抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置製造方法
2023-04-29 18:52:06 2
抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，包括溫度傳感器、直流電源以及依次連接的基準電壓源、帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路、信號調理電路、控制電路；所述帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路包括矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻、高精密電阻、溫敏電阻；所述信號調理電路包括依次連接的前置放大端、第一低通濾波器、中間級放大器、第二低通濾波器；所述控制電路包括LDO線性電源、依次相連的模數轉換器、數字隔離器、單片機、LCD液晶屏，所述LDO線性電源為單片機供電；所述溫度傳感器與控制電路中的單片機相連。本實用新型可以顯著減小了熱漂移和噪聲對檢測結果的影響，達到高精度穩定測量的效果。
【專利說明】抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置。
【背景技術】
[0002]矽納米線巨壓阻壓力傳感器比常規的壓阻壓力傳感器的壓阻係數高出一個數量級以上，因此在相同的摻雜濃度下，巨壓阻傳感器的靈敏度也高出一個數量級以上。由於具有超高的靈敏度和響應速度，基於巨壓阻原理的傳感器在航空航天、生化反恐、醫療以及超微量檢測等方面有著重要的應用前景。但是，巨壓阻傳感器的靈敏度受周圍環境溫度的影響也更加嚴重。
[0003]眾所周知，熱靈敏度溫度漂移是決定半導體壓阻傳感器的一個關鍵指標。鑑於矽納米線巨壓阻傳感器的溫度漂移比傳統壓阻傳感器更加顯著，這必然會對該類傳感器的靈敏度和穩定性帶來很大影響，降低了測量的精度，嚴重製約著這類超高靈敏度傳感器的應用。因此需要對巨壓阻傳感器靈敏度的熱漂移進行補償。另一方面，微弱信號的檢測與處理是微納傳感器系統組成的要素。由於傳感器輸出信號相對微小，任何放大電路在此情況下都存在背景噪聲，導致信噪比較低。檢測有用信號的困難主要在於信號裡夾雜著噪聲，所以將有用信號從背景噪聲下檢測出來的關鍵是設法抑制噪聲。
【發明內容】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，將基準電壓源、溫度補償電橋電路、信號放大濾波電路有機結合，以補償壓敏巨壓阻電阻因溫度變化產生的阻值和靈敏度變化，可得到較為精準的信號，顯著減小了熱漂移和噪聲對檢測結果的影響，可以達到高精度穩定測量的效果。
[0005]本實用新型為解決上述技術問題採用以下技術方案:
[0006]本實用新型提供抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，包括溫度傳感器、直流電源以及依次連接的基準電壓源、帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路、信號調理電路、控制電路；
[0007]所述直流電源為信號調理電路、控制電路供電；
[0008]所述帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路包括矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻、高精密電阻、溫敏電阻，所述矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻、高精密電阻構成惠斯通電橋電路，所述溫敏電阻用以對惠斯通電橋電路進行溫度補償；
[0009]所述信號調理電路包括依次連接的前置放大端、第一低通濾波器、中間級放大器、第二低通濾波器；
[0010]所述控制電路包括LDO線性電源、依次相連的模數轉換器、數字隔離器、單片機、LCD液晶屏，所述LDO線性電源為單片機供電；
[0011 ] 所述溫度傳感器與控制電路中的單片機相連。
[0012]作為實用新型的進一步優化方案，所述基準電壓源包括基準電壓源晶片REF195、運算放大器0PA177。
[0013]作為實用新型的進一步優化方案，所述矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻是經熱電老化過的，是基於矽微機械加工技術和化學表面修飾工藝在SOI晶圓的頂層單晶矽上製備而成的。
[0014]作為實用新型的進一步優化方案，所述前置放大端和中間級放大器均由ADA4528-1晶片構成。
[0015]作為實用新型的進一步優化方案，所述模數轉換器採用24位AD7190晶片。
[0016]作為實用新型的進一步優化方案，所述數字隔離器採用型號為ADUM5401的集成DC/DC隔離電源的磁耦式數字隔離器，內置穩壓電源隔離器、信號隔離器模塊。
[0017]作為實用新型的進一步優化方案，所述單片機採用STM32F103ZET6微處理器晶片。
[0018]作為實用新型的進一步優化方案，所述直流電源提供+12V電壓。
[0019]作為實用新型的進一步優化方案，所述溫度傳感器採用型號為DS18B20的數字式溫度傳感器。
[0020]本實用新型採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
[0021](I)本實用新型採用精密的基準電壓源和特殊傳輸供電方式，滿足了電橋電路的高精度穩定供電要求；
[0022](2)本實用新型採用矽納米巨壓阻壓力傳感器上的陣列電阻和高精密電阻相結合構成惠斯通電橋電路，通過零點的串並聯補償法和熱敏電阻補償法抑制零位熱漂移和靈敏度熱漂移，消除了溫度對檢測結果的影響；
[0023](3)本實用新型採用放大與濾波去噪模塊信號調理和控制模塊，有利於放大信號並且抑制噪聲、提取有用信號，比傳統的傳感器的壓力測量系統具有更高的精確性和穩定性；
[0024](4)本實用新型還可以拓展到更廣泛的測量領域，並且該裝置的高精度性和穩定性使其具有更高的商業價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0026]圖2是基準電壓源的電路圖。
[0027]圖3是帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路圖。
[0028]圖4是信號調理電路圖。
[0029]圖5是控制電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0030]下面詳細描述本實用新型的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。
[0031]本【技術領域】技術人員可以理解的是，本實用新型中涉及到的相關模塊及其實現的功能是在改進後的硬體及其構成的裝置、器件或系統上搭載現有技術中常規的計算機軟體程序或有關協議就可實現，並非是對現有技術中的計算機軟體程序或有關協議進行改進。例如，改進後的計算機硬體系統依然可以通過裝載現有的軟體作業系統來實現該硬體系統的特定功能。因此，可以理解的是，本實用新型的創新之處在於對現有技術中硬體模塊的改進及其連接組合關係，而非僅僅是對硬體模塊中為實現有關功能而搭載的軟體或協議的改進。
[0032]本【技術領域】技術人員可以理解的是，本實用新型中提到的相關模塊是用於執行本申請中所述操作、方法、流程中的步驟、措施、方案中的一項或多項的硬體設備。所述硬體設備可以為所需的目的而專門設計和製造，或者也可以採用通用計算機中的已知設備或已知的其他硬體設備。所述通用計算機有存儲在其內的程序選擇性地激活或重構。
[0033]本【技術領域】技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本實用新型的說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被「連接」或「耦接」到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這裡使用的「連接」或「耦接」可以包括無線連接或耦接。這裡使用的措辭「和/或」包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。
[0034]本【技術領域】技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本實用新型所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
[0035]下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明:
[0036]本實用新型設計一種抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，如圖1所示，包括溫度傳感器、直流電源以及依次連接的基準電壓源、帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路、信號調理電路、控制電路；所述直流電源為信號調理電路、控制電路供電；所述帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路包括矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻、高精密電阻、溫敏電阻，所述矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻、高精密電阻構成惠斯通電橋電路；所述信號調理電路包括依次連接的前置放大端、第一低通濾波器、中間級放大器、第二低通濾波器；所述控制電路包括LDO線性電源、依次相連的模數轉換器、數字隔離器、單片機、LCD液晶屏，所述LDO線性電源為單片機供電；所述溫度傳感器與控制電路中的單片機相連。
[0037]由於激勵電源的穩定性是影響測量精度的重要因素，而普通電源輸出的電壓不夠穩定，並且壓阻式傳感器輸出電壓與電源電壓成正比，因此，在本實用新型的一實施例中，所述基準電壓源由晶片REF195和運算放大器0PA177構成，如圖2所示。其中，晶片REF195的輸出電壓為5V，具有低壓差、微功耗等特點，能夠給惠斯通電橋電路提供高精度的供電。又由於常用的雙絞線都有一定的阻值，特別是在導線較長或導線上有較大電流時，將在導線上的產生明顯的壓降，影響對惠斯通電橋電路的供電。本實施例中，為了減小這種誤差，根據運算放大器的虛短原理，將放大器反向輸入端電壓等於正向輸入端電壓。如此，由於放大器的輸入電阻很大，輸出端電流約為零，因此傳輸線電阻RS1、RS4的壓降為零，可以消除傳輸線電阻帶來的誤差。[0038]壓阻式傳感器受到溫度影響後，會產生零位漂移和靈敏度漂移，因而會產生溫度誤差。而傳感器靈敏度的溫漂是由於壓阻係數隨溫度變化而引起的，當溫度升高時，壓阻係數變小，傳感器的靈敏度要降低，反之靈敏度升高。當零位失調調零後，一旦溫度發生變化，輸出則再出現零位失調。本實用新型一實施例中，零位溫漂用串、並聯電阻的方法進行補償，如圖3所示。其中，Rf R4有正溫度係數，選擇Rs和Rp的溫度係數近似為零，當溫度升高時，R4+Rs增加較慢；R2和Rp並聯後，隨著溫度增加，電阻增量也很小。因此，根據壓阻式傳感器的溫度特性，選擇配置適當的Rs和Rp的電阻阻值，就可以使溫度變化時，基本不發生零點偏移。另一方面，熱敏電阻Rt具有負的溫度係數，Ro是為了改善熱敏電阻的線性而並聯的溫度係數很小的電阻。當恆壓源供電時，隨著溫度的升高，熱敏電阻Rt的阻值減小，使加在電橋上的電壓增大，提高了電橋的輸出電壓。這就補償了由於溫度升高，電橋的靈敏度下降造成的輸出電壓降低。需要注意的是，這種方法僅適用於恆壓源供電。同時要求熱敏電阻Rt與橋路電阻必須處於相同的溫度之下，否則就無法補償。
[0039]本實用新型中信號調理電路包含依次連接的前置放大端、第一低通濾波器、中間級放大器、第二低通濾波器，用以對矽納米線巨壓阻傳感器輸出的電信號進行放大、濾波、去噪等調理。在本實用新型一實施例中，如圖4所示，前置放大端是由ADA4528-1及R6、R7、R8、R9組成，能有效的抑制共模幹擾引入的誤差，提高信噪比和系統的精度，具有較高的增益及較寬的增益調節範圍；並且，前置放大端是典型的差分放大電路，有四個精密電阻匹配得到想要的放大倍數；同時出於對共模抑制的考慮，建議使用0.01%精度的精密電阻。本實施例中，RlI和C5、R12和C6組成第一低通濾波器，用以去除高頻噪聲、降低總噪聲電壓、檢測有用信號。R13、R14與ADA4528-1構成中間級同相比例運算放大器。此外，由0PA177、電阻R15和R16、電容C8和C9構成第二低通濾波器，它是一個有源濾波器，其中0PA177構成電壓跟隨器，它具有阻抗匹配和隔離功能。
[0040]如圖1、圖5所示，在本實施例中，信號控制電路中AD轉換器的輸入端連接信號調理電路，AD轉換器的輸出端經數字隔離器與單片機連接，單片機連接LCD液晶屏，LDO線性電源的輸入端連接直流電源，LDO線性電源的輸出端連接單片機，LDO線性電源的輸出端還經穩壓電源隔離器與AD轉換器的輸出端連接，溫度傳感器與單片機連接。其中，溫度傳感器採用型號為DS18B20的數字式溫度傳感器；AD轉換器採用超低噪聲24位AD7190晶片；數字隔離器採用內置穩壓電源隔離器、信號隔離器模塊的型號為ADUM5401的集成DC/DC隔離電源的磁耦式數字隔離器，這既節省成本，也節約了 PCB板的空間；單片機採用低功耗的STM32F103ZET6微處理器晶片。AD7190將信號調理電路輸出的模擬信號轉換為數位訊號，並傳送給STM32F103ZET6，STM32F103ZET6將接收到的數位訊號傳送給LCD液晶屏進行顯示。STM32F103ZET6對DS18B20採集的溫度數據進行處理，利用溫度補償算法將溫度對測量數據的影響進行補償，抑制靈敏度溫度漂移。
[0041]以上所述，僅為本實用新型中的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本實用新型所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本實用新型的包含範圍之內，因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於:包括溫度傳感器、直流電源以及依次連接的基準電壓源、帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路、信號調理電路、控制電路； 所述直流電源為信號調理電路、控制電路供電； 所述帶有溫漂補償的惠斯通電橋電路包括矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻、高精密電阻、溫敏電阻，所述矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻、高精密電阻構成惠斯通電橋電路，所述溫敏電阻用以對惠斯通電橋電路進行溫度補償； 所述信號調理電路包括依次連接的前置放大端、第一低通濾波器、中間級放大器、第二低通濾波器； 所述控制電路包括LDO線性電源、依次相連的模數轉換器、數字隔離器、單片機、IXD液晶屏，所述LDO線性電源為單片機供電； 所述溫度傳感器與控制電路中的單片機相連。
2.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述基準電壓源包括基準電壓源晶片REF195、運算放大器0PA177。
3.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述矽納米線巨壓阻傳感陣列電阻是經熱電老化過的，是基於矽微機械加工技術和化學表面修飾工藝在SOI晶圓的頂層單晶矽上製備而成的。
4.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述前置放大端和中間級放大器均由ADA4528-1晶片構成。
5.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述模數轉換器採用24位AD7190晶片。
6.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述數字隔離器採用型號為ADUM5401的集成DC/DC隔離電源的磁耦式數字隔離器，內置穩壓電源隔離器、信號隔離器模塊。
7.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述單片機採用STM32F103ZET6微處理器晶片。
8.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述直流電源提供+12V電壓。
9.根據權利要求1所述的抑制矽納米線巨壓阻傳感器靈敏度熱漂移和噪聲的裝置，其特徵在於，所述溫度傳感器採用型號為DS18B20的數字式溫度傳感器。
【文檔編號】G01L19/04GK203824695SQ201420137268
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】張加宏, 姚佳慧, 葛益嫻, 冒曉莉, 顧芳, 吳雨生 申請人:南京信息工程大學