一種多量程陣列式壓力傳感芯片及其檢測(cè)設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多量程陣列式壓力傳感芯片及其檢測(cè)設(shè)備，包括在同一襯底上的壓力傳感器組和溫度傳感器組，所述壓力傳感器組為M×N壓力傳感器陣列，壓力傳感器組具有M種量程壓力傳感器，同時(shí)M種量程的壓力傳感器各具有N個(gè)，其M，N為任意數(shù)，所述溫度傳感器組為2×M個(gè)溫度傳感器陣列，溫度傳感器陣列位于壓力傳感器陣列兩側(cè)，相應(yīng)的每一量程的壓力傳感器左右兩側(cè)均有一個(gè)溫度傳感器；本實(shí)用新型所述的一種多量程陣列式壓力傳感芯片及其檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了壓力測(cè)量的高可靠性與高穩(wěn)定性，可應(yīng)用于各種惡劣的環(huán)境。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種多量程陣列式壓力傳感芯片及其檢測(cè)設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種多量程陣列式壓力傳感芯片及檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]壓阻式壓力傳感器作為壓力傳感器的一種主要類(lèi)型，由于其具有較高測(cè)量精度、較低功耗和低成本，廣泛地應(yīng)用航天、航空、航海、石油化工、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]壓阻式壓力傳感器的工作原理是將作用在硅彈性體上的壓強(qiáng)P變換成在彈性體上的應(yīng)力T，應(yīng)力T進(jìn)一步引起制作在彈性體上的力敏電阻的阻值變化△ R，阻值變化△ R再通過(guò)全橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出△ V，形成電壓與壓力的傳感器轉(zhuǎn)換功能。
[0004]目前，很多場(chǎng)合需要寬量程，高精度，高靈敏度。例如，在航天和航空工業(yè)中，對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，局部壓力和整個(gè)壓力場(chǎng)的測(cè)量都要求很高的精度。現(xiàn)有的MEMS壓力傳感器的一般為固定的量程，小量程壓力傳感器測(cè)量低壓時(shí)具有高靈敏度，但測(cè)量范圍窄；大量程壓力傳感器具有較高的測(cè)量范圍，但測(cè)量低壓靈敏度低，這就造成當(dāng)被測(cè)量的氣壓變化較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。
[0005]測(cè)量電路的不精確，溫度漂移都會(huì)降低測(cè)量的精度，所以在傳感器的測(cè)量過(guò)程中，如何解決溫度漂移問(wèn)題，提高測(cè)量精度極為重要。
[0006]值得注意的是，單一普通壓力傳感器在惡劣環(huán)境中損壞時(shí)致使整個(gè)壓力測(cè)量系統(tǒng)損壞，造成較大誤差，浪費(fèi)成本。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提出了一種多量程陣列式壓力傳感芯片及檢測(cè)裝置，使該芯片具有寬量程的測(cè)量范圍，提高了各量程壓力傳感器的靈敏度與精確度，克服大量程傳感器測(cè)量微小壓力時(shí)靈敏度低，小量程測(cè)量高壓時(shí)非線性的弱點(diǎn)。通過(guò)自選量程、自動(dòng)修正各類(lèi)誤差、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量電路提高測(cè)量精度，并通過(guò)其故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷功能，實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的高可靠性與高穩(wěn)定性。最終使得多量程集成壓力傳感器芯片得以應(yīng)用于各種惡劣的環(huán)境條件下。
[0008]本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:一種多量程陣列式壓力傳感芯片，其特征在于，包括在同一襯底上的壓力傳感器組和溫度傳感器組，所述壓力傳感器組為MXN壓力傳感器陣列，用于測(cè)量壓力，壓力傳感器組具有M種量程壓力傳感器，同時(shí)M種量程的壓力傳感器各具有N個(gè)，其M，N可為任意數(shù)，所述溫度傳感器組為2XM個(gè)溫度傳感器陣列，壓力傳感器組與溫度傳感器組設(shè)置于同一襯底上組成芯片，溫度傳感器陣列位于壓力傳感器陣列兩側(cè)，相應(yīng)的每一量程的壓力傳感器左右兩側(cè)均有一個(gè)溫度傳感器，用于測(cè)量壓力傳感器陣列左右兩側(cè)的溫度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器陣列進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
[0009]不同于采用壓強(qiáng)為某一特定大小的MEMS壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量的方案，本實(shí)用新型采用適合于大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的MEMS技術(shù)，將M個(gè)不同量程壓力傳感器集成在同一芯片上，使該芯片的具有寬量程的測(cè)量范圍，提高了各量程壓力傳感器的靈敏度與精確度，克服大量程傳感器測(cè)量微小壓力時(shí)靈敏度低，小量程測(cè)量高壓時(shí)非線性的弱點(diǎn)。
[0010]同時(shí)將針對(duì)上述每個(gè)量程所具有的N個(gè)壓力傳感器集成到同一芯片上，形成陣列式測(cè)量，提高各量程壓力傳感器精確度。由于同一量程壓力傳感器具有N個(gè)，當(dāng)部分傳感器出現(xiàn)損壞時(shí)通過(guò)軟件操作處理，仍能保持壓力測(cè)量的高可靠性與高穩(wěn)定性。
[0011]進(jìn)一步形成MEMS壓力傳感器陣列進(jìn)行壓力測(cè)量，當(dāng)外界壓強(qiáng)變化時(shí)，尤其變化劇烈時(shí)，使得至少一個(gè)量程的MEMS壓力傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境的壓強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界壓力測(cè)量準(zhǔn)確的目的。
[0012]多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)裝置，其特征在于，包括可調(diào)恒流源電路、壓力傳感陣列電路、前置放大電路、濾波電路、溫度漂移補(bǔ)償電路、二級(jí)可調(diào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器、控制電路以及切換電路，所述可調(diào)恒流源電路為壓力傳感電路供能，所述壓力傳感電路連接前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，經(jīng)放大信號(hào)向?yàn)V波電路輸入，經(jīng)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)入溫度漂移補(bǔ)償電路，補(bǔ)償后的電壓信號(hào)進(jìn)入二級(jí)可調(diào)放大電路，二級(jí)可調(diào)放大電路放大信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)處理器監(jiān)控A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)反饋到控制電路，控制電路控制切換電路分別連接二級(jí)可調(diào)放大電路、壓力傳感電路和可調(diào)恒流源電路。
[0013]優(yōu)選的是，所述可調(diào)恒流源電路主要由電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電壓為Vl的穩(wěn)壓二極管Zl、放大器AMPl、切換電路M2構(gòu)成，電阻Rl為限流電阻，電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5為切換電阻，切換電路M2受控制電路控制。
[0014]優(yōu)選的是，所述壓力傳感陣列電路由切換電路M1、切換電路M3與壓力傳感器組構(gòu)成，切換電路Ml連接各量程傳感器，切換電路M3針對(duì)切換電路Ml選擇的某一量程的壓力傳感器進(jìn)行選擇，所述切換電路Ml、切換電路M3均由控制電路控制。切換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)不同量程的壓力傳感器和對(duì)某一量程的全部壓力傳感器進(jìn)行選擇，并且通過(guò)切換電阻實(shí)現(xiàn)了不同大小的恒流源輸出轉(zhuǎn)換與對(duì)二級(jí)放大電路放大倍數(shù)的選擇，所述切換電路均有控制電路控制。
[0015]優(yōu)選的是，前置放大電路對(duì)壓力傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，所述前置放大電路由儀表放大器INAl 28與電阻Rg構(gòu)成，所述濾波電路為一種低通濾波電路，由電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電容Cl、電容C2和放大器AMP2構(gòu)成，電阻R8和電容C2構(gòu)成兩個(gè)反饋支路，所述二級(jí)放大電路由切換電路M4、放大器AMP4、精密電阻rI，r2...rn構(gòu)成。濾波電路移除傳感器陣列輸出經(jīng)前置放大電路放大后的噪聲分量，提高模擬信噪比。
[0016]優(yōu)選的是，針對(duì)溫度漂移影響測(cè)量精度的問(wèn)題，集成了溫度漂移補(bǔ)償電路，通過(guò)數(shù)字電路或模擬電路的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，克服被溫度影響壓阻系數(shù)測(cè)量的問(wèn)題，降低環(huán)境系統(tǒng)的影響。所述溫度漂移補(bǔ)償電路為模擬電路補(bǔ)償，由溫度傳感器組、溫度補(bǔ)償記錄表、D/A轉(zhuǎn)換器、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和AMP3構(gòu)成，所述電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和AMP3構(gòu)成減法器，D/A轉(zhuǎn)換器連接減法器的負(fù)端，壓力傳感器組連接減法器的正端。溫度補(bǔ)償電路依據(jù)溫度傳感器所測(cè)的溫度值進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。
[0017]優(yōu)選的是，二級(jí)可調(diào)放大電路使得放大后信號(hào)的電壓范圍滿足A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍匹配要求;A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路進(jìn)行后續(xù)處理;數(shù)字信號(hào)處理器處理經(jīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)與確定輸入壓力，將處理結(jié)果反饋給控制電路，從而得到合適的A/D采集電壓與采用合適量程壓力傳感器測(cè)量。并且針對(duì)壓力傳感器陣列在工藝過(guò)程或惡劣環(huán)境造成的某一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器損壞影響其測(cè)量精度，提出了故障診斷算法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)診斷功能，自動(dòng)對(duì)傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的位置，并給予軟件操作處理，實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的高可靠性與高穩(wěn)定性。
[0018]—種多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0019]步驟1，電阻R1，R2，放大器AMP1，V1的穩(wěn)壓二極管Zl構(gòu)成電流為I=V1/R2恒流源電路，為壓力傳感器陣列進(jìn)行供能，切換電路Ml連接至高量程壓力傳感器陣列，切換電路M3對(duì)相應(yīng)的高量程壓力傳感器Sll，S12，S13，S14進(jìn)行選擇，當(dāng)壓力P作用時(shí)，高壓量程壓力傳感器陣列膜片都發(fā)生彎曲，膜片應(yīng)變引起應(yīng)變電阻變化AR，在恒流源的激勵(lì)下，惠斯通電橋電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化AV;
[0020]步驟2，連接切換電路M3所對(duì)應(yīng)的儀表放大器INA128對(duì)惠斯通橋電路電壓輸出Δ V進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)前置放大電路的放大后的壓力傳感器輸出的信號(hào)流入濾波電路，濾掉信號(hào)中一部分噪聲以及不需要的頻率范圍的信號(hào)；
[0021]步驟3，解決溫度漂移影響測(cè)量精度的問(wèn)題，首先測(cè)出各溫度傳感器在不同溫度時(shí)的零點(diǎn)輸出，將其A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存放到存儲(chǔ)器中，做成矩陣記錄表，此數(shù)據(jù)值為A，根據(jù)溫度傳感器的測(cè)量值得到進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)溫度環(huán)境，將矩陣記錄表相對(duì)應(yīng)的的A通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換連接減法器的負(fù)端，壓力傳感器測(cè)量值連接正端，然后連接A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)模擬溫度漂移補(bǔ)償方案;或者，通過(guò)數(shù)字電路方式實(shí)現(xiàn)溫度漂移補(bǔ)償，在溫度為W的環(huán)境下進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)，某一量程壓力傳感器測(cè)量值經(jīng)C倍放大，A/D轉(zhuǎn)換器后輸出值為D2;此時(shí)從存儲(chǔ)器中調(diào)用相關(guān)溫度，相關(guān)傳感器的的零點(diǎn)輸出值，放大C倍得到D3;將D2與D3相減得到溫度補(bǔ)償后的輸出值。
[0022]步驟4，溫度漂移補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)入二級(jí)選擇性放大電路，切換電路M4對(duì)電阻rl進(jìn)行選擇，初始放大倍數(shù)為1，經(jīng)二級(jí)選擇性放大后信號(hào)進(jìn)入多通道A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送往數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理后續(xù)；
[0023]步驟5，數(shù)字信號(hào)處理器監(jiān)控多通道A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)未達(dá)到一定的電壓范圍時(shí)，反饋給控制電路，控制電路通過(guò)控制切換電路M4選擇電阻r2，更改二級(jí)可調(diào)放大電路的增益;再次放大后的信號(hào)進(jìn)入多通道A/D轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)變的數(shù)字信號(hào)再次進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理電路進(jìn)行判斷，重復(fù)上述過(guò)程直到達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器合適的采樣電壓；
[0024]步驟6，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理電路處理得到同一量程壓力傳感器的4個(gè)壓力傳感器的測(cè)量值，當(dāng)4個(gè)壓力傳感器的測(cè)量值相差較小時(shí)，通過(guò)平均算法得到最終壓力值，當(dāng)4個(gè)壓力傳感器的測(cè)量值中存在Pn與平均值有較大誤差時(shí)，則拋棄Pu，將其剩余數(shù)據(jù)做平均算法得到最終壓力。
[0025]步驟7，重復(fù)測(cè)量，自動(dòng)對(duì)壓力傳感器組、溫度傳感器組和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的位置，當(dāng)Pn出現(xiàn)連續(xù)測(cè)量錯(cuò)誤時(shí)，將其Pn認(rèn)定為損壞，控制器控制切換電路M3不對(duì)其Pn進(jìn)行選擇測(cè)量，并軟件操作處理剩下的測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0026]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0027]1.本實(shí)用新型將MEMS溫度傳感器與測(cè)量結(jié)構(gòu)集成在一起進(jìn)行溫度補(bǔ)償，保證其一致性，提高測(cè)量的精確度。
[0028]2.本實(shí)用新型提供的一種多量程集成壓力傳感器芯片與現(xiàn)有的壓阻式壓力傳感器相比，由于采用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同量程壓力傳感器，即具有較大的測(cè)量范圍，又保證了低壓力測(cè)量的靈敏度。
[0029]3.本實(shí)用新型針對(duì)各個(gè)量程的集成壓力傳感器陣列，提高了各量程測(cè)量的精確度。
[0030]4.采用納米薄膜作為應(yīng)變電阻，同時(shí)對(duì)應(yīng)變電阻進(jìn)行巨壓阻特性處理，提高壓阻式壓力傳感器的靈敏度。
[0031]5.工藝流程與單一量程傳感器相同，并與集成電路工藝兼容，易集成化。
[0032]6.該結(jié)構(gòu)通過(guò)自選量程、自動(dòng)修正各類(lèi)誤差、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ軄?lái)保證它的高精確度。
[0033]7.通過(guò)其故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷功能，自動(dòng)對(duì)傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的位置，并給予軟件操作處理，實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的高可靠性與高穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本實(shí)用新型流程示意圖；
[0035]圖2本實(shí)用新型芯片原理示意圖；
[0036]圖3本實(shí)用新型芯片橫向剖面圖；
[0037]圖4本實(shí)用新型芯片側(cè)向剖面圖；
[0038]圖5本實(shí)用新型芯片結(jié)構(gòu)不意圖；
[0039]圖6本實(shí)用新型溫度補(bǔ)償零點(diǎn)矩陣記錄表；
[0040]圖7本實(shí)用新型測(cè)量電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0042]如圖1所示，一種多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)裝置，其特征在于，包括可調(diào)恒流源電路101、壓力傳感陣列電路102、前置放大電路103、濾波電路104、溫度漂移補(bǔ)償電路105、二級(jí)可調(diào)放大電路106、A/D轉(zhuǎn)換器107、數(shù)字信號(hào)處理器108、控制電路109以及切換電路110，所述可調(diào)恒流源電路101實(shí)現(xiàn)不同大小恒流源的輸入，為壓力傳感陣列電路102供能，由于壓力信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)較微弱，在毫伏數(shù)量級(jí)上，為了防止在采樣過(guò)程中使得信噪比明顯的降低，在同一量程傳感器后都設(shè)置一個(gè)前置放大器103，所述壓力傳感陣列電路102連接前置放大器103對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，經(jīng)放大信號(hào)向?yàn)V波電路104輸入，濾波電路104移除傳感器陣列輸出經(jīng)前置放大電路103放大后的噪聲分量，提高模擬信噪比，經(jīng)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)入溫度漂移補(bǔ)償電路105，溫度漂移補(bǔ)償電路105依據(jù)壓力傳感器陣列102工作所處的環(huán)境溫度值進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，提高測(cè)量精度，補(bǔ)償后的電壓信號(hào)進(jìn)入二級(jí)可調(diào)放大電路106，由于前置放大器的放大倍數(shù)太大，就會(huì)降低模擬信號(hào)的信噪比，導(dǎo)致較大的誤差，因此還需要一個(gè)二級(jí)選擇性放大電路106，通過(guò)對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行放大提高分辨率，二級(jí)可調(diào)放大電路106使得放大后信號(hào)的電壓范圍滿足A/D轉(zhuǎn)換器107的電壓范圍匹配要求后，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器107，經(jīng)過(guò)放大電路106放大后的信號(hào)還是模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器107轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送往數(shù)字信號(hào)處理器108進(jìn)行處理后續(xù)，這里多路A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)同一量程壓力傳感器的同時(shí)采集，提高工作效率，數(shù)字信號(hào)處理器108監(jiān)控A/D轉(zhuǎn)換器107采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入一定的電壓范圍時(shí)，反饋到控制電路109，控制電路109控制切換電路110實(shí)現(xiàn)對(duì)二級(jí)可調(diào)放大電路，106增益的改變，使得增益能自動(dòng)地隨采集數(shù)據(jù)的大小而調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變精度的A/D采集，控制電路109控制切換電路110分別連接二級(jí)可調(diào)放大電路106、壓力傳感電路102和可調(diào)恒流源電路101，數(shù)字信號(hào)處理器108處理最終經(jīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)并且確定輸入壓力，當(dāng)輸入壓力在其它量程壓力傳感器范圍內(nèi)時(shí)，反饋給反饋到控制電路109，控制電路109控制切換電路110實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感電路102合適量程的壓力傳感器的選擇，重復(fù)上述過(guò)程對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量;否則輸出該壓力值，該壓力值為最終精確壓力值。
[0043]所述可調(diào)恒流源電路101主要由電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電壓為Vl的穩(wěn)壓二極管Z1、放大器AMP1、切換電路M2構(gòu)成，電阻Rl為限流電阻，電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5為切換電阻，切換電路M2受控制電路611控制。
[0044]所述壓力傳感陣列電路102由切換電路Ml、切換電路M3與壓力傳感器組構(gòu)成，切換電路Ml連接各量程傳感器，切換電路M3針對(duì)切換電路Ml選擇的某一量程的壓力傳感器進(jìn)行選擇，所述切換電路Ml、切換電路M3均由控制電路111控制。
[0045]所述前置放大電路由儀表放大器INA128與電阻Rg構(gòu)成，所述模擬濾波電路104為一種低通濾波電路，由電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電容Cl、電容C2和放大器AMP2構(gòu)成，電阻R8和電容C2構(gòu)成兩個(gè)反饋支路，所述二級(jí)放大電路106由切換電路M4、放大器AMP4、精密電阻rl，r2...rn構(gòu)成。
[0046]所述溫度漂移補(bǔ)償電路105為模擬電路補(bǔ)償，由溫度傳感器組、溫度補(bǔ)償記錄表、D/A轉(zhuǎn)換器、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和AMP3構(gòu)成，所述電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和AMP3構(gòu)成減法器，D/A轉(zhuǎn)換器連接減法器的負(fù)端，壓力傳感器組連接減法器的正端。
[0047]所述壓力傳感器組為M X N壓力傳感器陣列，用于測(cè)量壓力，壓力傳感器組具有M種量程壓力傳感器，同時(shí)M種量程的壓力傳感器各具有N個(gè)，其M，N可為任意數(shù)，如圖5所示SlX?SMX (X為I?N)代表M種量程，SXI?SXN (X為I?N)代表X量程的N個(gè)壓力傳感器，所述溫度傳感器組為2 XM個(gè)溫度傳感器陣列，壓力傳感器組與溫度傳感器組設(shè)置于同一襯底上組成芯片，溫度傳感器陣列位于壓力傳感器陣列兩側(cè)，相應(yīng)的每一量程的壓力傳感器左右兩側(cè)均有一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)測(cè)量所工作壓力傳感器的環(huán)境溫度值，用于對(duì)壓力傳感器陣列進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償。如圖5所示Tl I?TlM，T21?T2M代表2M個(gè)溫度傳感器。
[0048]壓力傳感器量程與各量程壓力傳感器可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。本實(shí)用新型以4X4壓力傳感器陣列為例，兼顧對(duì)微壓量程的范圍與高量程壓力傳感器的重要性，所設(shè)計(jì)的微壓傳感器選定目標(biāo)為O?10kpa，低壓傳感器目標(biāo)為0.1?IMpa，中壓傳感器目標(biāo)I?1Mpa，高壓傳感器目標(biāo)10?50Mpa，每一類(lèi)傳感器分別有4個(gè)。如圖2所示，高壓量程傳感器為Sll，S12，S13，S14;中壓量程壓力傳感為S21，S22，S23，S24 ；低壓量程壓力傳感器為S31，S32，S33，S34;微壓量程壓力傳感器為S41，S42，S43，S44;相應(yīng)的溫度傳感器為T(mén)l I，T12，T13，Τ14，Τ21，Τ22，Τ23，Τ24，其中鉑電極為201，鋁電極為202，導(dǎo)線為203，硅納米線204。
[0049]多量程陣列式壓力傳感芯片橫向剖面圖如圖3所示，左右兩側(cè)為溫度傳感器，中間為同一量程的壓力傳感陣列。而多量程陣列式壓力傳感芯片縱向剖面圖如圖4所示，圖中的壓力傳感器分別具有不同量程。
[0050]本實(shí)用新型所述一種多量程陣列式壓力傳感芯片由于其寬量程可廣泛用于測(cè)量的氣壓變化較大的環(huán)境，由于該結(jié)構(gòu)通過(guò)自選量程、自動(dòng)修正各類(lèi)誤差、自動(dòng)補(bǔ)償可廣泛用于高精確度要求的環(huán)境。通過(guò)其故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷功能，實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的高可靠性與高穩(wěn)定性。使多量程集成壓力傳感器芯片得以應(yīng)用于各種惡劣的環(huán)境條件下。
[0051]如圖7所示，一種多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)方法包括以下步驟:
[0052]步驟1，電阻R1，R2，放大器AMP1，V1的穩(wěn)壓二極管Zl構(gòu)成電流為I=V1/R2恒流源電路，為壓力傳感器陣列進(jìn)行供能，切換電路Ml連接至高量程壓力傳感器陣列，切換電路M3對(duì)相應(yīng)的高量程壓力傳感器SI I，S12，S13，S14進(jìn)行選擇，當(dāng)壓力P作用時(shí)，高壓量程壓力傳感器陣列膜片都發(fā)生彎曲，膜片應(yīng)變引起應(yīng)變電阻變化AR，在恒流源的激勵(lì)下，惠斯通電橋電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化AV;
[0053]步驟2，連接切換電路M3所對(duì)應(yīng)的儀表放大器INA128對(duì)惠斯通橋電路電壓輸出Δ V進(jìn)行放大，為了保證較高的信噪比與減小后級(jí)電路的噪聲，此處前置增益選擇為20，經(jīng)過(guò)前置放大電路的放大后的壓力傳感器輸出的信號(hào)流入濾波電路，濾掉信號(hào)中一部分噪聲以及不需要的頻率范圍的信號(hào)，在一定程度上提高了輸出模擬信號(hào)的信噪比；
[0054]步驟3，針對(duì)溫度漂移影響測(cè)量精度的問(wèn)題，首先測(cè)出各溫度傳感器在不同溫度時(shí)的零點(diǎn)輸出，將其A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存放到存儲(chǔ)器中，做成矩陣記錄表，如圖6所示，此數(shù)據(jù)值為A，根據(jù)溫度傳感器的測(cè)量值得到進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)溫度環(huán)境，將矩陣記錄表相對(duì)應(yīng)的的A通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換連接減法器的負(fù)端，壓力傳感器測(cè)量值連接正端，然后連接A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)模擬溫度漂移補(bǔ)償方案；
[0055]步驟4，溫度漂移補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)入二級(jí)選擇性放大電路，切換電路M4對(duì)電阻rl進(jìn)行選擇，初始放大倍數(shù)為1，經(jīng)二級(jí)選擇性放大后信號(hào)進(jìn)入多通道A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送往數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理后續(xù)；
[0056]步驟5，數(shù)字信號(hào)處理器監(jiān)控多通道A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)未達(dá)到一定的電壓范圍時(shí)，反饋給控制電路，控制電路通過(guò)控制切換電路M4選擇電阻r2，更改二級(jí)可調(diào)放大電路的增益;再次放大后的信號(hào)進(jìn)入多通道A/D轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)變的數(shù)字信號(hào)再次進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理電路進(jìn)行判斷，重復(fù)上述過(guò)程直到達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器合適的采樣電壓；
[0057]步驟5，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理電路處理得到同一量程壓力傳感器的4個(gè)壓力傳感器的測(cè)量值？1，？2，？3，？4，當(dāng)？1，？2，？3，？44個(gè)壓力傳感器的測(cè)量值相差較小時(shí)，通過(guò)平均算法得到最終壓力值Ρ=(Ρ1+Ρ2+Ρ3+Ρ4)/4，當(dāng)4個(gè)壓力傳感器的測(cè)量值中存在Pn(n=l，2，3，4)與平均值有較大誤差時(shí)，則拋棄Pn，將其剩余數(shù)據(jù)做平均算法得到最終壓力。
[0058]步驟6，重復(fù)測(cè)量，自動(dòng)對(duì)壓力傳感器組、溫度傳感器組和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行定期的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的位置，當(dāng)Pn出現(xiàn)連續(xù)測(cè)量錯(cuò)誤時(shí)，將其Pn認(rèn)定為損壞，控制器控制切換電路M3不對(duì)其Pn進(jìn)行選擇測(cè)量，并軟件操作處理剩下的測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0059]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多量程陣列式壓力傳感芯片，其特征在于，包括在同一襯底上的壓力傳感器組和溫度傳感器組，所述壓力傳感器組為M X N壓力傳感器陣列，壓力傳感器組具有M種量程壓力傳感器，同時(shí)M種量程的壓力傳感器各具有N個(gè)，其M，N為任意數(shù)，所述溫度傳感器組為2 XM個(gè)溫度傳感器陣列，溫度傳感器陣列位于壓力傳感器陣列兩側(cè)，相應(yīng)的每一量程的壓力傳感器左右兩側(cè)均有一個(gè)溫度傳感器。2.一種如權(quán)利要求1所述的多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，包括可調(diào)恒流源電路、壓力傳感陣列電路、前置放大電路、濾波電路、溫度漂移補(bǔ)償電路、二級(jí)可調(diào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器、控制電路以及切換電路，所述可調(diào)恒流源電路為壓力傳感電路供能，所述壓力傳感電路連接前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，經(jīng)放大信號(hào)向?yàn)V波電路輸入，經(jīng)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)入溫度漂移補(bǔ)償電路，補(bǔ)償后的電壓信號(hào)進(jìn)入二級(jí)可調(diào)放大電路，二級(jí)可調(diào)放大電路放大信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)處理器監(jiān)控A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)反饋到控制電路，控制電路控制切換電路分別連接二級(jí)可調(diào)放大電路、壓力傳感電路和可調(diào)恒流源電路。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述可調(diào)恒流源電路主要由電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電壓為Vl的穩(wěn)壓二極管Z1、放大器AMP1、切換電路M2構(gòu)成，電阻Rl為限流電阻，電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5為切換電阻，切換電路M2受控制電路控制。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述壓力傳感陣列電路由切換電路Ml、切換電路M3與壓力傳感器組構(gòu)成，切換電路Ml連接各量程傳感器，切換電路M3針對(duì)切換電路Ml選擇的某一量程的壓力傳感器進(jìn)行選擇，所述切換電路Ml、切換電路M3均由控制電路控制。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述前置放大電路由儀表放大器INA128與電阻Rg構(gòu)成，所述濾波電路為一種低通濾波電路，由電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電容Cl、電容C2和放大器AMP2構(gòu)成，電阻R8和電容C2構(gòu)成兩個(gè)反饋支路，所述二級(jí)可調(diào)放大電路由切換電路M4、放大器AMP4、精密電阻構(gòu)成。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多量程陣列式壓力傳感芯片的檢測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述溫度漂移補(bǔ)償電路為模擬電路補(bǔ)償，由溫度傳感器組、溫度補(bǔ)償記錄表、D/A轉(zhuǎn)換器、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和AMP3構(gòu)成，所述電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和AMP3構(gòu)成減法器，D/A轉(zhuǎn)換器連接減法器的負(fù)端，壓力傳感器組連接減法器的正端。
【文檔編號(hào)】G01L1/26GK205607567SQ201520931499
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2015年11月19日
【發(fā)明人】張加宏, 趙陽(yáng), 顧芳, 陳劍翔, 張?jiān)孪? 沈雷
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)