專利名稱：一種硅電容多參量差壓傳感器及靜壓影響補償方法
技術領域：
本發明涉及傳感器制造及其信號處理技術，一種硅電容多功能差壓傳感器及靜壓影響補償方法。
背景技術：
硅電容差壓傳感器是一種新型的結構型差壓傳感器，核心敏感器件采用單晶硅材料，利用微電子和微機械加工融合技術制作，由于硅材料彈性體的材料的自身優勢，使硅電容傳感器與以往的金屬電容傳感器相比，在測量精度、穩定性等方面都具有更加明顯的優勢。硅電容傳感器的核心敏感器件把外加的兩個壓力信號轉換為相應的電容變化，檢測電路則把電容的變化轉換為需要的電信號，對該電信號進行處理就可以得到相應的輸出信號。對于差壓傳感器來說，在理想情況下其輸出與外加壓力差敏感，對壓力值不敏感， 即差壓傳感器的靜壓影響應該很小。但實際情況中，許多因素都會造成差壓傳感器的輸出信號受到靜壓的影響，這種靜壓影響對傳感器的差壓測量結果造成一種附加誤差，直接影響傳感器的綜合測量精度。為了提高差壓傳感器的綜合精度，有必要降低差壓傳感器的靜壓影響。另外，現有技術中，電容差壓傳感器通常都是單參量輸出，即單一量輸出對應差壓輸入信號，無靜壓和溫度等參數輸出信息，使得傳感器的后補償技術受到了限制，也無法滿足工業現場需要的提供多個參數的要求。隨著我國工業過程控制技術的智能化發展，工業控制儀表對多參數、高精度的傳感器的需求量日益增長，多參數輸出傳感器逐步取代單一參量輸出傳感器已成為必然的趨勢，同時也對傳感器實現高精度測量提出了更高的要求。因此在傳感器的設計上增加多參數測量單元，并通過補償技術降低傳感器的靜壓影響，提高傳感器的綜合精度十分必要。目前，有效降低電容差壓傳感器的靜壓影響的基本方法是1、通過優化傳感器的設計及制造工藝，從根本上直接提高傳感器的靜壓指標。該方法對傳感器的設計及制造工藝乃至工藝裝備要求更高，對實現的條件要求更苛刻，實現難度大，有時在一定條件下難以持續降低靜壓影響，在一定的瓶頸條件下可能造成技術停步，并導致生產成本難以進一步下降。2、采用軟硬件結合的補償技術，通過快速發展的數字化處理技術，提高電容傳感器的靜壓指標。這種方法對設計及工藝裝備依賴較低，相對易于實現。還可以把某些靜壓指標不滿足要求的電容傳感器通過靜壓補償技術轉變為符合要求的傳感器，從而提高傳感器的綜合精度，提高成品率，降低產品的生產成本。目前，關于硅電容多功能差壓傳感器靜壓影響補償方法的內容未見到公開報道。
發明內容
本發明目的是提供一種能夠實現多參數輸出及硅電容差壓傳感器的靜壓影響補償方法，實現單一傳感器同點的多參數輸出及輸出特性的高精度測量，有效消除靜壓、溫度等附加誤差，提高電容傳感器的綜合測量精度。
多參數輸出的硅電容差壓傳感器，在硅電容敏感芯體管座內設置差壓測量敏感元件、靜壓敏感元件和溫度敏感元件，其特征在于將集靜壓、溫度敏感元件為一體的壓力溫度傳感器置于硅電容敏感芯體的燒結管座上，將各個敏感元件的輸出電極分別通過硅鋁絲壓焊與燒結管座的對應引腳相連，并與檢測電路相連，將各敏感元件封裝在由金屬隔離膜片隔離密封的硅油充灌液中；該傳感器的兩引壓口分別與受壓部的高壓腔和低壓腔相連，外加壓力通過傳感器內部的充灌液傳遞到敏感元件。靜壓影響補償方法，包括采用在硅電容差壓傳感器內設置差壓測量、靜壓和溫度敏感元件的傳感器，其特征在于外部環境監測量的差壓量Pd、靜壓量Ps、溫度量T，通過三個敏感單元轉換為電參量輸出，其中差壓敏感單元輸出電參量Upd除了反映差壓量Pd的影響外還受到靜壓Ps和溫度T的影響，而靜壓敏感單元的輸出電參量Ups除反映靜壓Ps外還受到溫度T的影響，三個參量Upd、Ups, Ut通過轉換模塊2的轉換成數字量，實現單一傳感器同點的多參數輸出；同時利用產生的靜壓參量和溫度參量通過轉換電路和數據補償處理電路的處理實現對差壓測量參量的補償校正。本發明的突出貢獻是1、在硅電容差壓傳感器中引入靜壓敏感單元，由靜壓敏感單元測試出測試現場的靜壓量值，經過處理補償電路的數字處理利用靜壓測量值對硅電容差壓敏感單元的測量值進行數字補償，實現硅電容差壓傳感器的靜壓影響補償，提高傳感器的綜合精度。2、改變硅電容差壓傳感器單一的差壓量輸出形式，通過增加靜壓敏感單元和溫度敏感單元，實現了硅電容差壓傳感器的測試現場的多參量輸出。本硅電容差壓傳感器可實現對現場的差壓、壓力、溫度量的測量，通過過個敏感單元的封裝集成，提高了硅電容差壓傳感器的綜合性能價格比。本方法簡便易操作，成本低，對電容傳感器的批量生產極為有利。
圖1為本發明硅電容差壓敏感單元工作原理示意圖；圖2為本發明靜壓-溫度敏感單元工作原理示意圖；圖3為本發明多參量硅電容差壓傳感器結構示意圖；圖4為本發明硅電容差壓敏感單元結構剖視圖；圖5為本發明靜壓-溫度敏感單元結構裝配剖視圖；圖6為本發明靜壓-溫度敏感單元結構裝配俯視圖；圖7多參量硅電容差壓傳感器補償原理圖；圖8多參量硅電容差壓傳感器靜壓補償模塊框圖；圖9硅壓阻壓力敏感單元靜壓-溫度工作原理示意具體實施例方式多參數輸出的硅電容差壓傳感器，其功能原理見圖7，在硅電容差壓傳感器的敏感模塊1內設置了 3個敏感元件，分別為差壓敏感單元la、靜壓敏感單元lb、溫度單元lc，外部環境監測量有差壓量Pd、靜壓量Ps、溫度量T，通過三個敏感單元分別轉換為電參量輸出，其中差壓敏感單元輸出電參量Upd除了反映差壓量Pd的影響外還受到靜壓Ps和溫度 T的影響，而靜壓敏感單元的輸出電參量Ups除反映靜壓Ps外還受到溫度T的影響，三個
5參量Upd、Ups, Ut通過通過數據采集信號轉換模塊2轉換為數字量，由數據處理補償轉換模塊進行數字補償處理，最終形成對應差壓Pd、靜壓Ps、溫度T的三個電參量Xd、Xs、Xt信息，其中Xd只與差壓Pd有關，不受Ps的影響，即在實現多個參量測量的同時，還實現靜壓和溫度的補償。整個過程可以通過多元方程組形式表示。其表達式如下Upd = f^Pd, Ps, T)(1)Ups = f2(Ps, Τ)(2)Ut = f3(T)(3)Xd = f4(Upd, Ups, Ut) (4)Xs = f5(Ups, Ut)(5)Xt = f6 (Ut)(6)其中Upd是差壓元件輸出值Ups是靜壓元件輸出值Ut是溫度元件輸出值Pd是外加差壓值Ps是外加靜壓值T是外加溫度值Xp是傳感器差壓輸出差壓量Xs是傳感器靜壓輸出靜壓值Xt是傳感器溫度輸出值在傳感器的生產補償驗證過程中，Pd、Ps、T為已知的外輸入量，Xp、Xs、Xt為最終傳感器輸出的三個經數據補償處理后的電參量。電參量Upd、Ups、Ut為敏感單元轉換出的已知量，通過方程(1) (6)建立Xp、Xs、Xt與Pd、Ps、T對應關系。在傳感器的實際應用過程中，利用得出的對應關系，通過傳感器的輸出參量Xp、Xs、Xt及敏感單元輸出量Upd、Ups、 Ut可明確測試出外部環境量Pd、Ps、Τ。從而實現了傳感器的多參量輸出的同時，實現差壓的靜壓補償，進而提高傳感器的綜合測量精度。在圖7中，傳感器模塊1實現外加物理信號的轉換，本發明設置的靜壓單元Ib把外部靜壓轉換成電信號Ups，該信號對實現差壓傳感器的靜壓影響消除是必不可少的。。數據采集信號轉換模塊2把差壓敏感單元Ia輸出的電容信號、靜壓敏感單元Ib輸出的電壓信號、溫度敏感單元Ic輸出的電阻信號轉變成相應的電信號，并把模擬量的電信號轉變成數字量輸出。再由后面的數據處理補償轉換模塊3對數據采集信號轉換模塊2輸出的數字量進行數據處理、補償、校正，最后形成傳感器的測量輸出值。實施例1的硅電容差壓傳感器結構見圖3，其特征在于傳感器基座7內封裝有差壓敏感單元la，差壓敏感單元Ia通過其組件之一的金屬導壓管la-4固定在傳感器基座7 內，其輸出通過燒結引線6聯通到數據采集及轉換模塊2。差壓敏感單元Ia的更詳細結構見如圖4 ；在基座7上面有一燒結端子8，在內表面處裝有靜壓敏感單元lb、溫度敏感單元 lc，其各自的輸出通過燒結引線6聯通到數據采集及轉換模塊2，燒結端子8及其上的靜壓敏感單元Ib和溫度敏感單元Ic的結構細節見圖5及圖6。數據采集轉換模塊2通過數據傳輸線10與處理補償轉換模塊3相連，模塊2和模塊3的更詳細的組成見圖8。傳感器基座7下部有高壓腔a和低壓腔b，外部壓力Pl通到高壓腔a并傳導到差壓敏感單元Ia正腔、靜壓敏感單元lb，外部壓力P2通到負壓腔并傳到到差壓敏感單元Ia的負腔。圖4表示傳感器結構圖3中的差壓敏感單元Ia結構的細節。該結構從上到下的順序由玻璃固定極板la-2、硅中心極板Ia-I、玻璃固定極板la_2、玻璃底板la_3、導壓管 la-4、底座7等組成。中心極板Ia-I為雙面拋光的硅單晶片，中間有一個和膜區相連的可以上下移動的質量塊la-8，在右側有壓焊點la-9實現極板的電極引出。固定極板la_2由雙拋玻璃制作，在中心有穿透玻璃的導壓孔la-7，玻璃極板及導壓孔表面有電極層la-6， 同時在導壓孔la-7側壁表面中形成金屬連線；玻璃底板la-3和玻璃極板la_2相連，在其邊有壓焊點la-9以便實現電容下極板的電極引出。圖5和圖6為傳感器結構圖3中燒結端子8及其上靜壓-溫度敏感單元結構裝配剖視圖的結構細節。在燒結端子8的圓中心位置有靜壓敏感單元Ib和溫度敏感單元lc， 燒結端子8上的引腳6共有8個引腳，其中引腳6a、6b、6c和差壓敏感單元Ia的電極引出端la-9采用硅鋁絲連接；引腳6d、6e、6f、6g分別和靜壓敏感單元Ib的輸入、輸出端ΙΝ、0、 0utl、0ut2 (見圖2. 1及圖2. 2結構圖)相連、引腳6h和溫度敏感單元Ic的輸出端0ut3相連。圖5及圖6結構描述中提及的靜壓敏感單元和溫度敏感單元其結構細節見圖2，硅芯片lb-Ι、雙拋玻璃lb-2封接而成。硅芯片Ib-I上表面在合適的位置采用微機械加工工藝形成4個壓力敏感電組Rl、R2、R3、R4，并形成溫度敏感電阻Rt，在硅芯片背面有一空腔成真空狀態，Rl、R2、R3、R4按照圖示的布局連接成電橋。實施例1的硅電容差壓傳感器中差壓敏感單元實施方案說明因為硅電容差壓傳感器要保證傳感器實現要求的功能，設計了獨特的裝配工藝過程。首先是敏感單元的制作，差壓敏感單元la(詳細結構見圖4)的中心極板Ia-I為雙面拋光的硅單晶片，采用微機械加工工藝制作，中間可上下移動的質量塊la-8采用化學腐蝕工藝制作，采用硅鋁絲超聲壓焊工藝實現壓焊點la-9到電極端子6的引出。固定極板la-2 由雙拋玻璃制作，先在中心加工出穿透玻璃的導壓孔la-7，再采用濺射金屬的方法在其表面形成電極層la-6。硅中心極板Ia-I與玻璃固定極板la_2，玻璃底板la_3與導壓管la_4 采用靜電封接工藝順序連接在一起，玻璃固定極板la-2與玻璃底板la-3之間采用導電膠相連，導壓管la-4和傳感器底座7之間采用焊接工藝實現氣密連接。采用壓焊工藝在焊點 la-9和燒結端子6之間形成硅鋁絲連線la-10，實現電容電極引出。最后差壓敏感單元裝入基座7內。在基座7內有硅油作為外界壓力的傳導介質。最終形成差壓敏感單元-差壓芯體。靜壓敏感單元lb、溫度敏感單元Ic同樣是采用微機械加工工藝制作在 2. 45mmX2. 45mm的硅片上構成靜壓、溫度敏感單元。其中采用注入摻雜工藝將硼離子注入硅芯片表面內，在經過退火激活、再擴氧化等工藝形成敏感電阻。在芯片背面用化學腐蝕工藝加工出空腔lb-3。加工完的硅芯片再和封接玻璃通過在真空狀態下經氣密靜電封接工藝連接在一起，形成具備壓力測量的敏感單元。傳感器裝配過程首先把靜壓-溫度敏感單元粘接在燒結端子8表面，在用超聲壓焊工藝把焊點和端子引線連接，把燒結端子用電子束焊接工藝裝配到基座7上，把差壓單元裝到基座，其上的導壓管外端和基座連接處采用氬弧焊接工藝連接。經過焊接膜片、膜片成型、充灌、老化、篩選等工序，成為合格的差壓傳感器。把完成的差壓傳感器與數據采集轉換模塊2及模塊2與數據處理補償轉換模塊3按照設計要求連接，并安裝外殼、卡具等成為最終的壓力變送器。差壓敏感單元的工作原理是當有外加壓力加于塊la-8的上表面(下表面)時，可動質量塊la-8在膜區形變彎曲的情況下，會向下(向上)移動，導致la-8與固定電極la-2 的間隙發生變化，進而la-8和電極la-6形成的敏感電容發生變化，這種變化可以用來檢測外加壓力的變化。硅電容差壓敏感單元Ia的工作原理可簡化為兩個差動電容見圖1所示，圖4則給出了硅電容差壓敏感單元Ia的實現結構圖。當差壓敏感單元Ia感受到測量壓力Pl和P2 外加壓力作用時，引起初始差動電容Cl、C2發生變化，其電容的表達式分別為(7)和(8)， 電容的差除和與輸入壓力成線性關系，表達式為(9)
權利要求
1.一種多參數輸出的硅電容差壓傳感器，在硅電容敏感芯體管座內設置差壓測量敏感元件、靜壓敏感元件和溫度敏感元件，其特征在于將集靜壓、溫度敏感元件為一體的壓力溫度傳感器置于硅電容敏感芯體的燒結管座上，將各個敏感元件的輸出電極分別通過硅鋁絲壓焊與燒結管座的對應引腳相連，并與檢測電路相連，將各敏感元件封裝在由金屬隔離膜片隔離密封的硅油充灌液中；該傳感器的兩引壓口分別與受壓部的高壓腔和低壓腔相連， 外加壓力通過傳感器內部的充灌液傳遞到敏感元件。
2.根據權利要求1所述的多參數輸出的硅電容差壓傳感器，其特征在于差壓敏感單元 (Ia)的結構，中心硅極板(Ia-I)為雙面拋光的硅單晶片上采用微機械加工工藝制作，中間有一個和膜區相連的可以上下移動的質量塊(la-8)，固定極板(la-2)由雙拋玻璃制作，先在玻璃上加工出導壓孔(la-7)再采用濺射、光刻等工藝在表面形成電極層(la-6)，同時在導壓孔(la-7)中形成金屬連線，做為玻璃固定極板電極的引出，玻璃底板(la-3)和玻璃極板(la-2)在邊緣分別有一個壓焊點做為電容固定極板的電極引出，硅中心極板(Ia-I)與玻璃固定極板(la-2)、玻璃底板(la-3)與導壓管(la_4)采用靜電封接工藝連接在一起，玻璃固定極板(la-2)與玻璃底板(la-3)之間采用導電膠相連，導壓管(la_4)和傳感器底座 (7)之間采用焊接工藝實現氣密連接；采用壓焊工藝在焊點(la-9)和燒結端子(6)之間形成硅鋁絲連線(la-ΙΟ)做為電容電極引出，最后將差壓敏感單元(Ia)裝入基座(7)內；在基座(7)內有硅油作為外界壓力的傳導介質。
3.—種硅電容多參量差壓傳感器的靜壓影響補償方法，包括采用在硅電容差壓傳感器內設置差壓測量傳感器、靜壓和溫度測量傳感器，其特征在于外部環境監測量的差壓量Pd、 靜壓量Ps、溫度量T，通過三個敏感單元轉換為電參量輸出，其中差壓敏感單元(Ia)輸出電參量Upd除了反映差壓量Pd的影響外還受到靜壓Ps和溫度T的影響，而靜壓敏感單元 (Ia)的輸出電參量Ups除反映靜壓Ps外還受到溫度T的影響，三個參量Upd、Ups、Ut通過數據采集信號轉換模塊(2)對多參數傳感器輸出的差壓信號、靜壓信號以及溫度信號進行采集，并轉換成相應的數字量，實現單一傳感器同點的多參數輸出；再通過數據處理補償轉換模塊(3)對這些數字量進行數據處理、補償校正，實現多參量硅電容傳感器輸出對應差壓Pd、靜壓Ps、溫度T的三個輸出電參量Xd、Xs、T信息，其中Xd只與差壓Pd有關、Xs只與 Ps有關、Xt只與T有關。
4.根據權利要求3所述的硅電容多參量差壓傳感器的靜壓影響補償方法，其特征在于電容差壓傳感器靜壓影響補償的實現分兩步一是靜壓補償過程；二為傳感器實際應用過程；一、靜壓補償過程按照如下過程進行先把傳感器所要承受的工作壓力Ps進行離散化，最小靜壓為0，最大表示為Pmax，把Pmax分為4等分為5個數字點Ps (i) = Pmax*i/4, 其中1 = 0，1，2，3，4(實際等分數可以調整)，另外Ps (0) = 0即無靜壓時；用標準壓力發生器給傳感器加靜壓Ps (i)，處理器控制數據采集信號轉換單元，通過A/D轉換取得靜壓敏感單元產生的靜壓數據，這里表示為Ds (i)，在當下靜壓點下按照傳感器規定的測試方法測試傳感器差壓特性，外加差壓Pd(j) = Pdmax*j/4,(其中j = 0，1，2，3，4實際等分數可以調整)，處理器控制A/D轉換取得差壓轉換單元的產生的數據這里表示為Dd(i，j)；完成后， 處理器把測試得到的數據存入數據處理補償轉換模塊3的數據存儲器并固化；二、在傳感器實際應用過程中靜壓補償功能作為一個軟件模塊，在程序總程序中被分時調用，來實現差壓傳感器靜壓影響的補償。處理過程為，外加靜壓、差壓信號進入傳感器模塊，信號采集模塊把外加壓力信號分別轉換為電容變化信號和電壓信號，單片機處理器通過信號轉換模塊取得現場相應的差壓數據和靜壓數據，分別記為Dd和Ds，在調用靜壓補償處理軟件模塊，對Dd和Ds進行處理，得到消除了靜壓影響的差壓數據NDd，用于后續其他標準處理過程并輸出。
5.根據權利要求4所述的硅電容多參量差壓傳感器的靜壓影響補償方法，其特征在于靜壓補償處理軟件模塊實現方法傳感器在前步的靜壓補償過程中已經形成了 [Ds(i) Dd(I，j)]組成的數據表，固化在數據處理補償轉換模塊3的數據存儲器中；根據取得的 Ds數值，通過查表法，對數據表Ds (i)，得到與Ds最接近的Ds (i)值，從而確定具體的數據 Ds (i)在數據表Ds(i)中的位置I，根據得到的位置數據，可以從數據表Dd(i，j)中得到對應的一組數據Dd(I，j)，改組數據記錄了本傳感器的靜壓影響特性；再用Dd數值在得到的數據Dd(I，j)中，采用插值法按照下式(11)得到補償系數K，按照式樣(12) 找到 J，滿足 Dd (I，J)彡 Dd < Dd (I，J+1) K = (Dd-Dd(I，J))/((Dd(I，J+1)-Dd(I, J)) (11) Dd，= K* (Dd (0, J+1)-Dd (0，J))(12)根據(11) (12)計算出的Dd’數值即為消除了靜壓影響的差壓Pd對應傳感器輸出值， 從而達到了傳感器差壓測量中對靜壓影響的補償，提高傳感器綜合精度。
全文摘要
一種硅電容多參量差壓傳感器及靜壓影響補償方法，在傳感器壓力腔內，設置硅電容差壓敏感單元、壓力敏感單元及溫度敏感單元，改變硅電容差壓傳感器原單一的差壓輸出形式，實現單一傳感器測量現場的多參數測量輸出；同時后部處理電路利用壓力單元及溫度單元提供的測量現場的壓力信號和溫度信號的測量值，通過數字補償對硅電容差壓單元輸出的差壓輸出參量進行靜壓和溫度影響的補償處理，有效消除靜壓、溫度等附加誤差。這種方法簡便易操作，提高傳感器的綜合精度，成本低，大大提高了電容傳感器的性價比，對硅電容傳感器的批量生產極為有利。
文檔編號G01D3/036GK102168994SQ20101061093
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者劉劍, 劉沁, 劉波, 張哲 , 張娜, 張治國, 徐秋玲, 李穎, 王雪冰 申請人:沈陽儀表科學研究院