CN106507922B - 一种压阻式压差压力传感器 - Google Patents
一种压阻式压差压力传感器Info
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Abstract
本发明属于一种传感器，具体涉及一种压阻式压差压力传感器。它包括受压件，受压件内的空腔设有敏感芯体，在受压件上部的边缘处有柱，在柱上安装有印制板组件，印制板组件的上下端面分别垫有垫片。本发明的优点是：(1)结构紧凑、加工难度低：传感器主要由受压件、敏感芯体及印制板组件构成，无特殊工艺；(2)寿命长：该传感器寿命在满幅压力下，可达50万次至100万次，而目前普遍使用的电感式压差/压力传感器仅为20万次；(3)精度高、体积小：传感器采用了先进的SOI单晶硅压力敏感芯体，可以保证传感器在使用温度范围内的高精度要求，同时为适应导弹对压差/压力传感器小型化要求，使用了小体积的压力敏感芯体。
Description
技术领域
本发明属于一种传感器，具体涉及一种压阻式压差压力传感器。
背景技术
导弹伺服系统用测量差压的传感器要适应飞行过程及贮存过程中的高温(低温)、强振动、强冲击的环境要求，同时也要具有小型化、可靠性高、精度高等特点。
目前有很多种不同工作原理的压力传感器，像电感膜片式、电阻应变片式、谐振式、压电式及压阻式等。电感膜片式是目前伺服系统大量使用的压力压差传感器，优点是结构简单、耐温高，但机械加工要求高，性能稳定性差。而电阻应变片式性能受粘接工艺的影响较大，谐振式结构较复杂，实现较麻烦。压电式压差传感器膜片受外界应力影响较大，输出稳定性差。而压阻式压差传感器可以小型化，通过温度补偿可以做到高精度，性能不受安装等环境应力影响，因此其稳定性相当高，选择压阻式原理进行压差传感器研制，正是利用了压阻压力传感器的宽温域、高精度、高稳定性特征，解决伺服系统电感式压差传感器加工困难、稳定性差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种压阻式压差压力传感器，它具有精度高、稳定性好、寿命长、宽温域等特点。
本发明是这样实现的，一种压阻式压差压力传感器，它包括受压件，受压件内的空腔设有敏感芯体，在受压件上部的边缘处有柱，在柱上安装有印制板组件，印制板组件的上下端面分别垫有垫片，敏感芯体的上端面处设有绝缘垫，印制板组件包括恒流源电路、仪表放大电路及差动放大电路，恒流源电路包括电压基准和运算放大器I，电压基准的2脚接电源，4脚接地，2脚与4脚之间接电容，运算放大器I的3脚与电压基准的6脚相连，7脚与4脚为运算放大器I供电端，通过电容接地，运算放大器I的2脚通过电阻接地形成恒定电流，并且运算放大器I的2脚接入其中一个敏感芯体I的负输入端，敏感芯体I的正输入端与另一敏感芯体II的负输入端相连，再由敏感芯体II的正输入端连入运算放大器I输出端6脚；仪表放大电路包括两路仪表放大器，两个敏感芯体的正输出端分别连接两路仪表放大器的4脚，两个敏感芯体的负输出端分别连接两路仪表放大器的1脚，每路仪表放大器的2脚和3脚之间通过电阻连接进行信号放大，8脚与5脚为每路仪表放大器供电端，且都通过电容接地进行滤波，每路仪表放大器6脚都接地，7脚为每路仪表放大器的输出端；差动放大电路采用了运算放大器II，将两路仪表放大器输出信号进行差动放大，其中一个仪表放大器的7脚通过电阻接运算放大器II的3脚，同时运算放大器II的3脚还通过电阻接地，另一个仪表放大器的7脚通过电阻接运算放大器II的2脚，同时运算放大器II的2脚还通过电阻接运算放大器II的6脚，运算放大器II的7脚与4脚为运算放大器II的供电端，通过电容接地进行滤波，6脚为运算放大器II输出端，经RC电路滤波后输出，其中，电压基准采用ADR291、两个运算放大器都采用OP-07、两路仪表放大器都采用AD8221。
本发明的优点是：(1)结构紧凑、加工难度低：传感器主要由受压件、敏感芯体及印制板组件构成，无特殊工艺；(2)寿命长：该传感器寿命在满幅压力下，可达50万次至100万次，而目前普遍使用的电感式压差/压力传感器仅为20万次；(3)精度高、体积小：传感器采用了先进的SOI单晶硅压力敏感芯体，可以保证传感器在使用温度范围内的高精度要求，同时为适应导弹对压差/压力传感器小型化要求，使用了小体积的压力敏感芯体(外径仅为Φ12.6mm，高度9.5mm)；(4)稳定性好：与以往传感器相比，硅压阻式压力/压差传感器具有稳定性好的特点，传感器零点漂移不大于0.15％FS，热零点漂移：不大于±0.018％FS/℃；热灵敏度漂移：不大于±0.018％FS/℃。
附图说明
图1为本发明所提供的一种压阻式压差压力传感器示意图；
图2为印制板组件电路模块图；
图3为印制板组件电路示意图。
图中，1受压件，2印制板组件，3敏感芯体，4柱，5垫片，6绝缘垫。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
压阻式压差压力传感器是利用单晶硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。传感器中的感压部分采用的是SOI单晶硅压力(差)传感器的SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)敏感芯体，是在弹性体上制作四个扩散硅电阻，构成惠斯顿电桥，位置对称设计在弹性体的正负应变区上。在被测介质压力的作用下，弹性体发生小挠度形变，扩散硅电阻的阻值随之对应增加或减小，引发惠斯登电桥的不平衡，输出信号也随之变化，并与被测介质压力成线性变化，该信号经差动放大电路处理后输出与两腔压差成比例的直流电压信号。
如图1所示，一种压阻式压差压力传感器，它包括受压件1，受压件1内的空腔中安装有敏感芯体3，敏感芯体3与受压件1采用电子束焊接为一体，在受压件1上部的边缘处有四个柱4，在柱4上安装有印制板组件2，印制板组件2的上下端面分别垫有垫片5，柱4将印制板组件2压紧，绝缘垫6起到绝缘及密封作用。
本发明的原理是：传感器由两个绝压的硅压阻敏感芯体分别感应两压力腔的压力，输出两路与压力成正比的直流电压信号，经差动放大电路处理后输出与两腔压差成比例的直流电压信号。硅压阻敏感芯体采用了先进的硅基SIMOX(氧离子注入，一种SOI结构)材料制作而成，同时对敏感芯体进行了温度补偿，从而保证了敏感芯体的温度特性；在电路设计上，采用了恒流源对硅压阻敏感芯体进行供电，有效的降低了温度对敏感芯体的影响，两个硅压阻敏感芯体的输出分别经两个贴片式仪表放大器(AD公司生产的AD8221)变换后输出0～5V信号，然后经差动放大器输出±5V信号。
如图2所示，印制板组件2包括恒流源电路、仪表放大电路及差动放大电路。恒流源电路由电压基准模块及运算放大器组成，为敏感芯体提供恒流源，其中，恒流电源模块包括电压基准，其型号为ADR291，电压基准的2脚接电源在本实施例中选择15V的电源，4脚接地，2脚与4脚之间接电容，运算放大器的3脚与电压基准的6脚相连，7脚与4脚为运算放大器供电端，通过电容接地进行滤波，2脚通过电阻接地形成恒定电流并接入其中一个敏感芯体的负输入端，正输入端与另一敏感芯体的负输入端相连，再由正输入端连入运算放大器输出端6脚；仪表放大电路采用了仪表放大器AD8221，敏感芯体的正输出端连接仪表放大器的4脚，仪表放大器的2脚与3脚之间通过电阻连接进行信号放大，8脚与5脚为仪表放大器供电端，通过电容接地进行滤波，6脚接地，7脚为仪表放大器输出端；差动放大电路采用了运算放大器，将两路仪表放大器输出信号进行差动放大，其中一个仪表放大器的7脚通过电阻接运算放大器的3脚，同时还通过电阻接地，另一个仪表放大器的7脚通过电阻接运算放大器2脚，同时还通过电阻接运算放大器的6脚，运算放大器的7脚与4脚为运算放大器供电端，通过电容接地进行滤波，6脚为运算放大器输出端，经RC电路滤波后输出。
敏感芯体与受压件是通过电子束焊接在一起的，为了减小电子束焊接过程中的热应力对敏感芯体的影响，在满足要求的焊接深度前提下，应尽可能提高焊接时的线速度，由于敏感芯体的直径较小，在焊机角速度极限情况下，焊接时的线速度仍较小，难以满足要求，采用了合适的焊接工装后，通过数次试验，最终确定了适合该传感器的敏感芯体的焊接参数。同时在焊接处增加了应力释放槽，进一步减小了焊接应力对敏感芯体的影响。
本发明的创新点在于：(1)首次在型号配套的传感器中采用SOI(Siliconon insulator)新型半导体材料，提高了芯体性能及使用温度，SOI单晶硅压力(差)传感器以SiO2介质隔离代替PN结隔离，减少了器件在高温下的漏电，从而提高了传感器的工作温度，和多晶硅相比，单晶硅有更大的压阻系数，通过优化传感器芯片设计，进一步提高传感器的灵敏度；(2)敏感芯体与受压件是通过电子束焊接在一起，由于敏感芯体外径较小、敏感芯体内有元器件，所以对焊接质量要求较高，经过对比各焊接方法，认为采用电子束焊接方式可避免焊接过程中的热应力对敏感芯体电路部分造成影响，同时，在焊接处增加了应力释放槽，减小焊接应力对敏感芯体的影响；(3)在该传感器的调理电路中没有采用通常使用的四运放进行信号放大，而是使用了仪表放大器，通过仪表放大器的高精度、高匹配性，提高了电路的共模抑制比、简化了调试。
Claims (1)
1.一种压阻式压差压力传感器，其特征在于：它包括受压件(1)，受压件(1)内的空腔设有敏感芯体(3)，在受压件(1)上部的边缘处有柱(4)，在柱上安装有印制板组件(2)，印制板组件(2)的上下端面分别垫有垫片(5)，敏感芯体(3)的上端面处设有绝缘垫(6)，印制板组件(2)包括恒流源电路、仪表放大电路及差动放大电路，恒流源电路包括电压基准和运算放大器I，电压基准的2脚接电源，4脚接地，2脚与4脚之间接电容，运算放大器I的3脚与电压基准的6脚相连，7脚与4脚为运算放大器I供电端，通过电容接地，运算放大器I的2脚通过电阻接地形成恒定电流，并且运算放大器I的2脚接入其中一个敏感芯体I的负输入端，敏感芯体I的正输入端与另一敏感芯体II的负输入端相连，再由敏感芯体II的正输入端连入运算放大器I输出端6脚；仪表放大电路包括两路仪表放大器，两个敏感芯体的正输出端分别连接两路仪表放大器的4脚，两个敏感芯体的负输出端分别连接两路仪表放大器的1脚，每路仪表放大器的2脚和3脚之间通过电阻连接进行信号放大，8脚与5脚为每路仪表放大器供电端，且都通过电容接地进行滤波，每路仪表放大器6脚都接地，7脚为每路仪表放大器的输出端；差动放大电路采用了运算放大器II，将两路仪表放大器输出信号进行差动放大，其中一个仪表放大器的7脚通过电阻接运算放大器II的3脚，同时运算放大器II的3脚还通过电阻接地，另一个仪表放大器的7脚通过电阻接运算放大器II的2脚，同时运算放大器II的2脚还通过电阻接运算放大器II的6脚，运算放大器II的7脚与4脚为运算放大器II的供电端，通过电容接地进行滤波，6脚为运算放大器II输出端，经RC电路滤波后输出，其中，电压基准采用ADR291、两个运算放大器都采用OP-07、两路仪表放大器都采用AD8221。
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| CN112903176A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-06-04 | 明晶芯晟(成都)科技有限责任公司 | 基于封装基板的阵列式压力测量装置 |
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