專利名稱：可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種傳感器，具體地講是涉及一種和信號處理電路設(shè)置在同一芯
片上的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器。
背景技術(shù)：
傳感器是一種檢測裝置，能感受被測量的信息，并能將其感受檢測到的信息，按一
定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、
記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。而傳感技術(shù)則是一種研究
傳感器的材料、設(shè)計、工藝、性能和應(yīng)用等的綜合技術(shù)，屬于一門邊緣技術(shù)，它涉及物理學(xué)，
數(shù)學(xué)，化學(xué)，以及對傳感器的敏感元件部分的研究和開發(fā)。在對傳感器的研究中，除了要對
其芯片進行研究和開發(fā)外，也應(yīng)對傳感器的封裝工藝和封裝結(jié)構(gòu)進行研究，因為傳感器的
封裝工藝和封裝結(jié)構(gòu)往往是引起傳感器不能穩(wěn)定可靠地工作的關(guān)鍵因素之一。 但當(dāng)汽車電子化后，汽車大批量應(yīng)用壓力傳感器，而傳感器的調(diào)試問題也就突現(xiàn)出來。 首先，根據(jù)測量介質(zhì)的不同，擴散硅壓力傳感器在很多汽車應(yīng)用場合都需測量負
壓，而傳統(tǒng)的硅壓力傳感器還不能實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)換測量壓力。因此在以前的應(yīng)用中傳感器封
裝廠家不得不選擇兩種型號的壓力傳感器，這在一定程度上增加了調(diào)試和封裝的成本。 其次，汽車級的壓力傳感器使用的溫度范圍從-40 125度，要求傳感器在如此寬
的溫度范圍內(nèi)滿足一定的測量精度，唯一的方法是對每個傳感器都做整個溫度量程范圍的
滿度和零點的溫度補償，這種人工校驗方法不僅需要大量高素質(zhì)的工人，而且需要大量精
密的儀器設(shè)備。將該傳感器用于汽車這種大批量生產(chǎn)而使用環(huán)境十分惡劣的產(chǎn)品上，壓電
式傳感器的信號調(diào)理、溫度補償和壓力修正成為該產(chǎn)品批量生產(chǎn)的最大問題。 此外，目前在傳感器的應(yīng)用中，所用的電路多為傳感器和其信號處理電路分開的
情況，這樣做最大的問題是體積大、成本高、且封裝困難，尤其是應(yīng)用在汽車級的壓力傳感
器的信號電路的設(shè)計、溫度特性的補償方法、生產(chǎn)過程的自動化水平都十分低下，這不僅大
大影響了傳感器的穩(wěn)定性，而且也無法實現(xiàn)傳感器的批量化生產(chǎn)，因此壓力傳感器結(jié)構(gòu)和
電路設(shè)計需要進一步的改進。

實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，本實用新型目的是提供一種體積小、成本低、穩(wěn)定性
高、實用性強和信號處理電路為一體式結(jié)構(gòu)的可編程正壓及負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器。 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn) —種可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，包括一芯片，一實現(xiàn)芯片
編程功能的芯片編程板，在所述芯片上設(shè)有一可編程的信號處理電路和一壓力傳感器，所
述的信號處理電路輸入端與壓力傳感器輸出端連接，所述芯片編程板一端通過通訊接口與
計算機相連接，另一端則與芯片上的信號處理電路相連接。 作為優(yōu)選，所述該通訊接口為計算機的USB通訊接口 ，芯片編程板一端通過計算機的USB通訊接口與計算機相連接。 上述數(shù)字信號處理電路中還集成有單片機和電可擦寫可編程只讀存儲器 (EEPR0)，通過單片機和EEPROM來實現(xiàn)可編程的數(shù)字信號補償功能。 上述芯片上還設(shè)有與外部設(shè)備連接的可調(diào)整接口，可調(diào)整接口為信號輸出管腳的 焊盤，通過可調(diào)整接口適合連接不同的設(shè)備，適合客戶具體應(yīng)用。 上述的芯片還設(shè)有編程、信號引出管腳的焊盤，編程、信號引出管腳連接單片機和 電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPRO)，焊盤連接外部設(shè)備，方便了整個芯片的封裝，提高了 傳感器的穩(wěn)定性。 上述壓力傳感器包括一應(yīng)變電橋，所述應(yīng)變電橋輸出端還順序連接有第一放大電 路和第二放大電路。 上述第一放大電路與第二放大電路之間還連接有斬波解調(diào)器和增益校準電路，所 述第一放大電路的輸出端連接斬波解調(diào)器，斬波解調(diào)器的輸出端連接增益校準電路，增益 校準電路的輸出端連接第二放大電路。 所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，還包括溫度傳感器和檢
測電路，所述的溫度傳感器和檢測電路連接所述的信號處理電路。 本實用新型的工作原理如下 本實用新型采用MEMS(壓阻式)技術(shù)將壓力傳感器和信號處理電路集成在一個芯 片上，壓力傳感器的功能是將外界壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出；信號處理電路的功能是通 過編程將傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成標準的電壓信號輸出。芯片編程板的主要功能是實現(xiàn) 輸出標定和溫度補償。 本實用新型的有益效果為本實用新型采用MEMS(壓阻式)技術(shù)將壓力傳感器和 數(shù)字信號處理電路形成一體式結(jié)構(gòu)，從而減少了外界對傳感器信號的影響，提高了穩(wěn)定性， 降低了生產(chǎn)成本，同時實現(xiàn)了規(guī)?；约坝押玫娜藱C界面，方便用戶對傳感器進行標定，從 工藝上則能保證大規(guī)模生產(chǎn)，滿足了市場的需求，將對汽車用傳感器、醫(yī)療電子用壓力傳感 器以及工業(yè)OEM用壓力傳感器起到進口替代并形成部分核心器件國產(chǎn)化目的，同時本實用 新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè) 自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電 力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

圖1為本實用新型的一體化壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為本實用新型的一體化壓力傳感器的電路原理圖； 圖3為本實用新型的芯片編程板的連接方式示意圖； 圖4為本實用新型的一實施例。
圖中主要附圖標記含義為 100、芯片 110、信號處理電路120、壓力傳感器130、焊盤具體實施方式
以下結(jié)合附圖，進一步說明本實用新型的具體方式[0028] 圖1為本實用新型的一體化壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實用新型的一體化 壓力傳感器的電路原理圖；圖3為本實用新型的芯片編程板的連接方式示意圖；圖4為本 實用新型的一實施例。 如圖1所示本實用新型采用MEMS(壓阻式)技術(shù)將壓力傳感器和數(shù)字信號處理 電路集成在一個芯片上的可編程壓力傳感器，其包括一芯片100和一實現(xiàn)芯片編程功能的 芯片編程板，該芯片編程板一端通過USB通訊接口連接計算機，其另一端連接芯片100，通 過芯片編程板來實現(xiàn)芯片100的可編程功能。本實用新型中，芯片100上安裝有一可編程 的信號處理電路110和一壓力傳感器120，該信號處理電路IIO輸入端連接壓力傳感器120 輸出端；從而使信號處理電路110和壓力傳感器120集成到一個芯片上，構(gòu)成了信號處理電 路110和壓力傳感器120的一體式結(jié)構(gòu)即一體化壓力傳感器，減少了傳感器的體積和外界 對傳感器的影響，提高了傳感器的穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本。 在本實施例中，為了實現(xiàn)可編程功能，在信號處理電路中還集成有單片機和電可 擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)，通過單片機和EEPROM來實現(xiàn)可編程的數(shù)字信號補償功 能，提高了壓力傳感器的使用壽命。 本實施例中，為了便于整個芯片100的封裝，提高傳感器的穩(wěn)定性，在芯片100上 還設(shè)有各種編程、信號引出管腳的焊盤130，該編程、信號引出管腳連接單片機和EEPRO，通 過焊盤130與外部設(shè)備如芯片編程板相連接，方便了整個芯片100的封裝。在芯片100上還 設(shè)有與外部設(shè)備連接的可調(diào)整接口即輸出信號的焊盤，可調(diào)整接口適合連接不同的設(shè)備。 在本實用新型中，由于將壓力傳感器120和信號處理電路110封裝在一個小小的芯片上，并 通過焊盤130與外部設(shè)備相連接，所以其標定和封裝過程需要有金絲球焊機、凈化車間等 工具來實現(xiàn)，增加了芯片100的封裝效果，提高了傳感器的穩(wěn)定性。 如圖2所示 本實用新型中的壓力傳感器120采用惠斯通原理，將電阻應(yīng)變片通過特殊的粘和 劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn) 生形變，使電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化；本實施例中， 該應(yīng)變片為電阻組成的應(yīng)變電橋121，由于這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小， 電壓發(fā)生變化也相應(yīng)較小，所以該應(yīng)變電橋121輸出端還連接有第一放大電路122和第二 放大電路125，變化后電壓經(jīng)過第一放大電路放大后轉(zhuǎn)化為電信號輸出。 本實用新型中，在第一放大電路122輸出端還連接有斬波解調(diào)器123以及增益校 準電路124，放大后的電信號通過斬波解調(diào)器123和增益校準電路124調(diào)解和校準后，再傳 輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機構(gòu)，再有第二放大電路125輸出。 在本實施例中，在芯片100上內(nèi)置有溫度傳感器140，溫度傳感器140的感應(yīng)信息 通過A/D轉(zhuǎn)換器160后輸給數(shù)字處理電路110輸入端，然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器170輸送給第 一放大電路122和第二放大電路125，從而達到本實用新型的溫度補償?shù)哪康?。另外，在?shù) 字處理電路110上還連接檢測電路150，進行檢測和調(diào)試的作用。 為詳細介紹本實用新型，參見圖1至圖4，具體過程如下 1、傳感器封裝過程 由于芯片IOO是裸片封裝，所以需要先為最終產(chǎn)品定制封裝(開一套模具)。芯 片100使用用戶僅需要將信號輸出腳、電源正和電源負用金絲球焊機引出到前期定制好的封裝引腳即焊盤130上。
2、傳感器調(diào)試步驟和工作過程 參見圖2和圖4，本實用新型可以實現(xiàn)如下調(diào)試功能溫度補償點的選擇、比例輸
出參數(shù)的設(shè)定、輸出箝位的設(shè)置、壓力測量方式的選擇、溫度傳感器的選擇以及芯片選擇。 3、芯片編程板連接方法 如圖3所示，計算機的上位機軟件通過計算機USB通訊接口跟芯片編程板相連，然 后芯片編程板的另一端與一體化壓力傳感器的信號處理電路110相連接。聯(lián)機正常后，通 過計算機的操作軟件即可對信號處理電路110中單片機和EEPROM實現(xiàn)輸出標定編程和溫 度補償編程，從使整個芯片即芯片實現(xiàn)輸出標定編程和溫度補償編程。 2、本實施例中的調(diào)試具體過程如下 第一步、第一溫度點標定 將變送器即壓力傳感器卸壓處于零點輸入狀態(tài)，點擊第 一 溫度點即 "Firsttemperature"區(qū)域第1個按鈕"Set Low Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍， 表示系統(tǒng)正處于讀取零點參數(shù)狀態(tài)，參數(shù)讀取完畢，綠燈停止閃爍，第2個按鈕"Set High Input"由灰色變成黑色，表示系統(tǒng)可以開始讀取滿位參數(shù)。 將變送器加壓到滿位輸入狀態(tài)，點擊"First temperature"區(qū)域第2個按鈕"Set High Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取滿位參數(shù)狀態(tài)，參數(shù) 讀取完畢，綠燈停止閃爍，第3個按鈕"Set Low Input"由灰色變成黑色，表示系統(tǒng)可以開 始讀取零位參數(shù)。 將變送器卸壓處于零點輸入狀態(tài)，點擊"First temperature"區(qū)域第3個按 鈕"Set Low Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取零點參數(shù)狀 態(tài)，參數(shù)讀取完畢，綠燈停止閃爍，第1個溫度點標定工作完成，第二溫度點即"Second temperature"區(qū)域"Set Low Input"按鈕由灰色變成黑色，表示可以進行第2個溫度點補 償。 加熱變送器，將變送器加熱到第2溫度點溫度，保持1個小時后開始第2步驟，過 程中不允許斷電，不允許將通訊線斷開。 將變送器卸壓處于零點輸入狀態(tài)，點擊"Second temperature"區(qū)域第1個按鈕 "Set Low Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取零點參數(shù)狀態(tài)， 參數(shù)讀取完畢，綠燈停止閃爍，第2個按鈕"Set High Input"由灰色變成黑色，表示系統(tǒng)可 以開始讀取滿位參數(shù)。 將變送器加壓到滿位輸入狀態(tài)，點擊"Second temperature"區(qū)域第2個按鈕"Set High Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取滿位參數(shù)狀態(tài)，參數(shù) 讀取完畢，綠燈停止閃爍，第3個按鈕"Set Low Input"由灰色變成黑色，表示系統(tǒng)可以開
始讀取零位參數(shù)。 第二步、第二溫度點標定 將變送器卸壓處于零點輸入狀態(tài)，點擊"Second temperature"區(qū)域第3個按鈕 "Set Low Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取零點參數(shù)狀態(tài)， 參數(shù)讀取完畢，綠燈停止閃爍，第2個溫度點補償工作完成，"Third temperature"區(qū)域"Set Low I即ut"按鈕由灰色變成黑色，表示可以進行第3個溫度點補償。[0053] 第三步、第三溫度點標定 加熱變送器，將變送器加熱到第3溫度點溫度，保持1個小時后開始第2步驟，過程中不允許斷電，不允許將通訊線斷開。 如圖所示，將變送器卸壓處于零點輸入狀態(tài)，點擊第三溫度點即"Thirdtemperature"區(qū)域第一個按鈕"Set Low Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取零點參數(shù)狀態(tài)，參數(shù)讀取完畢，綠燈停止閃爍，第2個按鈕"Set HighInput"由灰色變成黑色，表示系統(tǒng)可以開始讀取滿位參數(shù)。 將變送器加壓到滿位輸入狀態(tài)，點擊"Third temperature"區(qū)域"Set Highlnput"按鈕，此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取滿位參數(shù)狀態(tài)，參數(shù)讀取完畢，綠燈停止閃爍，第3個按鈕"Set Low Input"由灰色變成黑色，表示系統(tǒng)可以開始讀取零位參數(shù)。 將變送器卸壓處于零點輸入狀態(tài)，點擊"Third temperature"區(qū)域第3個按鈕"Set Low Input",此時調(diào)試工裝綠燈會不停的閃爍，表示系統(tǒng)正處于讀取零點參數(shù)狀態(tài)，參數(shù)讀取完畢，綠燈停止閃爍，第3個溫度點補償工作完成。[0058] 第四步、參數(shù)保存 變送器標定溫度補償完成后，會彈出對話框。 對話框是系統(tǒng)經(jīng)過內(nèi)部計算配置完成的參數(shù)值，點擊"Change Solution",將彈出對話框，點擊"OK"按鈕，參數(shù)將被存入片內(nèi)EEPROM。[0061] 參數(shù)保存完畢，表示變送器標定補償工作完成。 注意事項， 一般情形下不要點擊"L0CK"按鈕，沒有點擊"L0CK"按鈕的變送器如果測試不合格還可以重新標定補償，點擊"LOCK"按鈕的變送器如果測試不合格將無法再次標定修正。 第五步、標定數(shù)據(jù)測試 參數(shù)保存完畢，可以點擊"Measurements"按鈕進行測試。 點擊"Measurements"按鈕，彈出如圖1所示對話框，選中"Continuous"選項。 按照壓力變送器的測試規(guī)范進行加壓卸壓，對話框會顯示此時的輸出電壓值，測
試零點輸出值、中間點輸出值、滿位輸出值，記錄測試數(shù)據(jù)。 對傳感器進行加熱，保溫1小時，進行溫度指標測試，記錄測試數(shù)據(jù)。 以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行
業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述
的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還
會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型
要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求一種可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，包括一芯片，其特征在于，還包括一實現(xiàn)芯片編程功能的芯片編程板，在所述芯片上設(shè)有一可編程的信號處理電路和一壓力傳感器，所述的信號處理電路輸入端與壓力傳感器輸出端連接，所述芯片編程板一端通過通訊接口與計算機相連接，另一端則與芯片上的信號處理電路相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，所述數(shù)字信號處理電路中還集成有單片機和電可擦寫可編程只讀存儲器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，所述芯片上還設(shè)有與外部設(shè)備連接的可調(diào)整接口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，所述的可調(diào)整接口為信號輸出管腳的焊盤。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，所述的芯片上還設(shè)有編程、信號引出管腳的焊盤，編程、信號引出管腳連接單片機和電 可擦寫可編程只讀存儲器，焊盤連接外部設(shè)備。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，所述壓力傳感器包括一應(yīng)變電橋，所述應(yīng)變電橋輸出端還順序連接有第一放大電路和 第二放大電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，所述第一放大電路與第二放大電路之間還連接有斬波解調(diào)器和增益校準電路，所述第 一放大電路的輸出端連接斬波解調(diào)器，斬波解調(diào)器的輸出端連接增益校準電路，增益校準 電路的輸出端連接第二放大電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，它還包括溫度傳感器和檢測電路，所述的溫度傳感器和檢測電路連接所述的信號處理 電路。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，其特征在 于，所述通訊接口為USB通訊接口 。
專利摘要本實用新型公開了一種可編程設(shè)置的正壓和負壓測量轉(zhuǎn)換的壓力傳感器，包括一芯片，其特征在于，還包括一實現(xiàn)芯片編程功能的芯片編程板，在所述芯片上設(shè)有一可編程的信號處理電路和一壓力傳感器，所述的信號處理電路輸入端與壓力傳感器輸出端連接，所述芯片編程板一端通過通訊接口與計算機相連接，另一端則與芯片上的信號處理電路相連接。本實用新型將壓力傳感器和數(shù)字信號處理電路形成一體式結(jié)構(gòu)，提高了傳感器的穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本，同時實現(xiàn)了規(guī)?；约坝押玫娜藱C界面，方便用戶對傳感器進行標定，同時本實用新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境。
文檔編號G01L9/00GK201540184SQ20092023140
公開日2010年8月4日 申請日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者李恩君, 王莉莎, 申愛群, 郭宏 申請人:昆山諾金傳感技術(shù)有限公司;威海諾金傳感技術(shù)有限公司;北京鑫諾金傳感技術(shù)有限公司;北京鑫諾金電子科技發(fā)展有限公司;北京德思源電子科技發(fā)展有限公司