使用單個感測管芯和多個信號通道的多範圍壓力傳感器設備和方法
2023-05-12 02:40:46 1
專利名稱：使用單個感測管芯和多個信號通道的多範圍壓力傳感器設備和方法
技術領域：
實施例大體涉及傳感器裝置、方法和系統。實施例還涉及能夠在變化條件下探測 各種參數的多範圍壓力傳感器裝置。
背景技術：
在多種商業、工業、軍事和其它應用中對能夠進行寬範圍測量的準確、低成本、緊 湊型的壓力傳感器的需求變得日益必要。因為可以實現的巨大範圍的壓力，對於寬範圍壓 力的測量特別具有挑戰性。傳統的壓力傳感器具有極其有限的壓力測量能力範圍並且由於 它們的技術設計通常不能在它們的最大可能測量範圍上操作。此外，當預期的力超過單獨 的壓力傳感器的容量(capacity)時，具有彼此鄰接的測量範圍的多個壓力傳感器必須同 時使用。 另外，多個傳感器的布置相應更加複雜。這些傳感器的輸出信號彼此之間通常不 兼容並且因此必須在附加的外部電子電路中進行評估以便識別在給定的時刻這些傳感器 中的哪一個在允許的測量範圍內運行。在這種方法中，需要過多的時間和金錢花費來將多 個傳感器合併在單個系統中。此外，兩個或者更多個獨立的壓力傳感器的這種使用需要保 護閥來避免在高壓力下對於更為準確的傳感器的損害。 基於前述，相信存在對於改進的多範圍壓力傳感器設備的需要，該設備能夠以高 精度並且在很窄的範圍內有效地探測寬範圍的壓力，正如於此更加詳細描述的。
發明內容
提供下面的概要以促進理解公開的實施例特有的一些創造性技術特徵，並不打算 是全面描述。實施例的各個方面的全面理解可以通過將整個說明書、權利要求書、附圖、以 及摘要作為一個整體來得到。 因此，本發明的一個方面是提供一種改進的壓力傳感器設備、系統以及方法。 本發明的另一個方面是提供一種改進的壓力傳感器設備、系統以及方法，其結合
了使用單個感測管芯(die)和多個信號通道以便以高精度探測寬範圍的壓力。 本發明的又一個方面是提供一種改進的方法、設備以及系統來移除由於放大器增
益和偏移導致的誤差。 上面提到的方面和其它目的以及優點現在能夠如這裡描述的那樣來實現。公開了用於以高精度探測寬範圍壓力的具有多個信號通道的多範圍壓力傳感器設備、方法、以及 系統。壓力換能器可以配置為包括具有壓阻元件的壓力感測管芯，其中所述壓阻元件以惠 斯登橋配置集成到傳感器管芯中。來自感測管芯的感測輸出信號可以被傳送到一個或者多 個放大器電路。可編程補償集成電路能夠用來多路復用來自每一個放大器電路的不同的放 大輸出信號並且提供數字輸出。與可編程補償集成電路相關的存儲器可以配置為提供關於 每一個不同的信號通道存儲的單獨的補償並且能夠移除由於放大器增益和偏移導致的誤 差。 來自放大器電路的多個信號通道(其中為每一通道存儲潛在不同的補償值)能夠 在低系統成本下產生高精度的補償。該多個信號通道的每一個通道擁有能夠在壓力傳感器 中提供多個補償範圍的不同的增益。在一個實施例中，壓力傳感器的放大器電路能夠與感 測管芯一體化和/或與可編程補償電路一體化。在另一個實施例中，放大器電路可以被隔 離來提供沒有由於放大器增益和偏移而產生的誤差的輸出。這種多範圍壓力傳感器設備提 供寬測量範圍以及在非常窄的範圍中的高精度。
在附圖中，相同的參考數字在不同的視圖中指代相同的或者功能相似的元件，並 且附圖被合併在說明書中並且形成說明書的一部分，附圖進一步圖解說明實施例，並且和 詳細描述一起用於解釋這裡公開的實施例。 附圖1示出了能夠根據優選的實施例實現的具有多個信號通道的多範圍壓力傳 感器設備的框圖； 附圖2示出了根據優選實施例的具有多個信號通道的多範圍壓力傳感器設備的 示意圖；和 附圖3示出了用於說明使用能夠根據可選實施例實現的具有單個感測管芯和多 個信號通道的多範圍壓力傳感器設備來以高精度感測寬範圍壓力的方法的邏輯操作步驟 的操作流程圖。
具體實施例方式
在這些非限制性例子中討論的特定值和配置能夠變化並且僅僅被引用來說明至 少一個實施例，並且不打算限制其範圍。 附圖1示出了能夠依據優選實施例實現的具有多個信號通道的多範圍壓力傳感 器設備100的框圖。壓力傳感器設備100通常包括壓力換能器110，放大器電路130和可編 程補償電路140。注意可編程補償電路140能夠以集成電路的方式實現。壓力換能器IIO， 放大器電路130和可編程補償電路140能夠彼此電通信。壓力換能器110通常合併具有壓 力感測膜114的單個感測管芯115。 傳感器管芯115也可以配置為合併惠斯登橋電路配置，簡稱為"惠斯登橋"。諸如 壓敏電阻器112的一個或者多個壓敏電阻器(例如4個壓敏電阻器)能夠在最大化傳感器 的惠斯登橋(未示出)的輸出的位置處嵌入到膜114中。膜114能夠根據由介質施加的壓 力Pl而變形。該變形能夠通過摻雜在膜114的表面上的壓阻元件112測量。
壓阻元件112能夠利用公知的壓阻原理把膜114的變形轉換成電信號以便計算介質中的壓力。如圖1所示，將壓力施加到感測管芯115，如箭頭P1所示。來自於壓力換能器 110的感測輸出信號120可以被饋送到包括若干放大器Al-An的放大器電路130。該放大 器電路130把毫伏級的低電平輸出120放大到大約1伏到最高5伏範圍中的高電平放大輸 出。來自放大器電路130的多個信號通道(例如信號通道133和135)然後能夠被傳送到 與存儲器150相關的可編程補償電路140。該可編程補償電路140擁有多路復用放大的輸 出信號133和135並提供數字輸出160的能力。多個信號通道133和135(每一個通道具 有不同的增益)允許在單個換能器110中的多個補償範圍。 這種設備100能夠暴露於大的過壓而不被損害。而且，設備100能夠暴露於大的 過壓而不會遭受明顯的壓力遲滯現象。換句話說，使設備100經受遠遠大於換能器110的 工作範圍的壓力的壓力並不會不利地影響該換能器110在隨後的測量時在其工作範圍內 的精度。 附圖2示出了依據優選實施例的具有多個信號通道的多範圍壓力傳感器設備100 的示意圖。注意，在附圖l-3中，相同的、相似的零件、或者元件由相同的參考數字來指代。 壓電式壓力感測網絡210能夠形成為壓力感測管芯115的一體化部分以感測膜114的撓 曲，並且響應於此生成電信號。壓電網絡210包括壓敏電阻器R1， R2， R3和R4。可以提供 電連接來將壓敏電阻器R1，R2，R3和R4連接到相關聯的傳感器電路的電路連接站點。可以 在管芯115中嵌入導電引線從而以完全的惠斯登橋配置來連接Rl， R2， R3和R4。
電阻器Rl和R3形成惠斯登橋210的一個臂而可變電阻器R4和固定電阻器R2構 成橋電路210的另一個臂。在附圖2的電路配置中，當壓敏電阻器Rl， R2， R3和R4具有相 似的電阻時存在最大壓力敏感度，每個電阻隨著它們暴露於的應變幅度而變化。電阻器R1， R2， R3和R4可以根據公知的金屬化技術由任一具有適當的薄膜電阻特性和適當的沉積特 性的材料來形成。優選的是，電阻器Rl， R2， R3和R4由鎳或者鉑形成。對本領域的技術人 員來說顯而易見的附加的工藝或者處理可以應用到壓力感測管芯115的表面來提高關於 介質兼容性和潛在的離子汙染的穩健性。 來自惠斯登橋210的電信號能夠傳送到放大器233和235以及可編程補償電路 140。能夠從由放大器233和235生成的多個信號通道133和135以及直接信號通道137 獲得差分增益。非常明顯的是，儘管示出了兩個放大器233和235，當要測量更大的總範圍 壓力的時候可以增加用於測量更寬的工作壓力範圍的附加放大器，每一個增加的放大器同 樣提供放大的輸出信號，該放大的輸出信號作為輸入供給到可編程集成電路140。
可編程補償電路140是通用的集成電路晶片，其內部電路可以由單獨用戶配置以 實現用戶特定的電路。例如，為了配置可編程補償電路140，用戶配置可編程IC 140的芯 片上互連結構，使得選定的晶片上電路組件的選定輸入端(例如VBN、EXTTEMP、VDD_1、VBP、 BSINK)和選定輸出端(例如VGATE、VDD、SIG_PD_DIAG、SIG_PD、VSSA、VSS)以所得電路是用 戶期望的用戶特定電路的這樣的方式而電連接在一起。可編程補償電路140接收信號133 和135和直接信號137來為每一個不同信號通道生成單獨的補償。對於每一個信號通道這 種補償值可以被存儲在存儲器150中，這允許以低系統成本實現高精度補償。傳感器設備 100包括獨立的存儲器IC或者存儲器與可編程補償電路140 —體化，可編程補償電路140 為每一個不同的信號通道提供單獨的補償。這種方法移除了由於放大器增益和偏移導致的 誤差。
6
圖3示出了用於圖解說明使用能夠根據可選實施例實現的具有單個感測管芯和 多個信號通道的多範圍壓力傳感器設備100來以高精度感測寬範圍壓力的方法300的邏輯 操作步驟的操作流程圖。壓力換能器110的單個感測管芯115能夠連接到包括一個或者多 個放大器233和235的放大器電路130，如在塊310所示。其後，如塊320所示，來自於壓力 換能器110的感測輸出信號能夠傳送到放大器電路130。具有來自放大器電路130的不同 增益的多個信號通道133和135然後能夠傳送到可編程補償電路140，如塊330所示。不同 的輸入信號133和135能夠使用可編程補償電路140多路復用以提供數字輸出160，可以為 該數字輸出160提供補償值，如塊340所示。 用於每個不同的信號通道133和135的補償值可以存儲在集成到可編程集成電路 140的存儲器150中，以允許高精度補償，如塊350所示。多範圍壓力傳感器設備100利用 高壓力補償探測寬範圍壓力，如塊360所示。感測管芯115的多個信號通道(其中為每個 通道存儲了潛在不同的補償值)能夠以低系統成本生成高精度補償。多個信號通道的每一 通道擁有不同的增益，其能夠在壓力傳感器中提供多個補償範圍。壓力傳感器110的放大 器電路140能夠與感測管芯115 —體化，與可編程補償電路140 —體化，或者被隔離以提供 沒有由於放大器增益和偏移生成的誤差的輸出。 可以理解的是，上面公開的變化以及其它特徵和功能或者其可選方案可以按照意 願組合到許多其它不同的系統或者應用中。而且其各種目前未預見的或者未料想到的可選 方案、修改、變化或改進隨後可以由本領域技術人員作出，這些未預見的或者未料想到的可 選方案、修改、變化或改進也預期被包含在下面的權利要求書中。
權利要求
一種多範圍壓力傳感器設備(100)，包括壓力換能器(110)，所述壓力換能器(110)包括感測管芯(115)，所述感測管芯(115)具有以橋配置定位的多個壓阻元件(112)，用以將壓力轉換為電輸出信號；至少兩個放大器(233，235)，該至少兩個放大器(233，235)中的每一個都具有輸入和輸出，其中該至少兩個放大器中的每一個的輸入都電耦合到所述壓力換能器(110)的電輸出信號(120)，並且該至少兩個放大器(233，235)中的每一個具有與該至少兩個放大器(233，235)中的另一個不同的增益；以及耦合到該至少兩個放大器(233，235)的輸出的可編程補償電路(140)，其中所述可編程補償電路(140)能夠在該至少兩個放大器(233，235)的輸出之間進行選擇以生成對應於所選擇的放大器輸出的數字輸出(160)。
2. 如權利要求l所述的設備，其中可編程補償電路(140)包括存儲用於該至少兩個放大器(233,235)中的每一個的單獨的補償的存儲器(150)。
3. 如權利要求2所述的設備，其中所述存儲器(150)與所述可編程補償電路(140) —體化。
4. 如權利要求l所述的設備，其中所述可編程補償電路(140)能夠在該至少兩個放大器(233,235)的輸出之間進行選擇，應用對應於所選擇的放大器輸出的補償，並且生成對應於所選擇的放大器輸出的數字輸出(160)。
5. 如權利要求l所述的設備，其中所述可編程補償電路(140)包括用於在該至少兩個放大器(233,235)的輸出之間進行選擇的多路復用器。
6. —種多範圍壓力感測方法，所述方法包括感測流體壓力；將該流體壓力轉換成電輸出信號(120);用具有第一增益的第一放大器(233)放大該電輸出信號(120)以生成第一放大器輸出信號(133);用具有第二增益的第二放大器(235)放大該電輸出信號(120)以生成第二放大器輸出信號(135)，其中所述第二增益不同於所述第一增益；選擇所述第一放大器輸出信號(133)或者第二放大器輸出信號(135)之一，得到選擇的放大器輸出信號；將補償參數應用到所述選擇的放大器輸出信號，其中所應用的補償參數取決於選擇的是所述第一放大器輸出信號(133)還是第二放大器輸出信號(135);以及輸出補償的輸出信號(160)。
7. 如權利要求6所述的方法，包括選擇第一放大器輸出信號(133)，應用對應於第一放大器輸出信號(133)的補償參數，並且輸出第一補償的輸出信號(160);以及然後選擇第二放大器輸出信號(135)，應用對應於第二放大器輸出信號(135)的補償參數，並且輸出第二補償的輸出信號(160)。
8. 如權利要求6所述的方法，其中選擇步驟在流體壓力低於第一閾值時選擇第一放大器輸出信號(133)。
9. 如權利要求8所述的方法，其中選擇步驟在流體壓力高於第一閾值時選擇第二放大器輸出信號(135)。
10. 如權利要求6所述的方法，其中所述應用步驟是使用可編程補償裝置(140)來執行的。
11. 如權利要求6所述的方法，其中所述選擇步驟是使用多路復用器來執行的。
全文摘要
本發明涉及使用單個感測管芯和多個信號通道的多範圍壓力傳感器設備和方法。一種提供多個信號通道來以高精度探測寬範圍壓力的多範圍壓力傳感器設備和方法。壓力換能器可以配置為包括使用具有壓阻元件的壓力感測管芯，所述壓阻元件集成到傳感器管芯中並且處於惠斯登橋配置。來自感測管芯的感測輸出信號能夠傳送到一個或者多個放大器電路。可編程補償電路能夠用來多路復用來自每一個放大器電路的不同的放大輸出信號並且提供數字輸出。與可編程補償電路相關的存儲器提供單獨的補償，這些補償對於每一個不同的信號通道而存儲，並且移除由於放大器增益和偏移帶來的誤差。
文檔編號G01L1/18GK101788350SQ20091100015
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月18日 優先權日2008年12月19日
發明者I·本特利 申請人:霍尼韋爾國際公司