专利名称：一种硅电容多参量差压传感器及静压影响补偿方法
技术领域：
本发明涉及传感器制造及其信号处理技术，一种硅电容多功能差压传感器及静压影响补偿方法。
背景技术：
硅电容差压传感器是一种新型的结构型差压传感器，核心敏感器件采用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作，由于硅材料弹性体的材料的自身优势，使硅电容传感器与以往的金属电容传感器相比，在测量精度、稳定性等方面都具有更加明显的优势。硅电容传感器的核心敏感器件把外加的两个压力信号转换为相应的电容变化，检测电路则把电容的变化转换为需要的电信号，对该电信号进行处理就可以得到相应的输出信号。对于差压传感器来说，在理想情况下其输出与外加压力差敏感，对压力值不敏感， 即差压传感器的静压影响应该很小。但实际情况中，许多因素都会造成差压传感器的输出信号受到静压的影响，这种静压影响对传感器的差压测量结果造成一种附加误差，直接影响传感器的综合测量精度。为了提高差压传感器的综合精度，有必要降低差压传感器的静压影响。另外，现有技术中，电容差压传感器通常都是单参量输出，即单一量输出对应差压输入信号，无静压和温度等参数输出信息，使得传感器的后补偿技术受到了限制，也无法满足工业现场需要的提供多个参数的要求。随着我国工业过程控制技术的智能化发展，工业控制仪表对多参数、高精度的传感器的需求量日益增长，多参数输出传感器逐步取代单一参量输出传感器已成为必然的趋势，同时也对传感器实现高精度测量提出了更高的要求。因此在传感器的设计上增加多参数测量单元，并通过补偿技术降低传感器的静压影响，提高传感器的综合精度十分必要。目前，有效降低电容差压传感器的静压影响的基本方法是1、通过优化传感器的设计及制造工艺，从根本上直接提高传感器的静压指标。该方法对传感器的设计及制造工艺乃至工艺装备要求更高，对实现的条件要求更苛刻，实现难度大，有时在一定条件下难以持续降低静压影响，在一定的瓶颈条件下可能造成技术停步，并导致生产成本难以进一步下降。2、采用软硬件结合的补偿技术，通过快速发展的数字化处理技术，提高电容传感器的静压指标。这种方法对设计及工艺装备依赖较低，相对易于实现。还可以把某些静压指标不满足要求的电容传感器通过静压补偿技术转变为符合要求的传感器，从而提高传感器的综合精度，提高成品率，降低产品的生产成本。目前，关于硅电容多功能差压传感器静压影响补偿方法的内容未见到公开报道。

发明内容
本发明目的是提供一种能够实现多参数输出及硅电容差压传感器的静压影响补偿方法，实现单一传感器同点的多参数输出及输出特性的高精度测量，有效消除静压、温度等附加误差，提高电容传感器的综合测量精度。
多参数输出的硅电容差压传感器，在硅电容敏感芯体管座内设置差压测量敏感元件、静压敏感元件和温度敏感元件，其特征在于将集静压、温度敏感元件为一体的压力温度传感器置于硅电容敏感芯体的烧结管座上，将各个敏感元件的输出电极分别通过硅铝丝压焊与烧结管座的对应引脚相连，并与检测电路相连，将各敏感元件封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中；该传感器的两引压口分别与受压部的高压腔和低压腔相连，外加压力通过传感器内部的充灌液传递到敏感元件。静压影响补偿方法，包括采用在硅电容差压传感器内设置差压测量、静压和温度敏感元件的传感器，其特征在于外部环境监测量的差压量Pd、静压量Ps、温度量T，通过三个敏感单元转换为电参量输出，其中差压敏感单元输出电参量Upd除了反映差压量Pd的影响外还受到静压Ps和温度T的影响，而静压敏感单元的输出电参量Ups除反映静压Ps外还受到温度T的影响，三个参量Upd、Ups, Ut通过转换模块2的转换成数字量，实现单一传感器同点的多参数输出；同时利用产生的静压参量和温度参量通过转换电路和数据补偿处理电路的处理实现对差压测量参量的补偿校正。本发明的突出贡献是1、在硅电容差压传感器中引入静压敏感单元，由静压敏感单元测试出测试现场的静压量值，经过处理补偿电路的数字处理利用静压测量值对硅电容差压敏感单元的测量值进行数字补偿，实现硅电容差压传感器的静压影响补偿，提高传感器的综合精度。2、改变硅电容差压传感器单一的差压量输出形式，通过增加静压敏感单元和温度敏感单元，实现了硅电容差压传感器的测试现场的多参量输出。本硅电容差压传感器可实现对现场的差压、压力、温度量的测量，通过过个敏感单元的封装集成，提高了硅电容差压传感器的综合性能价格比。本方法简便易操作，成本低，对电容传感器的批量生产极为有利。


图1为本发明硅电容差压敏感单元工作原理示意图；图2为本发明静压-温度敏感单元工作原理示意图；图3为本发明多参量硅电容差压传感器结构示意图；图4为本发明硅电容差压敏感单元结构剖视图；图5为本发明静压-温度敏感单元结构装配剖视图；图6为本发明静压-温度敏感单元结构装配俯视图；图7多参量硅电容差压传感器补偿原理图；图8多参量硅电容差压传感器静压补偿模块框图；图9硅压阻压力敏感单元静压-温度工作原理示意具体实施例方式多参数输出的硅电容差压传感器，其功能原理见图7，在硅电容差压传感器的敏感模块1内设置了 3个敏感元件，分别为差压敏感单元la、静压敏感单元lb、温度单元lc，外部环境监测量有差压量Pd、静压量Ps、温度量T，通过三个敏感单元分别转换为电参量输出，其中差压敏感单元输出电参量Upd除了反映差压量Pd的影响外还受到静压Ps和温度 T的影响，而静压敏感单元的输出电参量Ups除反映静压Ps外还受到温度T的影响，三个
5参量Upd、Ups, Ut通过通过数据采集信号转换模块2转换为数字量，由数据处理补偿转换模块进行数字补偿处理，最终形成对应差压Pd、静压Ps、温度T的三个电参量Xd、Xs、Xt信息，其中Xd只与差压Pd有关，不受Ps的影响，即在实现多个参量测量的同时，还实现静压和温度的补偿。整个过程可以通过多元方程组形式表示。其表达式如下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是差压元件输出值Ups是静压元件输出值Ut是温度元件输出值Pd是外加差压值Ps是外加静压值T是外加温度值Xp是传感器差压输出差压量Xs是传感器静压输出静压值Xt是传感器温度输出值在传感器的生产补偿验证过程中，Pd、Ps、T为已知的外输入量，Xp、Xs、Xt为最终传感器输出的三个经数据补偿处理后的电参量。电参量Upd、Ups、Ut为敏感单元转换出的已知量，通过方程(1) (6)建立Xp、Xs、Xt与Pd、Ps、T对应关系。在传感器的实际应用过程中，利用得出的对应关系，通过传感器的输出参量Xp、Xs、Xt及敏感单元输出量Upd、Ups、 Ut可明确测试出外部环境量Pd、Ps、Τ。从而实现了传感器的多参量输出的同时，实现差压的静压补偿，进而提高传感器的综合测量精度。在图7中，传感器模块1实现外加物理信号的转换，本发明设置的静压单元Ib把外部静压转换成电信号Ups，该信号对实现差压传感器的静压影响消除是必不可少的。。数据采集信号转换模块2把差压敏感单元Ia输出的电容信号、静压敏感单元Ib输出的电压信号、温度敏感单元Ic输出的电阻信号转变成相应的电信号，并把模拟量的电信号转变成数字量输出。再由后面的数据处理补偿转换模块3对数据采集信号转换模块2输出的数字量进行数据处理、补偿、校正，最后形成传感器的测量输出值。实施例1的硅电容差压传感器结构见图3，其特征在于传感器基座7内封装有差压敏感单元la，差压敏感单元Ia通过其组件之一的金属导压管la-4固定在传感器基座7 内，其输出通过烧结引线6联通到数据采集及转换模块2。差压敏感单元Ia的更详细结构见如图4 ；在基座7上面有一烧结端子8，在内表面处装有静压敏感单元lb、温度敏感单元 lc，其各自的输出通过烧结引线6联通到数据采集及转换模块2，烧结端子8及其上的静压敏感单元Ib和温度敏感单元Ic的结构细节见图5及图6。数据采集转换模块2通过数据传输线10与处理补偿转换模块3相连，模块2和模块3的更详细的组成见图8。传感器基座7下部有高压腔a和低压腔b，外部压力Pl通到高压腔a并传导到差压敏感单元Ia正腔、静压敏感单元lb，外部压力P2通到负压腔并传到到差压敏感单元Ia的负腔。图4表示传感器结构图3中的差压敏感单元Ia结构的细节。该结构从上到下的顺序由玻璃固定极板la-2、硅中心极板Ia-I、玻璃固定极板la_2、玻璃底板la_3、导压管 la-4、底座7等组成。中心极板Ia-I为双面抛光的硅单晶片，中间有一个和膜区相连的可以上下移动的质量块la-8，在右侧有压焊点la-9实现极板的电极引出。固定极板la_2由双抛玻璃制作，在中心有穿透玻璃的导压孔la-7，玻璃极板及导压孔表面有电极层la-6， 同时在导压孔la-7侧壁表面中形成金属连线；玻璃底板la-3和玻璃极板la_2相连，在其边有压焊点la-9以便实现电容下极板的电极引出。图5和图6为传感器结构图3中烧结端子8及其上静压-温度敏感单元结构装配剖视图的结构细节。在烧结端子8的圆中心位置有静压敏感单元Ib和温度敏感单元lc， 烧结端子8上的引脚6共有8个引脚，其中引脚6a、6b、6c和差压敏感单元Ia的电极引出端la-9采用硅铝丝连接；引脚6d、6e、6f、6g分别和静压敏感单元Ib的输入、输出端ΙΝ、0、 0utl、0ut2 (见图2. 1及图2. 2结构图)相连、引脚6h和温度敏感单元Ic的输出端0ut3相连。图5及图6结构描述中提及的静压敏感单元和温度敏感单元其结构细节见图2，硅芯片lb-Ι、双抛玻璃lb-2封接而成。硅芯片Ib-I上表面在合适的位置采用微机械加工工艺形成4个压力敏感电组Rl、R2、R3、R4，并形成温度敏感电阻Rt，在硅芯片背面有一空腔成真空状态，Rl、R2、R3、R4按照图示的布局连接成电桥。实施例1的硅电容差压传感器中差压敏感单元实施方案说明因为硅电容差压传感器要保证传感器实现要求的功能，设计了独特的装配工艺过程。首先是敏感单元的制作，差压敏感单元la(详细结构见图4)的中心极板Ia-I为双面抛光的硅单晶片，采用微机械加工工艺制作，中间可上下移动的质量块la-8采用化学腐蚀工艺制作，采用硅铝丝超声压焊工艺实现压焊点la-9到电极端子6的引出。固定极板la-2 由双抛玻璃制作，先在中心加工出穿透玻璃的导压孔la-7，再采用溅射金属的方法在其表面形成电极层la-6。硅中心极板Ia-I与玻璃固定极板la_2，玻璃底板la_3与导压管la_4 采用静电封接工艺顺序连接在一起，玻璃固定极板la-2与玻璃底板la-3之间采用导电胶相连，导压管la-4和传感器底座7之间采用焊接工艺实现气密连接。采用压焊工艺在焊点 la-9和烧结端子6之间形成硅铝丝连线la-10，实现电容电极引出。最后差压敏感单元装入基座7内。在基座7内有硅油作为外界压力的传导介质。最终形成差压敏感单元-差压芯体。静压敏感单元lb、温度敏感单元Ic同样是采用微机械加工工艺制作在 2. 45mmX2. 45mm的硅片上构成静压、温度敏感单元。其中采用注入掺杂工艺将硼离子注入硅芯片表面内，在经过退火激活、再扩氧化等工艺形成敏感电阻。在芯片背面用化学腐蚀工艺加工出空腔lb-3。加工完的硅芯片再和封接玻璃通过在真空状态下经气密静电封接工艺连接在一起，形成具备压力测量的敏感单元。传感器装配过程首先把静压-温度敏感单元粘接在烧结端子8表面，在用超声压焊工艺把焊点和端子引线连接，把烧结端子用电子束焊接工艺装配到基座7上，把差压单元装到基座，其上的导压管外端和基座连接处采用氩弧焊接工艺连接。经过焊接膜片、膜片成型、充灌、老化、筛选等工序，成为合格的差压传感器。把完成的差压传感器与数据采集转换模块2及模块2与数据处理补偿转换模块3按照设计要求连接，并安装外壳、卡具等成为最终的压力变送器。差压敏感单元的工作原理是当有外加压力加于块la-8的上表面(下表面)时，可动质量块la-8在膜区形变弯曲的情况下，会向下(向上)移动，导致la-8与固定电极la-2 的间隙发生变化，进而la-8和电极la-6形成的敏感电容发生变化，这种变化可以用来检测外加压力的变化。硅电容差压敏感单元Ia的工作原理可简化为两个差动电容见图1所示，图4则给出了硅电容差压敏感单元Ia的实现结构图。当差压敏感单元Ia感受到测量压力Pl和P2 外加压力作用时，引起初始差动电容Cl、C2发生变化，其电容的表达式分别为(7)和(8)， 电容的差除和与输入压力成线性关系，表达式为(9)
权利要求
1.一种多参数输出的硅电容差压传感器，在硅电容敏感芯体管座内设置差压测量敏感元件、静压敏感元件和温度敏感元件，其特征在于将集静压、温度敏感元件为一体的压力温度传感器置于硅电容敏感芯体的烧结管座上，将各个敏感元件的输出电极分别通过硅铝丝压焊与烧结管座的对应引脚相连，并与检测电路相连，将各敏感元件封装在由金属隔离膜片隔离密封的硅油充灌液中；该传感器的两引压口分别与受压部的高压腔和低压腔相连， 外加压力通过传感器内部的充灌液传递到敏感元件。
2.根据权利要求1所述的多参数输出的硅电容差压传感器，其特征在于差压敏感单元 (Ia)的结构，中心硅极板(Ia-I)为双面抛光的硅单晶片上采用微机械加工工艺制作，中间有一个和膜区相连的可以上下移动的质量块(la-8)，固定极板(la-2)由双抛玻璃制作，先在玻璃上加工出导压孔(la-7)再采用溅射、光刻等工艺在表面形成电极层(la-6)，同时在导压孔(la-7)中形成金属连线，做为玻璃固定极板电极的引出，玻璃底板(la-3)和玻璃极板(la-2)在边缘分别有一个压焊点做为电容固定极板的电极引出，硅中心极板(Ia-I)与玻璃固定极板(la-2)、玻璃底板(la-3)与导压管(la_4)采用静电封接工艺连接在一起，玻璃固定极板(la-2)与玻璃底板(la-3)之间采用导电胶相连，导压管(la_4)和传感器底座 (7)之间采用焊接工艺实现气密连接；采用压焊工艺在焊点(la-9)和烧结端子(6)之间形成硅铝丝连线(la-ΙΟ)做为电容电极引出，最后将差压敏感单元(Ia)装入基座(7)内；在基座(7)内有硅油作为外界压力的传导介质。
3.—种硅电容多参量差压传感器的静压影响补偿方法，包括采用在硅电容差压传感器内设置差压测量传感器、静压和温度测量传感器，其特征在于外部环境监测量的差压量Pd、 静压量Ps、温度量T，通过三个敏感单元转换为电参量输出，其中差压敏感单元(Ia)输出电参量Upd除了反映差压量Pd的影响外还受到静压Ps和温度T的影响，而静压敏感单元 (Ia)的输出电参量Ups除反映静压Ps外还受到温度T的影响，三个参量Upd、Ups、Ut通过数据采集信号转换模块(2)对多参数传感器输出的差压信号、静压信号以及温度信号进行采集，并转换成相应的数字量，实现单一传感器同点的多参数输出；再通过数据处理补偿转换模块(3)对这些数字量进行数据处理、补偿校正，实现多参量硅电容传感器输出对应差压Pd、静压Ps、温度T的三个输出电参量Xd、Xs、T信息，其中Xd只与差压Pd有关、Xs只与 Ps有关、Xt只与T有关。
4.根据权利要求3所述的硅电容多参量差压传感器的静压影响补偿方法，其特征在于电容差压传感器静压影响补偿的实现分两步一是静压补偿过程；二为传感器实际应用过程；一、静压补偿过程按照如下过程进行先把传感器所要承受的工作压力Ps进行离散化，最小静压为0，最大表示为Pmax，把Pmax分为4等分为5个数字点Ps (i) = Pmax*i/4, 其中1 = 0，1，2，3，4(实际等分数可以调整)，另外Ps (0) = 0即无静压时；用标准压力发生器给传感器加静压Ps (i)，处理器控制数据采集信号转换单元，通过A/D转换取得静压敏感单元产生的静压数据，这里表示为Ds (i)，在当下静压点下按照传感器规定的测试方法测试传感器差压特性，外加差压Pd(j) = Pdmax*j/4,(其中j = 0，1，2，3，4实际等分数可以调整)，处理器控制A/D转换取得差压转换单元的产生的数据这里表示为Dd(i，j)；完成后， 处理器把测试得到的数据存入数据处理补偿转换模块3的数据存储器并固化；二、在传感器实际应用过程中静压补偿功能作为一个软件模块，在程序总程序中被分时调用，来实现差压传感器静压影响的补偿。处理过程为，外加静压、差压信号进入传感器模块，信号采集模块把外加压力信号分别转换为电容变化信号和电压信号，单片机处理器通过信号转换模块取得现场相应的差压数据和静压数据，分别记为Dd和Ds，在调用静压补偿处理软件模块，对Dd和Ds进行处理，得到消除了静压影响的差压数据NDd，用于后续其他标准处理过程并输出。
5.根据权利要求4所述的硅电容多参量差压传感器的静压影响补偿方法，其特征在于静压补偿处理软件模块实现方法传感器在前步的静压补偿过程中已经形成了 [Ds(i) Dd(I，j)]组成的数据表，固化在数据处理补偿转换模块3的数据存储器中；根据取得的 Ds数值，通过查表法，对数据表Ds (i)，得到与Ds最接近的Ds (i)值，从而确定具体的数据 Ds (i)在数据表Ds(i)中的位置I，根据得到的位置数据，可以从数据表Dd(i，j)中得到对应的一组数据Dd(I，j)，改组数据记录了本传感器的静压影响特性；再用Dd数值在得到的数据Dd(I，j)中，采用插值法按照下式(11)得到补偿系数K，按照式样(12) 找到 J，满足 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)根据(11) (12)计算出的Dd’数值即为消除了静压影响的差压Pd对应传感器输出值， 从而达到了传感器差压测量中对静压影响的补偿，提高传感器综合精度。
全文摘要
一种硅电容多参量差压传感器及静压影响补偿方法，在传感器压力腔内，设置硅电容差压敏感单元、压力敏感单元及温度敏感单元，改变硅电容差压传感器原单一的差压输出形式，实现单一传感器测量现场的多参数测量输出；同时后部处理电路利用压力单元及温度单元提供的测量现场的压力信号和温度信号的测量值，通过数字补偿对硅电容差压单元输出的差压输出参量进行静压和温度影响的补偿处理，有效消除静压、温度等附加误差。这种方法简便易操作，提高传感器的综合精度，成本低，大大提高了电容传感器的性价比，对硅电容传感器的批量生产极为有利。
文档编号G01D3/036GK102168994SQ20101061093
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘剑, 刘沁, 刘波, 张哲 , 张娜, 张治国, 徐秋玲, 李颖, 王雪冰 申请人:沈阳仪表科学研究院