一種壓力傳感器的製造方法
2023-07-27 00:18:16
一種壓力傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓力傳感器，包括襯底和設置在襯底上的膜片，還包括消除機械遲滯誤差裝置，所述消除機械遲滯誤差裝置包括依次相連接的電源、RC低通濾波器和壓電執行器；所述壓電執行器位於膜片的表面中央，用於在電壓控制下驅動膜片彎曲；所述RC低通濾波器的時間常數大於或等於膜片的一階諧振周期。本實用新型可以避免膜片位置的不確定性問題，減小機械遲滯偏移造成的誤差，提高壓力傳感器的測量精度。同時本實用新型的傳感器結構簡單，製造工藝簡易，成本低。
【專利說明】一種壓力傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及傳感器【技術領域】，尤其涉及一種解決機械遲滯誤差的壓力傳感器。
【背景技術】
[0002]對於傳統的壓力傳感器，由於膜片的遲滯問題，難以確定測得的電壓信號是否對應真實的壓力值，這就造成所測量的膜片形變對應的壓力與實際壓力有偏差，採集到的壓力信號精度不高。即在測量高精度壓力時，由於機械的遲滯特性，傳感器的膜片載荷的加載線與卸載線不完全重合。另外，控制壓電執行器的元件以獨立的模塊使用，導致傳感器的體積較大，功耗較多，不適於微型化集成。
[0003]2013年6月5日公開的一種傳感器(201220740899.7)，傳感器結構包括數模轉換器、壓電執行器、膜片和襯底，其中襯底上設置有膜片，壓電執行器位於膜片的表面中央，數模轉換器通過導線連接到壓電執行器上。該傳感器驅動膜片彎曲的輸入電壓是階梯式變化的，使得壓電執行器驅動膜片的彎曲有一定的過衝，膜片的最小彎曲量受階梯式電壓的最小改變量的影響，難以有效控制膜片的微小彎曲變化。
實用新型內容
[0004]本實用新型要解決的技術問題是提供一種壓力傳感器，該壓力傳感器能夠克服現有技術所存在的機械遲滯誤差和測量精度不夠的缺陷，並使得傳感器的結構優化，體積縮小，功耗降低。
[0005]為了解決上述技術問題，本實用新型所採用的技術方案如下。
[0006]一種壓力傳感器，包括襯底和設置在襯底上的膜片，還包括消除機械遲滯誤差裝置，所述消除機械遲滯誤差裝置包括依次相連接的電源、RC低通濾波器和壓電執行器；所述壓電執行器位於膜片的表面中央，用於在電壓控制下驅動膜片彎曲；所述RC低通濾波器的時間常數大於或等於膜片的一階諧振周期。
[0007]優選地，所述RC低通濾波器集成在襯底上。
[0008]優選地，所述壓電執行器為壓電膜片或壓電陶瓷。
[0009]與現有技術相比，本實用新型的一種壓力傳感器，利用RC低通濾波器和壓電執行器驅動傳感器的膜片彎曲，使膜片彎曲在遲滯曲線的加載線或卸載線上，通過電壓控制驅動力大小，方便有效地控制膜片彎曲，避免膜片位置的不確定問題，有利於提高傳感器的測量精度及準確度；RC低通濾波器為壓電執行器提供連續變化的模擬電壓，使壓電執行器的驅動力連續變化，避免膜片在微小範圍內彎曲發生過衝，有利於提高膜片彎曲的解析度；RC低通濾波器的時間常數大於或等於膜片的一階諧振周期，在低通濾波器儲存的能量作用下，壓電執行器驅動膜片彎曲的時間大於或等於膜片一階諧振周期，有利於避免膜片發生諧振；RC低通濾波器的電阻、電容集成在傳感器的膜片上，減少了傳感器的外部元器件，有利於減小傳感器的結構體積，降低功耗，便於批量生產；RC低通濾波器允許低頻信號通過，較好地遏制高頻信號，使電路結構簡單，抗幹擾性強，有效降低電源波動對壓電執行器的影響；本實用新型的壓力傳感器結構簡單，製造工藝簡易，成本低，相對於高精度的壓力傳感器，性價比比較高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型的壓力傳感器的結構示意圖。
[0011]圖2是本實用新型的壓力傳感器的結構俯視示意圖。
[0012]圖3是本實用新型的壓力傳感器結構中的RC低通濾波器的放大示意圖。
[0013]圖中I是壓電執行器，2是膜片，3是低通濾波器的電阻，4是低通濾波器的電容，5是襯底。
【具體實施方式】
[0014]下面將結合附圖，對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0015]對照圖1，壓力傳感器由RC低通濾波器3和4、壓電執行器1、膜片2和襯底5組成，其中襯底5上設置有膜片2，壓電執行器I位於膜片2的上部，RC低通濾波器3和4集成在傳感器的襯底5上，並與壓電執行器I通電連接。
[0016]對照圖2，壓電執行器I位於膜片2的表面中央，RC低通濾波器的電阻3、電容4位於膜片2的兩側。
[0017]對照圖3，RC低通濾波器的電阻3、電容4製備在傳感器的膜片2上，減少傳感器的外部元器件，減小傳感器結構的體積，便於產品微型化，降低功耗。
[0018]低通濾波器充電直至電壓滿足條件:驅動膜片彎曲撓度超過膜片機械遲滯偏移量。為便於描述，定義滿足上述條件的電壓為預定電壓。
[0019]實施例一
[0020]本實施例中，壓電執行器I選擇壓電膜片，並施加正向電壓，驅動膜片2向襯底5的方向彎曲，即依遲滯曲線的載荷加載線彎曲。傳感器膜片2的諧振周期為20 us的數量級，低通濾波器的電阻3約為50ΚΩ，電容4約為I nF，其時間常數τ約為50us，大於膜片的諧振周期，有利於避免膜片2發生諧振。低通濾波器的放電時間常數約為49us。
[0021]測量壓力過程中，RC低通濾波器輸入端的預定電壓作用於壓電膜片，電壓大小與選定的壓電執行器有關，本實施例以預定電壓24V為例。
[0022]首先施加24V直流電壓在RC低通濾波器的輸入端上，RC低通濾波器的輸出電壓從OV開始以指數形式增加至24V。壓電膜片驅動膜片彎曲的力連續增加，膜片彎曲的撓度逐漸增大。RC低通濾波器充電完成後，其儲存的能量驅動膜片彎曲到遲滯曲線的加載線上。
[0023]然後降低RC低通濾波器輸入端的電壓，其輸出的電壓從24V開始以指數形式連續降低至0V。在輸出端的電壓降低的過程中，壓電執行器的驅動力也連續平緩的降低，膜片的彎曲撓度逐漸減小，最終停留在遲滯曲線的卸載線上。
[0024]最後，從開始降低低通濾波器輸入電壓的時刻開始，經過49us後，斷開電源，通過信號處理電路測量膜片上的壓力，得出待測的壓力值。
[0025]實施例二
[0026]本實施例中，壓電執行器I選擇壓電陶瓷，並施加負向電壓，驅動膜片2背向襯底5的方向彎曲，即依遲滯曲線的載荷卸載線彎曲。傳感器膜片2的諧振周期為20 us的數量級，低通濾波器的電阻3約為50ΚΩ，電容4約為I nF，其時間常數τ約為50us，大於膜片的諧振周期，有利於避免膜片發生諧振。低通濾波器的放電時間常數約為49us。
[0027]測量壓力過程中，RC低通濾波器輸入端的預定電壓作用於壓電陶瓷，電壓大小與選定的壓電執行器有關，本實施例以預定電壓50V為例。
[0028]首先施加50V直流電壓在RC低通濾波器的輸入端上，RC低通濾波器的輸出電壓從OV開始以指數形式連續增加至50V。壓電陶瓷驅動膜片彎曲的力連續增加，膜片彎曲的撓度逐漸減小。RC低通濾波器充電完成後，其儲存的能量驅動膜片彎曲到遲滯曲線的卸載線上。
[0029]然後降低RC低通濾波器輸入端的電壓，其輸出的電壓從50V開始以指數形式連續降低至0V。在輸出端的電壓降低的過程中，壓電執行器的驅動力也連續平緩的降低。在待測壓力的作用下，膜片的彎曲撓度逐漸增加，最終停留在遲滯曲線的加載線上。
[0030]最後，從開始降低低通濾波器輸入電壓的時刻開始，經過49us後，斷開電源，通過信號處理電路測量膜片上的壓力，得出待測的壓力值。
[0031]以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護範圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種壓力傳感器，包括襯底和設置在襯底上的膜片，其特徵在於，還包括消除機械遲滯誤差裝置，所述消除機械遲滯誤差裝置包括依次相連接的電源、RC低通濾波器和壓電執行器； 所述壓電執行器位於膜片的表面中央，用於在電壓控制下驅動膜片彎曲； 所述RC低通濾波器的時間常數大於或等於膜片的一階諧振周期。
2.根據權利要求1所述的一種壓力傳感器，其特徵在於，所述RC低通濾波器集成在襯底上。
3.根據權利要求1所述的一種壓力傳感器，其特徵在於，所述壓電執行器為壓電膜片或壓電陶瓷。
【文檔編號】G01L1/16GK203443714SQ201320559176
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】劉清惓, 周曉, 陳傳寅, 張加宏, 李敏 申請人:南京信息工程大學