專利名稱：帶有電橋主電阻之間的溫度梯度補(bǔ)償?shù)幕菟沟请姌蚣捌湓诰哂袘?yīng)變片的壓力傳感器中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種“惠斯登電橋”式電路，尤其涉及一種在其中自動補(bǔ)償存在于電橋橋臂之間的溫度差的電路。
惠斯登橋式電路是眾所周知的。用在許多不同的用途中產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，輸出電壓的變化表示橋臂之間存在的不平衡及其量的大小。通常，這種形式的電路用來檢測由于主參數(shù)相對于參考數(shù)值的變化引起的不平衡或者用來檢測由于對電路的不同橋臂中的相應(yīng)電阻具有不同影響的現(xiàn)象引起的不平衡。顯然，最好是電路的工作性能不受其他參數(shù)或現(xiàn)象例如環(huán)境溫度的影響。
理論上，在經(jīng)典的惠斯登電橋例如

圖1所示電橋的情形，輸出電壓Us隨電橋的電阻R1-R4和電源電壓UA的變化符合下面的方程(1)US=UAR1R2-R3R4(R1+R3)(R2+R4)---(1)]]>實(shí)際上，元件R1-R4的電阻在溫度系數(shù)不能忽略時(shí)都根據(jù)環(huán)境溫度和電阻溫度系數(shù)(TCR)α的一個(gè)函數(shù)變化。如果每個(gè)元件Ri的溫度與參考溫度之間的偏差為θi，則理論方程(1)變?yōu)橄旅娴姆匠?2)US=UAR1(1+αθ1)R2(1+αθ2)-R3(1+αθ3)R4(1+αθ4)(R1(1+αθ1)+R3(1+αθ3))(R2(1+αθ2)+R4(1+αθ4))---(2)]]>在方程(2)和后面的方程中，電阻的溫度系數(shù)α均視為惠斯登電橋的四個(gè)元件一樣。實(shí)際上，通過選擇電橋元件使得這一簡化近似正確是相當(dāng)簡單的。
在惠斯登電橋的四個(gè)元件Ri均處于同一溫度且電源電壓固定不變的情形，假定αθ＜＜1，方程(2)被簡化并變得與方程(1)一樣。因此，在這一情形，環(huán)境溫度幾乎不影響惠斯登電橋的工作性能。(但是，由于例如說存在溫差的機(jī)械支撐的形變可能會有一個(gè)殘余的溫度影響。)在惠斯登電橋的元件Ri不都處于同一溫度的情形，方程(2)保留其數(shù)值隨元件Ri的局部溫度變化的某些項(xiàng)。這一影響侵害了使用該電路所進(jìn)行的測量的精度。
惠斯登電橋原理的用途之一是用在使用應(yīng)變片的壓力傳感器領(lǐng)域。
這樣一種壓力傳感器的典型結(jié)構(gòu)大略示于圖2，其中圖2(a)指出傳感器中應(yīng)變片的物理布局，圖2(b)示出相應(yīng)的電路。在圖2(a)的傳感器中，四個(gè)應(yīng)變片J1-J4都放置在一個(gè)可變形的膜片上，兩個(gè)應(yīng)變片J1、J2在膜片的中央?yún)^(qū)域，另兩個(gè)應(yīng)變片J3、J4則靠近膜片的周邊區(qū)域。應(yīng)變片在給定的溫度和參考壓力下各自都具有同一樣的電阻R。在應(yīng)變片J1-J4和電源以及輸出端子之間設(shè)有電連接線(未示出)，以形成圖2(b)所示的惠斯登電橋電路。
在這種壓力傳感器中，膜片因在圖2(a)所示箭頭方向的外加壓力作用下向外彎曲而變形。由于拉伸而在膜片的中央部分產(chǎn)生的應(yīng)變使得應(yīng)變片J1和J2的電阻增加+ΔR，與此同時(shí)，膜片周邊區(qū)域產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變則使得J3和J4的電阻下降-ΔR。假如所有的應(yīng)變片都處于同一溫度下，這些電阻的變化將按照下面的方程(3)影響惠斯登電橋的輸出電壓US=UAΔRR---(3)]]>這個(gè)簡單的關(guān)系式使得能夠算出電阻的變化并由此算出加于傳感器膜片上的壓力。
但是，如果在傳感器的應(yīng)變片J1-J4之間存在一個(gè)溫度梯度，則需應(yīng)用下面更復(fù)雜的方程(4)US=UA(R+ΔR)(1+αθ1)(R+ΔR)(1+αθ2)-(R-ΔR)(1+αθ3)(R-ΔR)(1+αθ4)((R+ΔR)(1+αθ1)+(R-ΔR)(1+αθ2))((R+ΔR)(1+αθ3)+(R-ΔR)(1+αθ4))---(4)]]>顯然，這樣一個(gè)依賴于各個(gè)應(yīng)變片的溫度的復(fù)雜關(guān)系式不可能通過傳感器作出精確的壓力測量。
文獻(xiàn)DE-U-8815056敘述了一種用惠斯登橋式電路的主電阻構(gòu)成的具有應(yīng)變片的負(fù)載傳感器。在惠斯登電橋的每一橋臂中都有一個(gè)輔助電阻與主電阻串聯(lián)連接。全部主電阻和全部輔助電阻均具有同一樣的電阻溫度系數(shù)和同一樣的電阻歐姆數(shù)值。
在這一已知的電路中，每個(gè)輔助電阻實(shí)際上放在另一橋臂的主電阻鄰近，使得因電橋的主電阻之間存在溫度梯度產(chǎn)生的影響被輔助電阻中產(chǎn)生的影響所補(bǔ)償。這樣一來，存在這種溫度梯度就不致影響惠斯登電橋的輸出信號。但是，在文獻(xiàn)DE-U-8815056的惠斯登電橋中實(shí)行的這種補(bǔ)償導(dǎo)致了顯著損失這種傳感器的靈敏度。尤其是傳感器對惠斯登電橋中發(fā)生的電阻變化的靈敏度降低了一半。
考慮到上面所述的問題，本發(fā)明試圖提供一種由TCR不是接近于可以忽略的零值的電阻構(gòu)成的惠斯登橋式電路。其輸出電壓對存在于這些電阻之間的溫度差不敏感，同時(shí)限制電路輸出信號對電橋中發(fā)生的電阻變化的靈敏度的損失。
本發(fā)明還試圖提供一種包含有惠斯登橋式電路的傳感器，電橋由TCR不可忽略的電阻構(gòu)成并且其中電阻變化對應(yīng)于被測量的參數(shù)變化，以一種能保持住傳感器靈敏度的方式把傳感器做得對存在于這些電阻之間的溫度差不敏感。
為了克服上述問題，本發(fā)明提供一種惠斯登橋式電路，包括四個(gè)各自具有基本一樣的電阻歐姆數(shù)值R和基本一樣數(shù)值的電阻溫度系數(shù)α的主電阻元件，惠斯登電橋的每一個(gè)橋臂中放置一個(gè)主電阻元件，其中惠斯登電橋的每一橋臂包括一個(gè)與相應(yīng)的主電阻元件串聯(lián)的補(bǔ)償元件，補(bǔ)償元件各自具有基本一樣的電阻歐姆數(shù)值r和基本一樣的電阻溫度系數(shù)β，這些數(shù)值與主電阻元件的那些數(shù)值的關(guān)系基本符合公式
Rα＝rβ并且每個(gè)主電阻元件都與惠斯登電橋的一個(gè)相鄰橋臂的補(bǔ)償元件共享其熱環(huán)境，其特征在于r＜R，最好是
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，主電阻元件和補(bǔ)償元件用兩種不同的金屬制造。
在根據(jù)本發(fā)明的惠斯登橋式電路中，橋臂之間的溫度差對輸出電壓的影響由于補(bǔ)償電阻各自安裝在電橋一個(gè)橋臂的主電阻的熱環(huán)境中但與電橋相鄰橋臂的主電阻串聯(lián)連接而消除了。通過使用具有比主電阻元件小的電阻歐姆數(shù)值的補(bǔ)償元件，因引入這些補(bǔ)償元件而造成的惠斯登電橋的靈敏度損失降低了。
惠斯登電橋靈敏度損失的顯著降低是在補(bǔ)償元件的電阻歐姆數(shù)值r選擇得等于主電阻元件的電阻歐姆數(shù)值R的一半的情形下獲得的。在這種情形下，惠斯登電橋的靈敏度僅降低25％。但是，最好使用具有符合關(guān)系式r/R＜1/10的電阻歐姆數(shù)值的補(bǔ)償元件，以維持靈敏度損失在5％以下，從而可以認(rèn)為忽略不計(jì)。
鑒于在根據(jù)本發(fā)明的電路中必須考慮關(guān)系式Rα＝rβ這一事實(shí)，使用具有降低了的電阻歐姆數(shù)值的補(bǔ)償元件與選擇具有高電阻溫度系數(shù)β的金屬制造這些補(bǔ)償元件有密切關(guān)系。關(guān)于這一點(diǎn)，用鎳制作的補(bǔ)償元件(β＝4×10-3/℃)特別適合。
本發(fā)明還提供一種具有應(yīng)變片和包括這種惠斯登橋式電路的壓力傳感器，橋式電路包含有補(bǔ)償元件和構(gòu)成電橋主電阻的應(yīng)變片。
這種型式的壓力傳感器抗由于應(yīng)變片之間存在溫差而引起的對輸出電壓的干擾，并因?yàn)檠a(bǔ)償元件的電阻歐姆數(shù)值比應(yīng)變片低的關(guān)系，傳感器保持著良好的靈敏度。
本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點(diǎn)，通過下面參照附圖并以例子給出的實(shí)施例的敘述將更加易于理解。
圖1是一個(gè)原理圖，示出一種惠斯登橋式電路的典型結(jié)構(gòu)；圖2示出一種具有應(yīng)變片的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，其中圖2(a)指出應(yīng)變片在簡單膜片上的物理布局，以及圖2(b)示出包含有這些應(yīng)變片的電路；圖3是一個(gè)電路圖，表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的惠斯登橋式電路；圖4是一個(gè)平面視圖，示出根據(jù)本發(fā)明壓力傳感器的一個(gè)例子中通過在膜片上淀積薄膜制出的應(yīng)變片和補(bǔ)償電阻的物理布局；圖5是一個(gè)曲線圖，指出圖4傳感器的輸出信號在熱沖擊的情形如何變化；圖6是一個(gè)用于比較目的的平面視圖，示出一個(gè)類似于圖4但沒有補(bǔ)償電阻的傳感器；以及圖7是一個(gè)用于比較目的的曲線圖，示出圖6傳感器的輸出信號在熱沖擊情形下如何變化。
現(xiàn)在參照圖3就使用壓力傳感器的應(yīng)變片制作的惠斯登橋式電路敘述本發(fā)明的原理。
圖3是一個(gè)電原理圖，示出壓力傳感器的四個(gè)普通應(yīng)變片J1-J4和四個(gè)補(bǔ)償電阻r1-r4組成的惠斯登橋式電路。補(bǔ)償電阻ri包括在每一個(gè)橋臂中與一個(gè)應(yīng)變片Ji串聯(lián)，但其物理位置則緊靠另一個(gè)位于兩相鄰橋臂之一中的應(yīng)變片。于是，每一個(gè)應(yīng)變片均與接在惠斯登電橋相鄰橋臂中的補(bǔ)償電阻共享其熱環(huán)境。電源電壓在+A和-A點(diǎn)之間供應(yīng)，輸出電壓則在+M和-M點(diǎn)之間檢測。
在壓力傳感器中，應(yīng)變片Ji的歐姆數(shù)值Ri及其相應(yīng)的電阻溫度系數(shù)αi互相很接近；接近得可以用一個(gè)公共數(shù)值R表示每個(gè)應(yīng)變片在參考溫度時(shí)的電阻，用一個(gè)公共數(shù)值α表示它們的溫度系數(shù)。補(bǔ)償電阻本身也被選擇得具有一個(gè)公共的電阻歐姆數(shù)值r和一個(gè)公共的電阻溫度系數(shù)β。
在應(yīng)變片的TCR即α不是低得可以忽略不計(jì)和應(yīng)變片的相應(yīng)溫度變化得偏離參考數(shù)值一個(gè)數(shù)量θi的情形，電路的輸出電壓US由下面的方程(5)給出US=UAA1A2-A3A4(A1+A3)(A2+A4)---(5)]]>其中A1＝(R+ΔR)(1+αθ1)+r(1+βθ3)，A2＝(R+ΔR)(1+αθ2)+r(1+βθ4)，A3＝(R-ΔR)(1+αθ3)+r(1+βθ2)，和A4＝(R-ΔR)(1+αθ4)+r(1+βθ1)，(電源電壓UA和壓力固定不變)。
根據(jù)本發(fā)明，補(bǔ)償電阻的歐姆數(shù)值r選擇得遵循下面的關(guān)系式Rα＝rβ(6)在這一情形，即使在組成惠斯登電橋的應(yīng)變片的溫度之間存在差別，輸出電壓也不會再依賴于這些溫度差。令r≤R/2以限制電橋電路的靈敏度損失也是必要的。
根據(jù)本發(fā)明，補(bǔ)償電阻ri的歐姆數(shù)值r最好選擇得盡可能低于應(yīng)變片Ji的公共歐姆數(shù)值(也就是說r＜＜R)，并且補(bǔ)償電阻ri的TCR即β選擇得顯著大于應(yīng)變片Ji的TCR即α(也就是說α＜＜β)。
在這些條件下，方程(5)簡化為下面的方程(7)US=UA(ΔRR)(1-γ2R)---(7)]]>比較方程(3)和(7)，將會看到在外加壓力變化的情形，包含有補(bǔ)償元件的惠斯登電橋的輸出信號低于省去了這些元件的惠斯登電橋的輸出信號。這相當(dāng)于測量靈敏度的損失等于r/2R。如果補(bǔ)償元件的電阻歐姆數(shù)值r選擇得等于1/2R，則這一靈敏度損失變成25％，考慮到作為回報(bào)而得到的對溫度梯度的抗擾性，這可以被認(rèn)為是容許的。
最好使用具有電阻歐姆數(shù)值最多等于1/10R左右補(bǔ)償電阻(這要求補(bǔ)償電阻的電阻溫度系數(shù)β＝10α)。在這種情形下，壓力傳感器的靈敏度幾乎不受存在補(bǔ)償電路的影響(相對于沒有設(shè)置補(bǔ)償電阻且電橋性能理想的情形而言，輸出電壓損失其數(shù)值的5％)。通過把補(bǔ)償電阻的歐姆數(shù)值選擇得比應(yīng)變片的歐姆數(shù)值再低些，例如通過使r具有一個(gè)最多等于R的5％的數(shù)值，這一靈敏度損失還可進(jìn)一步降低。
根據(jù)本發(fā)明的壓力傳感器膜片m上的應(yīng)變片J1-J4和補(bǔ)償電阻r1-r4的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子示于圖4(平面視圖)。這一結(jié)構(gòu)可通過在膜片上淀積薄膜而生產(chǎn)出來。在這一例子中，應(yīng)變片用鎳鉻合金制成且各有1000Ω的電阻和1×10-4/℃的電阻溫度系數(shù)；補(bǔ)償電阻用鉑制成且各有10Ω的電阻和1×10-3/℃的電阻溫度系數(shù)。
圖4所示的實(shí)施例中用鉑制成的補(bǔ)償電阻可以有利地用鎳制成的補(bǔ)償電阻取代，后者具有等于4×10-3/℃的電阻溫度系數(shù)。這將傳感器的靈敏度損失降低到1.25％。
在圖5中，示出圖4傳感器的輸出信號經(jīng)受熱沖擊的情形。為了比較的目的，圖6示出一個(gè)類似于圖4的傳感器，但省略了補(bǔ)償電阻。圖7示出圖6傳感器的輸出信號在熱沖擊下的情形。比較圖5和7顯示出除了抗存在于主電阻之間的溫度梯度之外，這個(gè)傳感器的輸出信號與常規(guī)壓力傳感器相比，還提高了對熱沖擊的穩(wěn)定性。
雖然本發(fā)明的原理已經(jīng)聯(lián)系具有應(yīng)變片的壓力傳感器敘述過了，但一般地說，它們也能應(yīng)用于四個(gè)電阻具有基本一樣的歐姆數(shù)值R和基本一樣的電阻溫度系數(shù)α的任何惠斯登橋式電路中。
權(quán)利要求
1.一種惠斯登電橋電路，包括四個(gè)各自具有基本一樣的歐姆數(shù)值R和基本一樣數(shù)值的電阻溫度系數(shù)α的主電阻(J1-J4)，惠斯登電橋的每個(gè)橋臂中放置一個(gè)主電阻，其中惠斯登電橋的每個(gè)橋臂包括一個(gè)補(bǔ)償元件與相應(yīng)的主電阻元件串聯(lián)，補(bǔ)償元件(r1-r4)各自具有基本一樣的歐姆電阻數(shù)值r和基本一樣的電阻溫度系數(shù)β，這些數(shù)值與主電阻元件的那些數(shù)值的關(guān)系基本符合公式Rα＝rβ并且每個(gè)主電阻元件與惠斯登電橋的一個(gè)相鄰橋臂的補(bǔ)償元件共享其熱環(huán)境，其特征在于r＜R并且最好是r/R≤1/2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其特征在于每個(gè)補(bǔ)償元件通過實(shí)際放置得很靠近惠斯惠電橋相鄰橋臂的主電阻元件而分享該主電阻元件的熱環(huán)境。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電路，其特征在于補(bǔ)償元件的電阻歐姆數(shù)值與主電阻元件的電阻歐姆數(shù)值相比很低，并且補(bǔ)償元件的電阻溫度系數(shù)β顯著高于主電阻元件的電阻溫度系數(shù)α。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電路，其特征在于補(bǔ)償元件的電阻歐姆數(shù)值r最大為主電阻元件的歐姆數(shù)值的10％。
5.根據(jù)任何一條前面權(quán)利要求的電路，其特征在于它形成具有應(yīng)變片的壓力傳感器的一部分，主電阻元件由傳感器的應(yīng)變片(J1-J4)構(gòu)成。
6.根據(jù)任何一條前面權(quán)利要求的電路，其特征在于主電阻元件和補(bǔ)償電阻元件由兩種不同的金屬制成。
7.根據(jù)任何一條前面權(quán)利要求的電路，其特征在于補(bǔ)償元件用鎳制成。
8.一種具有應(yīng)變片的壓力傳感器，包括位于一個(gè)膜片上且連接成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)的四個(gè)應(yīng)變片(J1-J4)，四個(gè)應(yīng)變片具有基本一樣的歐姆數(shù)值R和基本一樣的電阻溫度系數(shù)α，其中惠斯登電橋的每個(gè)橋臂包括一個(gè)與相應(yīng)的應(yīng)變片串聯(lián)的補(bǔ)償元件，補(bǔ)償元件(r1-r4)各自具有基本一樣的電阻歐姆數(shù)值r和基本一樣的電阻溫度系數(shù)β，這些數(shù)值與應(yīng)變片的那些數(shù)值的關(guān)系基本符合公式Rα＝rβ并且每個(gè)應(yīng)變片都與惠斯登電橋的一個(gè)相鄰橋臂的補(bǔ)償元件共享其熱環(huán)境，其特征在于r＜R并且最好r/R≤1/2。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的壓力傳感器，其特征在于補(bǔ)償元件通過實(shí)際放置得很靠近惠斯登電橋相鄰橋臂的應(yīng)變片而與該應(yīng)變片共享熱環(huán)境。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的壓力傳感器，其特征在于補(bǔ)償元件的電阻歐姆數(shù)值r與應(yīng)變片的電阻歐姆數(shù)值R相比很低，并且補(bǔ)償元件的電阻溫度系數(shù)β顯著高于應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)α。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的壓力傳感器，其特征在于補(bǔ)償元件的電阻歐姆數(shù)值r最多等于應(yīng)變片歐姆數(shù)值的10％。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11的壓力傳感器，其特征在于主電阻元件和補(bǔ)償元件由兩種不同的金屬制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12的壓力傳感器，其特征在于補(bǔ)償元件用鎳制成。
全文摘要
包括有四個(gè)具有基本一樣的歐姆數(shù)值R和基本一樣的電阻溫度系數(shù)α的主電阻(J
文檔編號G01D3/036GK1203662SQ96198790
公開日1998年12月30日 申請日期1996年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月4日
發(fā)明者讓－波那德·埃威斯, 讓那·奇龍 申請人:航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和研究公司