Pyrex7740玻璃,第一芯片(17)与Pyrex7740玻璃通过阳极键合。
8.根据权利要求7所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:所述第二惠斯通电桥设置于第二压力传感器的第二芯片(19)上,所述第二芯片为经过微电子工艺处理过的硅片,第二芯片(19)的下方键合有一第二玻璃键(20),第二玻璃键(20)为Pyrex7740玻璃,第二芯片(19)与Pyrex7740玻璃通过阳极键合。
9.根据权利要求8所述的一种双桥补偿压力传感器,其特征在于:所述第一芯片(17)和第二芯片(19)的尺寸在2~3mm之间。
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