一種具有高集成度的自供電壓力傳感器的製作方法

2023-05-23 06:38:21

本發明涉及壓力傳感器的技術領域，具體涉及一種具有高集成度的自供電壓力傳感器。

背景技術：

壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用於各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建築、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、工具機、管道等眾多行業。同時，物聯網傳感器節點被廣泛應用，通過改進傳感器結構和功能，使得傳感器更加適用於物聯網傳感器節點，是目前傳感器領域研究的熱題。

目前，常規的壓力傳感器或者其他傳感器，都或多或少地需要相應的外部電源或者內部電池供電，也都或多或少地需要外部特殊的電路與傳感器相匹配，來把傳感器所產生的特殊信號轉換為一般的數位訊號。因此，物聯網傳感器節點技術的應用受到傳感器依賴於外部複雜處理電路的問題及電路工作供電的問題等諸多限制。

技術實現要素：

本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種能夠直接輸出數位訊號，進行自主工作，不會給外部電路帶來任何負擔的具有高集成度的自供電壓力傳感器。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種具有高集成度的自供電壓力傳感器，包括封裝殼體，所述封裝殼體內設有豎直通孔的圓柱體，所述圓柱體主要由上下堆疊在一起的壓力傳感單元和壓電俘能器單元組成，所述壓力傳感單元和所述壓電俘能器單元之間設置有非極化隔離層；所述豎直通孔內設有能量管理模塊和信號處理模塊，所述壓電俘能器單元的輸出電極與所述能量管理模塊的輸入端電氣連接，所述壓力傳感單元的輸出電極與所述信號處理模塊的輸入端電氣連接，所述能量管理模塊的輸出端與所述信號處理模塊的電源端電氣連接。

優選地，所述壓力傳感單元包括：多個上下堆疊在一起的第一極化壓電片，每一個第一極化壓電片的上下兩端均設置有第一金屬片，相鄰兩個第一極化壓電片共用一個第一金屬片，且相鄰兩個第一極化壓電片的極化方向相反，所有第一極化壓電片的正極並接在一起形成所述壓力傳感單元的輸出正電極，所有第一極化壓電片的負極並接在一起形成所述壓力傳感單元的輸出負電極；所述壓電俘能器單元包括：多個上下堆疊在一起的第二極化壓電片，每一個第二極化壓電片的上下兩端均設置有第二金屬片，相鄰兩個第二極化壓電片共用一個第二金屬片，且相鄰兩個第二極化壓電片的極化方向相反，所有第二極化壓電片的正極並接在一起形成所述壓電俘能器單元的輸出正電極，所有第二極化壓電片的負極並接在一起形成所述壓電俘能器單元的輸出負電極；所述圓柱體的上下兩端均設置有封裝陶瓷片。

優選地，所述第一極化壓電片的製作材料為pzt-5h，所述第二極化壓電片的製作材料為pmn-pt。

優選地，所述豎直通孔內還設有無線傳輸模塊，所述無線傳輸模塊的輸入端與所述信號處理模塊的輸出端電氣連接，所述無線傳輸模塊的輸出天線設置於所述封裝殼體的表面上。

優選地，所述信號處理模塊包括：電荷放大電路、低通濾波電路和mcu處理電路，所述電荷放大電路包括：放大器u1、放大器u2、放大器u3、放大器u4和放大器u5，所述低通濾波電路包括：放大器u6，所述mcu處理電路包括：mcu控制晶片u7；所述壓力傳感單元的一個輸出電極通過電阻r1與所述放大器u1的反相輸入端相連，所述壓力傳感單元的另一個輸出電極通過電阻r2與所述放大器u2的反相輸入端相連，所述放大器u1的反相輸入端還通過電阻r3與所述放大器u1的輸出端相連，所述電阻r3的兩端並接有電容c1，所述放大器u2的反相輸入端還通過電阻r4與所述放大器u2的輸出端相連，所述電阻r4的兩端並接有電容c2，所述放大器u1的同相輸入端通過電阻r5接地，所述放大器u2的同相輸入端通過電阻r6接地；所述放大器u3的同相輸入端通過電阻r7與所述放大器u1的輸出端相連，所述放大器u4的同相輸入端通過電阻r8與所述放大器u2的輸出端相連，所述放大器u3的輸出端依次通過電阻r9、電阻r10和電阻r11與所述放大器u4的輸出端相連，所述放大器u3的反相輸入端與所述電阻r9和所述電阻r10之間的連線相連，所述放大器u4的反相輸入端與所述電阻10和所述電阻r11之間的連線相連，所述放大器u3的輸出端通過電阻r12與所述放大器u5的反相輸入端相連，所述放大器u4的輸出端通過電阻r13與所述放大器u5的同相輸入端相連，所述放大器u5的同相輸入端還通過電阻r14接地，所述放大器u5的反相輸入端還通過電阻r5與所述放大器u5的輸出端相連；所述放大器u5的輸出端依次通過電阻r16、電阻r18與所述放大器u6的同相輸入端相連，所述r16和所述電阻r18之間的連線通過電容c3接地，所述放大器u6的同相輸入端還通過電容c4接地，所述放大器u6的反相輸入端通過電阻r17接地，所述放大器u6的反相輸入端還通過電阻r19與所述放大器u6的輸出端相連，所述放大器u6的輸出端與所述mcu控制晶片u7的輸入端p_a/d相連；所述放大器u6的輸入輸出埠dio_7為所述mcu控制晶片u7的輸入端p_a/d，所述mcu控制晶片u7的第一無線輸出端rx_tx通過電容c5接地，所述mcu控制晶片u7的第二無線輸出端rf_n通過電感l1與第一無線輸出端rx_tx相連，所述第二無線輸出端rf_n還通過電感l2與第三無線輸出端rf_p相連，所述第三無線輸出端rf_p還通過電容c7接地，所述第二無線輸出端rf_n還依次通過電容c6、電感l4、電感l5與所述輸出天線相連，所述電容c6和所述電感l4之間的連線通過電容c8接地，所述電感l4和所述電感l5之間的連線通過電容c9接地，所述電容c6和所述電感l4之間的連線還通過電感l3與所述第三無線輸出端rf_p相連，所述mcu控制晶片u7的輸入輸出埠dio_5、輸入輸出埠dio_6分別為所述自供電壓力傳感器的有線輸出端jtag_tdo、有線輸出端jtag_tdi，所述mcu控制晶片u7的電源端vcc與3.3v電源相連。

優選地，所述mcu控制晶片u7為cc2650晶片。

優選地，所述能量管理模塊105包括：能量管理晶片u31和鋰電池bat；所述能量管理晶片u31的交流輸入端ac1與所述壓電俘能器單元103的一個輸出電極相連，所述能量管理晶片u31的交流輸入端ac2與所述壓電俘能器單元103的另一個輸出電極相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸入端vin通過電容c31與所述能量管理晶片u31的電容連接端cap相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸入端vin還通過電容c32接地，所述能量管理晶片u31的電壓輸入端vin2通過電容c33接地，所述能量管理晶片u31的電池充電使能端charge依次通過電阻r31、電容c34接地，所述能量管理晶片u31的變壓輸入端bb_in與所述電阻r31和所述電容c34之間的連線相連，所述能量管理晶片u31的變壓輸入端bb_in還與所述能量管理晶片u31的電池隔離開關輸出端bat_out相連，所述能量管理晶片u31的備用電源輸入端bat_in通過所述鋰電池bat接地，所述鋰電池bat的兩端並接有電容c35；所述能量管理晶片u31的降壓變壓器開關端sw串接電感l1後與所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout相連，所述能量管理晶片u31的swa端子通過電感l2與所述能量管理晶片u31的swb端子相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout通過電容c36與所述能量管理晶片u31的超級電容公共端bal相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout通過電容c37接地，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout與所述能量管理晶片u31的的超級電容平衡器輸入端scap相連，所述能量管理晶片u31的超級電容公共端bal還通過電容c38接地，所述能量管理晶片u31的邏輯參考點vin3通過電容c39接地，所述能量管理晶片u31的接地端gnd接地，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout輸出3.3v電壓。

優選地，所述能量管理晶片u31為ltc3331晶片。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

1、本發明中的壓力傳感器，主要由壓力傳感單元、壓電俘能器單元、能量管理模塊和信號處理模塊組成，且上述壓力傳感單元、壓電俘能器單元、能量管理模塊和信號處理模塊被集成在一個封裝殼體內。當受到外部壓力時，由於產生壓電效應，一方面，壓力傳感單元產生的電荷通過其輸出電極輸送給信號處理模塊，信號處理模塊將該電荷轉化為標準的數位訊號後輸出至傳感器外部；另一方面，壓電俘能器單元產生的電荷通過其輸出電極輸送給能量管理模塊，能量管理模塊將電能進行存儲，並控制著對其他電路部分的電能輸出。本發明利用了壓電測壓和發電的特性，把傳感器部分、處理電路部分、自供電部分集成為一體，能夠直接輸出數位訊號，使得壓力傳感器能夠獨立自主地工作，不會給外部電路帶來任何負擔，解決了傳統壓力傳感器集成度低、不能自供電及不能獨立工作的問題，迎合了物聯網節點技術對傳感器的要求，因此必將有很大的應用前景。

2、本發明中的第一極化壓電片作為測壓壓電片，其製作材料選為pzt-5h，由於其具有大的電壓輸出且內阻較大，輸出電壓與所受壓力有較好的線性關係，能表現出很好的靈敏度；而第二極化壓電片作為俘能器壓電片，其製作材料選為pmn-pt，因其內阻小，能量密度大，從而更有利於能量的採集。

3、本發明還在傳感器內部集成了無線傳輸模塊，可使傳感器將採集到的壓力信號通過有線和無線兩種方式傳輸出去。

4、在信號處理模塊中，電荷放大電路將壓力傳感單元產生的電荷量轉化為便於測量的電壓信號，低通濾波電路將這個電壓信號進行濾波和變壓處理，再通過mcu處理電路中的mcu控制晶片u7的ad轉換功能將電壓信號轉換為數位訊號，並通過mcu控制晶片u7的計算處理得出壓力信息，然後將壓力信息通過無線或有線的方式輸出。其中，mcu控制晶片u7可選用cc2650晶片，此晶片具有ad轉換及zigbee無線通信的功能，再加上cc2650本身具有低功耗及超低功耗休眠的特點，很適合作為此傳感器的mcu。

5、在能量管理模塊中，能量管理晶片可選用ltc3331晶片，此晶片同時連接著壓電俘能器單元和鋰電池bat。在壓電俘能器單元產生電能充足的情況下，可以在利用壓電俘能器單元獲得的能量為整個電路系統供電的同時，給鋰電池bat充電；在壓電俘能器單元產生電能不充足的情況下，能量管理晶片u31會調用鋰電池bat來為整個電路系統供電。其中，能量管理晶片u31的引腳vout為電壓輸出埠，為整個系統提供電能。

附圖說明

下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。

圖1為本發明實施例提供的一種具有高集成度的自供電壓力傳感器的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種具有高集成度的自供電壓力傳感器中壓電片的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種具有高集成度的自供電壓力傳感器中信號處理模塊的電路原理圖；

圖4為本發明實施例提供的一種具有高集成度的自供電壓力傳感器中能量管理模塊的電路原理圖；

圖中：101為豎直通孔，102為壓力傳感單元，103為壓電俘能器單元，104為非極化隔離層，105為能量管理模塊，106為信號處理模塊，107為封裝陶瓷片，108為無線傳輸模塊，1021為第一極化壓電片，1022為第一金屬片，1031為第二極化壓電片，1032為第二金屬片，1061為電荷放大電路，1062為低通濾波電路，1063為mcu處理電路，1081為輸出天線。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1為本發明實施例提供的一種具有高集成度的自供電壓力傳感器的結構示意圖，圖2為本發明實施例提供的一種具有高集成度的自供電壓力傳感器中壓電片的結構示意圖，如圖1、圖2所示，一種具有高集成度的自供電壓力傳感器，包括封裝殼體，所述封裝殼體內設有豎直通孔101的圓柱體，所述圓柱體主要由上下堆疊在一起的壓力傳感單元102和壓電俘能器單元103組成，所述壓力傳感單元102和所述壓電俘能器單元103之間設置有非極化隔離層104；所述豎直通孔101內設有能量管理模塊105和信號處理模塊106，所述壓電俘能器單元103的輸出電極與所述能量管理模塊105的輸入端電氣連接，所述壓力傳感單元102的輸出電極與所述信號處理模塊106的輸入端電氣連接，所述能量管理模塊105的輸出端與所述信號處理模塊106的電源端電氣連接。

具體地，所述壓力傳感單元102包括：多個上下堆疊在一起的第一極化壓電片1021，每一個第一極化壓電片1021的上下兩端均設置有第一金屬片1022，相鄰兩個第一極化壓電片1021共用一個第一金屬片1022，且相鄰兩個第一極化壓電片1021的極化方向相反，所有第一極化壓電片1021的正極並接在一起形成所述壓力傳感單元102的輸出正電極，所有第一極化壓電片1021的負極並接在一起形成所述壓力傳感單元102的輸出負電極；所述壓電俘能器單元103包括：多個上下堆疊在一起的第二極化壓電片1031，每一個第二極化壓電片1031的上下兩端均設置有第二金屬片1032，相鄰兩個第二極化壓電片1031共用一個第二金屬片1032，且相鄰兩個第二極化壓電片1031的極化方向相反，所有第二極化壓電片1031的正極並接在一起形成所述壓電俘能器單元103的輸出正電極，所有第二極化壓電片1031的負極並接在一起形成所述壓電俘能器單元103的輸出負電極；所述圓柱體的上下兩端均設置有封裝陶瓷片107。

本實施例中，所述壓電俘能器單元103堆疊在所述壓力傳感單元102的上方，所述第一極化壓電片1021和所述第二極化壓電片1031的數量均為三個，圖中的箭頭方向為壓電片的極化方向，內部電路的信號輸出線可通過封裝殼體的底座通孔引出。

本實施例中的壓力傳感器，主要由壓力傳感單元102、壓電俘能器單元103、能量管理模塊105和信號處理模塊106組成，且上述壓力傳感單元102、壓電俘能器單元103、能量管理模塊105和信號處理模塊106被集成在一個封裝殼體內。當受到外部壓力時，由於產生壓電效應，一方面，壓力傳感單元102產生的電荷通過其輸出電極輸送給信號處理模塊106，信號處理模塊106將該電荷轉化為標準的數位訊號後輸出至傳感器外部；另一方面，壓電俘能器單元103產生的電荷通過其輸出電極輸送給能量管理模塊105，能量管理模塊105將電能進行存儲，並控制著對其他電路部分的電能輸出。本發明利用了壓電測壓和發電的特性，把傳感器部分、處理電路部分、自供電部分集成為一體，能夠直接輸出數位訊號，使得壓力傳感器能夠獨立自主地工作，不會給外部電路帶來任何負擔，解決了傳統壓力傳感器集成度低、不能自供電及不能獨立工作的問題，迎合了物聯網節點技術對傳感器的要求，因此必將有很大的應用前景。

具體地，所述第一極化壓電片1021的製作材料可為pzt-5h，所述第二極化壓電片1031的製作材料可為pmn-pt。

本實施例中的第一極化壓電片1021作為測壓壓電片，其製作材料選為pzt-5h，由於其具有大的電壓輸出且內阻較大，輸出電壓與所受壓力有較好的線性關係，能表現出很好的靈敏度；而第二極化壓電片1031作為俘能器壓電片，其製作材料選為pmn-pt，因其內阻小，能量密度大，從而更有利於能量的採集。

具體地，所述豎直通孔101內還可設有無線傳輸模塊108，所述無線傳輸模塊108的輸入端與所述信號處理模塊106的輸出端電氣連接，所述無線傳輸模塊108的輸出天線1081設置於所述封裝殼體的表面上。

本實施例在傳感器內部集成了無線傳輸模塊108，可使傳感器將採集到的壓力信號通過有線和無線兩種方式傳輸出去。

具體地，所述信號處理模塊106可包括：電荷放大電路1061、低通濾波電路1062和mcu處理電路1063，所述電荷放大電路1061包括：放大器u1、放大器u2、放大器u3、放大器u4和放大器u5，所述低通濾波電路1062包括：放大器u6，所述mcu處理電路1063包括：mcu控制晶片u7；所述壓力傳感單元102的一個輸出電極通過電阻r1與所述放大器u1的反相輸入端相連，所述壓力傳感單元102的另一個輸出電極通過電阻r2與所述放大器u2的反相輸入端相連，所述放大器u1的反相輸入端還通過電阻r3與所述放大器u1的輸出端相連，所述電阻r3的兩端並接有電容c1，所述放大器u2的反相輸入端還通過電阻r4與所述放大器u2的輸出端相連，所述電阻r4的兩端並接有電容c2，所述放大器u1的同相輸入端通過電阻r5接地，所述放大器u2的同相輸入端通過電阻r6接地；所述放大器u3的同相輸入端通過電阻r7與所述放大器u1的輸出端相連，所述放大器u4的同相輸入端通過電阻r8與所述放大器u2的輸出端相連，所述放大器u3的輸出端依次通過電阻r9、電阻r10和電阻r11與所述放大器u4的輸出端相連，所述放大器u3的反相輸入端與所述電阻r9和所述電阻r10之間的連線相連，所述放大器u4的反相輸入端與所述電阻10和所述電阻r11之間的連線相連，所述放大器u3的輸出端通過電阻r12與所述放大器u5的反相輸入端相連，所述放大器u4的輸出端通過電阻r13與所述放大器u5的同相輸入端相連，所述放大器u5的同相輸入端還通過電阻r14接地，所述放大器u5的反相輸入端還通過電阻r5與所述放大器u5的輸出端相連；所述放大器u5的輸出端依次通過電阻r16、電阻r18與所述放大器u6的同相輸入端相連，所述r16和所述電阻r18之間的連線通過電容c3接地，所述放大器u6的同相輸入端還通過電容c4接地，所述放大器u6的反相輸入端通過電阻r17接地，所述放大器u6的反相輸入端還通過電阻r19與所述放大器u6的輸出端相連，所述放大器u6的輸出端與所述mcu控制晶片u7的輸入端p_a/d相連；所述放大器u6的輸入輸出埠dio_7為所述mcu控制晶片u7的輸入端p_a/d，所述mcu控制晶片u7的第一無線輸出端rx_tx通過電容c5接地，所述mcu控制晶片u7的第二無線輸出端rf_n通過電感l1與第一無線輸出端rx_tx相連，所述第二無線輸出端rf_n還通過電感l2與第三無線輸出端rf_p相連，所述第三無線輸出端rf_p還通過電容c7接地，所述第二無線輸出端rf_n還依次通過電容c6、電感l4、電感l5與所述輸出天線1081相連，所述電容c6和所述電感l4之間的連線通過電容c8接地，所述電感l4和所述電感l5之間的連線通過電容c9接地，所述電容c6和所述電感l4之間的連線還通過電感l3與所述第三無線輸出端rf_p相連，所述mcu控制晶片u7的輸入輸出埠dio_5、輸入輸出埠dio_6分別為所述自供電壓力傳感器的有線輸出端jtag_tdo、有線輸出端jtag_tdi，所述mcu控制晶片u7的電源端vcc與3.3v電源相連。

在信號處理模塊106中，電荷放大電路1061將壓力傳感單元102產生的電荷量轉化為便於測量的電壓信號，低通濾波電路1062將這個電壓信號進行濾波和變壓處理，再通過mcu處理電路1063中的mcu控制晶片u7的ad轉換功能將電壓信號轉換為數位訊號，並通過mcu控制晶片u7的計算處理得出壓力信息，然後將壓力信息通過無線或有線的方式輸出。

更具體地，所述mcu控制晶片u7可為cc2650晶片。

cc2650晶片具有ad轉換及zigbee無線通信的功能，再加上cc2650本身具有低功耗及超低功耗休眠的特點，很適合作為此傳感器的mcu。

具體地，所述能量管理模塊105可包括：能量管理晶片u31和鋰電池bat；所述能量管理晶片u31的交流輸入端ac1與所述壓電俘能器單元103的一個輸出電極相連，所述能量管理晶片u31的交流輸入端ac2與所述壓電俘能器單元103的另一個輸出電極相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸入端vin通過電容c31與所述能量管理晶片u31的電容連接端cap相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸入端vin還通過電容c32接地，所述能量管理晶片u31的電壓輸入端vin2通過電容c33接地，所述能量管理晶片u31的電池充電使能端charge依次通過電阻r31、電容c34接地，所述能量管理晶片u31的變壓輸入端bb_in與所述電阻r31和所述電容c34之間的連線相連，所述能量管理晶片u31的變壓輸入端bb_in還與所述能量管理晶片u31的電池隔離開關輸出端bat_out相連，所述能量管理晶片u31的備用電源輸入端bat_in通過所述鋰電池bat接地，所述鋰電池bat的兩端並接有電容c35；所述能量管理晶片u31的降壓變壓器開關端sw串接電感l1後與所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout相連，所述能量管理晶片u31的swa端子通過電感l2與所述能量管理晶片u31的swb端子相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout通過電容c36與所述能量管理晶片u31的超級電容公共端bal相連，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout通過電容c37接地，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout與所述能量管理晶片u31的的超級電容平衡器輸入端scap相連，所述能量管理晶片u31的超級電容公共端bal還通過電容c38接地，所述能量管理晶片u31的邏輯參考點vin3通過電容c39接地，所述能量管理晶片u31的接地端gnd接地，所述能量管理晶片u31的電壓輸出端vout輸出3.3v電壓。

本實施例中的能量管理模塊105負責把壓電俘能器單元103獲得的能量經過整流、濾波、變壓等處理將電能存儲起來，還負責控制對其他電路的供電。

具體地，所述能量管理晶片u31可為ltc3331晶片。

ltc3331晶片同時連接著壓電俘能器單元103和鋰電池bat。在壓電俘能器單元103產生電能充足的情況下，可以在利用壓電俘能器單元103獲得的能量為整個電路系統供電的同時，給鋰電池bat充電；在壓電俘能器單元103產生電能不充足的情況下，能量管理晶片u31會調用鋰電池bat來為整個電路系統供電。其中，能量管理晶片u31的引腳vout為電壓輸出埠，為整個系統提供電能。

本發明作為一種基於壓電效應的可獨立工作的壓力傳感器，由於其具有體積小，可直接輸出壓力的數位訊號，不需要匹配相應的外部處理電路，可在複雜環境下工作，可編程升級等特點，此傳感器可在物聯網傳感器節點等領域廣泛使用，具有很大的應用前景。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。