CN213714602U - 一种薄膜电阻应变压力变送器、压力检测设备及工程机械 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜电阻应变压力变送器、压力检测设备及工程机械，压力变送器壳体内的薄膜电阻应变压力传感器包括平膜片和敏感电路，敏感电路包括四个首尾连接形成惠斯顿电桥的电阻R1～R4，电阻R1和电阻R4均由延长线过平膜片的圆形形变区域的圆心O呈放射状布置的n条径向线首尾相接串联形成，电阻R2和电阻R3均由围绕圆心O布置的m条切向线首尾相接串联形成，电阻R1和电阻R4、电阻R2和电阻R3均相对圆心O对称布置。本实用新型能够确保灵敏度满足设计要求，且抗浪涌能力强、动态信号感知能力好，实现精确的电桥平衡；本实用新型布局优化方法能够对布局进行精细调整，确保布局满足电桥平衡的要求。

Description

一种薄膜电阻应变压力变送器、压力检测设备及工程机械

技术领域

本实用新型涉及薄膜电阻应变压力传感技术，具体涉及一种薄膜电阻应变压力变送器、压力检测设备及工程机械。

背景技术

传感器技术、通信技术与计算机技术构成现代信息的三大支柱。它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理，是当代科学技术发展的一个重要组成部分。传感器将感受的力、热、光、磁、声、湿等环境信号转换成电信号，以便进行下一步的分析处理，是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是物联网技术的信息来源。

当传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域广泛应用的同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。

近年来，MEMS传感器研发异军突起。随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟，MEMS传感器将半导体加工工艺如氧化、光刻、扩散、沉积和蚀刻等引入传感器的生产制造，并将微系统加工、微观结构分析技术与半导体器件加工工艺和新材料技术等进行了充分的融合，实现了规模化生产，为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

压力传感器是应用最为广泛的传感器之一，是航空航天、石油勘探、工厂设施、工程机械、汽车电子等领域必不可少的核心元器件。压力传感器通常包括敏感元件、转换元件和信号调制模块。转换元件多采用惠斯顿电桥，敏感元件在压力作用下发生形变，引起惠斯顿电桥的电阻值发生变化，惠斯顿电桥变得不平衡从而发生电信号输出。

薄膜电阻应变压力传感器由于优异的性能收到越来越多的关注，它通常以圆形的弹性膜片作为敏感元件，直接在弹性膜片上溅射一层金属薄膜，然后通过光刻等技术制作成电阻，该电阻被用作转换元件。根据材料力学原理，平膜片不同区域的应力以及应变是不一样的，因而电阻丝布局非常重要，直接影响到传感器的灵敏度。

传感器微型化的需求越来越强烈，MEMS技术的发展也为传感器微型化提供了技术保障，但同时也使得弹性膜片上留给惠斯顿电桥的布局空间非常狭小。因此，对电阻丝布局提出了越来越高的要求。然而现有的许多布局方案中，没有合理分析和利用平膜片的应变，电阻丝走线不合理，导致传感器灵敏度不高。同时，现有方案中电阻丝之间的过渡连接大多采用简单的拐角，然而拐角处存在阻抗突变和寄生电容电感等，在检测动态信号时会出现信号反射，并导致传感器芯片的电磁兼容性不好，抗静电放电和浪涌电流的能力差。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种薄膜电阻应变压力变送器、压力检测设备及工程机械，本实用新型的薄膜电阻应变压力传感器能够确保传感器的灵敏度满足设计要求，且抗浪涌能力强、动态信号感知能力好，实现精确的电桥平衡。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种薄膜电阻应变压力变送器，包括壳体，所述壳体内分别设有压力变送电路以及薄膜电阻应变压力传感器，所述薄膜电阻应变压力传感器包括平膜片和设于平膜片上呈薄膜状的敏感电路，所述敏感电路包括四个首尾连接形成惠斯顿电桥的电阻R1～R4，电阻R1和电阻R4均由延长线过平膜片的圆形形变区域的圆心O呈放射状布置的n条径向线首尾相接串联形成，电阻R2和电阻R3均由围绕圆心O布置的m条切向线首尾相接串联形成，且电阻R1和电阻R4、电阻R2和电阻R3均相对圆心O对称布置，所述壳体上设有与平膜片的外侧表面连通的检测孔。

可选地，所述电阻R1和电阻R4布置于电阻R2和电阻R3所在圆形区域的外侧。

可选地，所述m条切向线与圆心O之间的距离呈等差布置，且m条切向线的两端均通过半圆弧线首尾相接串联。

可选地，所述n条径向线的内侧端点位于以圆心O为圆心的内圆Cn上、外侧端点位于以圆心O为圆心的外圆Cw上，且n条径向线内侧通过y条内侧圆弧线、外侧通过v条外侧圆弧线首尾相接串联。

可选地，可选地，所述平膜片上还分别设有与电阻R1～R4之中任意相邻两电阻之间的中间接点相连的焊盘，且四个焊盘分布在以圆心O为圆心的圆周上。

可选地，所述电阻R1～R4之中任意相邻两电阻之间设有引线桥，所述电阻R1～R4之中任意相邻两电阻之间通过引线桥与焊盘相连。

可选地，所述电阻R1～R4之中任意电阻与引线桥相连的锐角或直角处设有平滑过渡圆弧。

可选地，所述平膜片为圆形，所述平膜片上设有与平膜片垂直布置的支撑管，所述支撑管的外壁上设有沿径向凸出布置的定位环。

此外，本实用新型还提供一种压力检测设备，包括相互连接的检测电路和薄膜电阻应变压力变送器，所述薄膜压力变送器为所述的薄膜电阻应变压力变送器。

此外，本实用新型还提供一种工程机械，包括带有液压油箱和液压执行机构的工程机械本体，所述液压油箱和液压执行机构之间通过油管相连，所述油管上连接有压力检测设备，其特征在于，所述压力检测设备为所述的压力检测设备。

和现有技术相比，本实用新型具有下述优点：

本实用新型薄膜电阻应变压力传感器的敏感电路包括四个首尾连接形成惠斯顿电桥的电阻R1～R4，电阻R1和电阻R4均由延长线过平膜片的圆形形变区域的圆心O呈放射状布置的n条径向线首尾相接串联形成，电阻R2和电阻R3均由围绕圆心O布置的m条切向线首尾相接串联形成，且电阻R1和电阻R4、电阻R2和电阻R3均相对圆心O对称布置，通过上述结构设计，电阻R1和电阻R4可实现径向的应变敏感，电阻R2和电阻R3可实现切向的应变敏感，实现了径向、切向的应变敏感的结合，不仅能够确保传感器的灵敏度满足设计要求，且抗浪涌能力强、动态信号感知能力好。

附图说明

图1为本实用新型实施例薄膜电阻应变压力传感器的立体结构示意图。

图2为本实用新型实施例薄膜电阻应变压力传感器的剖视结构示意图。

图3为本实用新型实施例中敏感电路的主视结构示意图。

图4为本实用新型实施例中电阻R1的局部放大结构示意图。

图5为本实用新型实施例中电阻R2和电阻R3的局部放大结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例薄膜电阻应变压力变送器包括壳体，壳体内分别设有压力变送电路以及薄膜电阻应变压力传感器，薄膜电阻应变压力传感器包括平膜片1和设于平膜片1上呈薄膜状的敏感电路，其特征在于，所述敏感电路包括四个首尾连接形成惠斯顿电桥的电阻R1～R4，电阻R1和电阻R4均由延长线过平膜片1的圆形形变区域的圆心O呈放射状布置的n条径向线首尾相接串联形成，电阻R2和电阻R3均由围绕圆心O布置的m条切向线首尾相接串联形成，且电阻R1和电阻R4、电阻R2和电阻R3均相对圆心O对称布置，壳体上设有与平膜片1的外侧表面连通的检测孔。

平膜片1为压力的弹性应变部件，一般采用金属制成。根据平膜片1的力学模型，在被检测对象的作用下，平膜片1的应变包括径向和切向的应变，因此为了充分平膜片1在径向和切向的应变，本实施例中电阻R1和电阻R4可实现径向的应变敏感，电阻R2和电阻R3可实现切向的应变敏感，实现了径向、切向的应变敏感的结合，不仅能够确保传感器的灵敏度满足设计要求，且抗浪涌能力强、动态信号感知能力好。

经试验发现，平膜片1的切向应变主要集中在圆心O处，因此为了提高切向应变的检测准确度，如图1所示，本实施例中电阻R1和电阻R4布置于电阻R2和电阻R3所在圆形区域的外侧，从而确保传感器的灵敏度满足设计要求。

如图1和图5所示，本实施例中m条切向线与圆心O之间的距离呈等差布置，且m条切向线的两端均通过半圆弧线首尾相接串联。如图3所示，m条切向线k1～km中的第一条切向线k1、第m条切向线km作为该电阻丝两端的连接端子分别通过一圆弧段、一直线段与对应的引线桥相连，如图3中标注的电阻R2的第一条切向线k1通过一圆弧段A2_w、一直线段L2_w与对应的引线桥相连，第m条切向线km通过一圆弧段A2_n、一直线段L2_ n与对应的引线桥相连。通过上述设计可有效提高薄膜电阻应变压力传感器的检测灵敏度，提高抗浪涌能力、动态信号感知能力等。

如图1和图4所示，本实施例中n条径向线的内侧端点位于以圆心O为圆心的内圆Cn上、外侧端点位于以圆心O为圆心的外圆Cw上，且n条径向线内侧通过y条内侧圆弧线、外侧通过v条外侧圆弧线首尾相接串联。n条径向线分别记为径向线j1～jn，n条径向线j1～jn的外侧设有v条外侧圆弧线U1～Uv、内侧设有y条内侧圆弧线X1～Xy，n条径向线j1～jn通过外侧圆弧线U1～Uv、内侧圆弧线X1～Xy首尾相接串联形成电阻R1或电阻R4。

为了便于布线，如图1所示，本实施例中平膜片1上还分别设有与电阻R1～R4之中任意相邻两电阻之间的中间接点相连的焊盘2，且四个焊盘2分布在以圆心O为圆心的圆周上且位于支撑管的上方，从而能够避免焊盘在压力作用下的形变，增强焊盘的附着性。

如图1和图3所示，芯片的附属件包括三个部分，第一部分是4个与电阻相连的钳形的引线桥3，第二部分是4个焊盘2，第三部分是将引线桥与焊盘相连的4条引线。

简单的直线走线和拐角连接会导致薄膜电阻应变压力传感器的灵敏度无法达到设计要求，同时还会存在抗浪涌能力差、动态信号感知能力差等问题，为了解决上述技术问题，如图1所示，本实施例中电阻R1～R4之中任意电阻与引线桥3相连的锐角或直角处设有平滑过渡圆弧31，可有效提高抗浪涌能力、动态信号感知能力等。例如图2中标注的J1_1和J1_2即为电阻R1两端与引线桥的连接处的边缘设有平滑的圆弧过渡段31，图3中标注的J2_1和J2_2即为电阻R2两端与引线桥的连接处的边缘设有平滑的圆弧过渡段31。

参见图2，R1、R4电阻丝按径向走线，包括n条径向线,且n必须为偶数,分别记为j1、j2...jn。径向线的起点位于圆形Cn上，其中Cn的圆心为O，半径为Rn，径向线的终点位于圆形Cw上，其中Cw的圆心为O，半径为Rw。径向线之间通过圆弧进行连接，使各条径向线串联成电阻丝，其中连接径向线终点的圆弧记为U1...Uv，连接径向线起点的圆弧记为X1...Xy。R1两侧的径向线往圆心O延伸，分别与引线桥相连，连接点记为J1_1和JI_2，连接点J1_1、J1_2出现的锐角通过圆弧进行平滑处理。R4两侧的径向线往圆心O延伸，分别与引线桥相连，连接点记为J4_1、J4_2，连接点J4_1、J4_2出现的锐角通过圆弧进行平滑处理。参见图3，R2、R3电阻丝按切向走线，包括m条切向线，且m必须为奇数。 m条切向线的圆心都为O，半径为等差数列，各条切向线之间以圆弧相连，使各条切向线串联成电阻丝。R2最外侧的切向线通过一段圆弧A2_w和直线L2_w与引线桥相连，最内侧的切向线通过一段圆弧A2_n和直线L2_n与引线桥相连，连接点记为J2_1和J2_2 ,连接点J2_1、J2_2出现的直角通过圆弧进行平滑处理。R3最外侧的切向线通过一段圆弧A3_w和直线L3_w与引线桥相连，最内侧的切向线通过一段圆弧A3_n和直线L3_n与引线桥相连，连接点记为J3_1和J3_2，连接点J3_1、J3_2出现的直角通过圆弧进行平滑处理。

参见图1和图2，本实施例中平膜片1为圆形，平膜片1上设有与平膜片1垂直布置的支撑管11，支撑管11的外壁上设有沿径向凸出布置的定位环12。

此外，本实施例还提供一种压力检测设备，包括相互连接的检测电路和薄膜电阻应变压力变送器，所述薄膜压力变送器为前述的薄膜电阻应变压力变送器。

此外，本实施例还提供一种工程机械，包括带有液压油箱和液压执行机构的工程机械本体，所述液压油箱和液压执行机构之间通过油管相连，所述油管上连接有压力检测设备，所述压力检测设备为前述的压力检测设备。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。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原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，包括壳体，所述壳体内分别设有压力变送电路以及薄膜电阻应变压力传感器，所述薄膜电阻应变压力传感器包括平膜片（1）和设于平膜片（1）上呈薄膜状的敏感电路，所述敏感电路包括四个首尾连接形成惠斯顿电桥的电阻R1～R4，电阻R1和电阻R4均由延长线过平膜片（1）的圆形形变区域的圆心O呈放射状布置的n条径向线首尾相接串联形成，电阻R2和电阻R3均由围绕圆心O布置的m条切向线首尾相接串联形成，且电阻R1和电阻R4、电阻R2和电阻R3均相对圆心O对称布置，所述壳体上设有与平膜片（1）的外侧表面连通的检测孔。

2.根据权利要求1所述的薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述电阻R1和电阻R4布置于电阻R2和电阻R3所在圆形区域的外侧。

3.根据权利要求1所述的薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述m条切向线与圆心O之间的距离呈等差布置，且m条切向线的两端均通过半圆弧线首尾相接串联。

4.根据权利要求1所述的薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述n条径向线的内侧端点位于以圆心O为圆心的内圆Cn上、外侧端点位于以圆心O为圆心的外圆Cw上，且n条径向线内侧通过y条内侧圆弧线、外侧通过v条外侧圆弧线首尾相接串联。

5.根据权利要求1所述的薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述平膜片（1）上还分别设有与电阻R1～R4之中任意相邻两电阻之间的中间接点相连的焊盘（2），且四个焊盘（2）分布在以圆心O为圆心的圆周上。

6.根据权利要求5所述的薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述电阻R1～R4之中任意相邻两电阻之间设有引线桥（3），所述电阻R1～R4之中任意相邻两电阻之间通过引线桥（3）与焊盘（2）相连。

7.根据权利要求6所述的薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述电阻R1～R4之中任意电阻与引线桥（3）相连的锐角或直角处设有平滑过渡圆弧（31）。

8.根据权利要求1所述的薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述平膜片（1）为圆形，所述平膜片（1）上设有与平膜片（1）垂直布置的支撑管（11），所述支撑管（11）的外壁上设有沿径向凸出布置的定位环（12）。

9.一种压力检测设备，包括相互连接的检测电路和薄膜电阻应变压力变送器，其特征在于，所述薄膜压力变送器为权利要求1～8中任意一项所述的薄膜电阻应变压力变送器。

10.一种工程机械，包括带有液压油箱和液压执行机构的工程机械本体，所述液压油箱和液压执行机构之间通过油管相连，所述油管上连接有压力检测设备，其特征在于，所述压力检测设备为权利要求9所述的压力检测设备。

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