一种硅电容多参量差压传感器及静压影响补偿方法

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。

主权项

一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：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；差压敏感单元(1a)的结构，中心硅极板(1a‑1)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(1a‑8)，玻璃固定极板(1a‑2)由双抛玻璃制作，先在玻璃上加工出导压孔(1a‑7)再采用溅射、光刻工艺在表面形成电极层(1a‑6)，同时在导压孔(1a‑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(1a‑3)和玻璃固定极板(1a‑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(1a‑1)与玻璃固定极板(1a‑2)、玻璃底板(1a‑3)与导压管(1a‑4)采用静电封接工艺连接在一起，玻璃固定极板(1a‑2)与玻璃底板(1a‑3)之间采用导电胶相连，导压管(1a‑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(1a‑9)和烧结端子(6)之间形成硅铝丝连线(1a‑10)做为电容电极引出，最后将差压敏感单元(1a)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；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(1a)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(1a)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、Xt信息，其中Xd只与差压Pd有关、Xs只与Ps有关、Xt只与T有关；所述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i＝0，1，2，3，4，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，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；所述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，按照下述表达式(12)找到J，满足Dd(I，J)≤Dd＜Dd(I，J+1)或Dd(I，J)≥Dd＞Dd(I，J+1)时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。