本發(fā)明涉及一種濺射薄膜溫度壓力復(fù)合傳感器及其制作方法,尤其適用于低成本、低功耗,高可靠性,高穩(wěn)定性,長(zhǎng)壽命的要求下實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量氣體、液體溫度和壓力的場(chǎng)合,或需要在原來只有壓力測(cè)量功能的測(cè)量點(diǎn)增加溫度測(cè)量功能的情況。對(duì)于復(fù)雜智能傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建,以及某些工業(yè)環(huán)境、軍事裝備、航空航天航海等領(lǐng)域,在升級(jí)或改變?cè)瓉碓O(shè)備、系統(tǒng)存在困難,同時(shí)又不能改變壓力測(cè)量接口情況下的使用具有非常實(shí)際的意義。
背景技術(shù):
壓力、溫度傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、軍事裝備、航空航天航海等各個(gè)領(lǐng)域中?,F(xiàn)有的單獨(dú)具有溫度和壓力測(cè)量功能的傳感器無論技術(shù)還是產(chǎn)品均十分成熟,壓力測(cè)量多采用應(yīng)變效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)等,通過電阻、電容、電感變化測(cè)量壓力,也有部分高端產(chǎn)品利用諧振技術(shù)、激光和光柵等新型技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。溫度測(cè)量較常用的有鉑電阻、熱電偶、二極管等測(cè)溫元件及越來越普遍的紅外測(cè)溫方式。當(dāng)前許多領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)智能化、云計(jì)算等新技術(shù)的需求越來越大,一方面許多壓力測(cè)量環(huán)境在原來的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量精準(zhǔn)度的要求越來越高,溫度對(duì)壓力測(cè)量結(jié)果的影響越來越不可忽略,另一方面智能化、云計(jì)算本身就需要溫度、壓力等各類參數(shù)的測(cè)量。目前,現(xiàn)有的產(chǎn)品和技術(shù)從單一測(cè)量角度來看,基本可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于同時(shí)測(cè)量某一個(gè)點(diǎn)壓力和溫度的測(cè)量需求,在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過增加管路分支的方式分別安裝溫度傳感器和壓力傳感器。而對(duì)于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境、軍事裝備、航空航天航海等領(lǐng)域,或某些已有的但壓力測(cè)量點(diǎn)十分龐大的場(chǎng)合,原來的設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需要或沒有考慮溫度測(cè)量功能,現(xiàn)在需要增加溫度測(cè)量功能時(shí),最簡(jiǎn)易的方式是通過增加管路分支安裝溫度傳感器,但此方案帶來的可靠性影響或者空間布局的限制可能是極具挑戰(zhàn)的,甚至是無法接受或?qū)崿F(xiàn)的。溫度壓力復(fù)合傳感器的出現(xiàn)一方面在一定程度上提供了此類問題的一種解決方案,另一方面也提供了一種新的同時(shí)測(cè)量溫度壓力的方案。但市場(chǎng)上現(xiàn)有的溫度壓力復(fù)合傳感器大多數(shù)僅僅是簡(jiǎn)單機(jī)械的將溫度壓力傳感器拼湊在一起,比如有的只是在壓力傳感器中增加了一個(gè)數(shù)字溫度傳感器,只能提供精度十分粗糙的溫度測(cè)量功能;有的雖然采用了鉑電阻或熱電偶等性能優(yōu)良的測(cè)溫器件,但器件采用貼在壓力測(cè)量敏感元件上,器件直接與壓力測(cè)量敏感元件的接觸面積很小,測(cè)量值與介質(zhì)實(shí)際溫度差距較大;有的雖然在傳感器內(nèi)部留孔將溫度探頭直接插入介質(zhì)獲得了理想的溫度測(cè)量值,但此類傳感器封裝困難,通常存在系統(tǒng)泄露風(fēng)險(xiǎn)且體積較大,價(jià)格較高的缺點(diǎn);另外,在一些軍工等特殊應(yīng)用場(chǎng)合,也有使用濺射薄膜工藝在敏感元件上分別濺射用于壓力測(cè)量的合金薄膜和用于溫度測(cè)量的熱敏薄膜的方式,但這種實(shí)現(xiàn)方式的原理與在敏感元件上粘貼鉑電阻等熱敏感元件的原理相似,且因?yàn)樾枰啻螢R射、光刻,不僅一致性、成品率會(huì)受到影響,而且造價(jià)也很高昂。此外,以上這類溫度壓力復(fù)合傳感器的信號(hào)處理和信號(hào)輸出涇渭分明,基本相當(dāng)于兩套信號(hào)處理系統(tǒng),不僅其成本與售價(jià)沒有太大優(yōu)勢(shì),而且如果希望通過獲得的溫度測(cè)量值來修正壓力測(cè)量值通常需要引入嵌入式系統(tǒng)、上位機(jī)等才能實(shí)現(xiàn)。除此之外的一些溫度壓力復(fù)合測(cè)量方式(如激光光纖測(cè)量壓力溫度的方式)因?yàn)樯腥狈ψ銐虻尿?yàn)證,且造價(jià)不菲,一般只用于極其特殊的測(cè)量場(chǎng)合。相較而言,使用濺射薄膜工藝制造的傳感器(主要是壓力傳感器和測(cè)力傳感器)的應(yīng)用已有幾十年,在航空航天、航海及各類復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中都得到了充足的驗(yàn)證,十分成熟,其優(yōu)異的穩(wěn)定性、可靠性、精度、溫度性能及批量制造的特性一直使其獨(dú)樹一幟。而使用濺射薄膜工藝制造的溫度壓力復(fù)合傳感器因?yàn)闇囟葴y(cè)量方式與原來的壓力、力測(cè)量方式一致,因此不僅完全繼承了濺射薄膜傳感器的優(yōu)勢(shì),充分發(fā)揮了濺射薄膜工藝的特點(diǎn),而且在信號(hào)處理方面,使用獲取的溫度測(cè)量值修正壓力測(cè)量值也十分容易。對(duì)于解決前文所述的各種問題提供了一種新的、成熟的、更具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。對(duì)于高性價(jià)比的解決擁有龐大溫度壓力復(fù)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量場(chǎng)合和需要在不改變?cè)到y(tǒng)接口的情況下增加溫度測(cè)量功能的場(chǎng)合均具有十分重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的在于提供一種濺射薄膜溫度壓力復(fù)合傳感器,用于低成本、低功耗,高可靠性,高穩(wěn)定性,長(zhǎng)壽命的解決氣體、液體介質(zhì)的溫度、壓力測(cè)量問題。引入溫度測(cè)量的同時(shí)也可以降低溫度對(duì)壓力測(cè)量的影響,實(shí)現(xiàn)壓力的高精度測(cè)量。可為擁有龐大溫度壓力復(fù)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量場(chǎng)合和需要在不改變?cè)到y(tǒng)接口的情況下增加溫度測(cè)量功能的場(chǎng)合提供一種更好的解決方案。
本發(fā)明的濺射薄膜溫度壓力復(fù)合傳感器包括接嘴、敏感元件、銅柱、補(bǔ)償板、金引線、套筒、信號(hào)處理電路板、外殼、導(dǎo)線、緊固螺釘、航空插座和插座底座,所述敏感元件上除了通過濺射薄膜工藝加工有四個(gè)用于壓力測(cè)量的薄膜電阻,同時(shí)還在壓力測(cè)量薄膜電阻的外圓周極小形變區(qū)加工有兩個(gè)用于溫度測(cè)量的薄膜電阻。四個(gè)壓力測(cè)量薄膜電阻通過金引線與補(bǔ)償板進(jìn)行轉(zhuǎn)接并組橋,兩個(gè)溫度測(cè)量薄膜電阻引出四根金引線通過補(bǔ)償板一對(duì)一轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線,并接到信號(hào)處理電路板上,并在信號(hào)調(diào)理電路板上完成組橋和補(bǔ)償。
優(yōu)選所述外殼設(shè)計(jì)除有片狀散熱結(jié)構(gòu)外,還在外殼靠近接嘴焊接處留有微孔。
優(yōu)選在外殼散熱結(jié)構(gòu)中央穿線孔內(nèi)及接近信號(hào)調(diào)理電路板的位置填充有密封隔熱膠,用于敏感元件所在腔體與信號(hào)調(diào)理電路板所在腔體間的隔熱和密封。
優(yōu)選信號(hào)調(diào)理電路板上的用于溫度測(cè)量電橋的組橋電阻為溫漂低于5ppm的電阻。
優(yōu)選當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí),在信號(hào)處理電路上用鉑電阻或鉑電阻絲對(duì)溫度測(cè)量電橋進(jìn)行補(bǔ)償。
優(yōu)選所測(cè)溫度值除直接輸出外,還用于修正由溫度引起的壓力測(cè)量誤差。
優(yōu)選當(dāng)測(cè)量壓力值較低時(shí),可利用外殼微孔平衡腔體內(nèi)外壓力或抽真空后再進(jìn)行封堵。
優(yōu)選通過信號(hào)調(diào)理電路的處理,傳感器采用兩線制數(shù)字信號(hào)輸出或三線制模擬電流信號(hào)輸出或四線制電壓模擬信號(hào)輸出。
本發(fā)明的用于權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的溫度壓力復(fù)合傳感器的制作方法,其特征在于,包括:步驟一、制作敏感元件,通過現(xiàn)有的濺射薄膜壓力傳感器生產(chǎn)線生產(chǎn),在敏感元件的大形變區(qū)域加工四個(gè)用于壓力測(cè)量的薄膜電阻,并在壓力測(cè)量薄膜電阻的外圓周極小形變區(qū)加工兩個(gè)用于溫度測(cè)量的薄膜電阻;步驟二、將敏感元件與接嘴用激光焊機(jī)或電子束焊機(jī)焊在一起;步驟三、安裝補(bǔ)償板,使用熱壓金絲球焊機(jī)焊接金引線,完成傳感器壓力測(cè)量部分的補(bǔ)償和組橋,焊接補(bǔ)償板上的引出導(dǎo)線;步驟四、將引出導(dǎo)線穿過外殼引線孔與信號(hào)處理電路板連接,再將信號(hào)處理電路板上的引出導(dǎo)線穿過插座底座的座孔并與航空插座焊接;步驟五、填充密封隔熱膠和抽取真空,封堵外殼上的微孔;步驟六、對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)試及補(bǔ)償;步驟七、焊接接嘴與外殼,并焊接外殼與插座底座,安裝固定航空插座;步驟八、進(jìn)行出廠調(diào)試、檢驗(yàn)工作。
本發(fā)明涉及的濺射薄膜溫度壓力復(fù)合傳感器的有益效果是:本發(fā)明提供的①可低成本、低功耗,高可靠性,高穩(wěn)定性,長(zhǎng)壽命的實(shí)現(xiàn)單一測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量氣體、液體介質(zhì)溫度與壓力數(shù)據(jù),②在要求不改變?cè)邢到y(tǒng)管線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在原有壓力測(cè)點(diǎn)增加溫度測(cè)量功能等測(cè)量監(jiān)測(cè)難題,所采用的技術(shù)方案有如下優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)。
第一,本發(fā)明主要的特點(diǎn)有如下三點(diǎn):①溫度測(cè)量原理是先通過在壓力敏感元件上的極小形變區(qū)域處利用濺射薄膜工藝制作薄膜電阻,再與冷端的低溫漂電阻(安裝在信號(hào)調(diào)理電路板上)組成惠斯登電橋,當(dāng)溫度變化時(shí),由于敏感元件與薄膜電阻材料的熱膨脹系數(shù)不同,引發(fā)薄膜電阻發(fā)生形變,阻值改變,導(dǎo)致惠斯登電橋失衡,從而實(shí)現(xiàn)溫度到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換,因壓力測(cè)量同樣采用惠斯登電橋原理,因此只需對(duì)原來的濺射薄膜壓力傳感器壓力調(diào)理電路進(jìn)行簡(jiǎn)單改變即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量信號(hào)的調(diào)理和輸出,并且只需要在原來壓力測(cè)量輸出的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)溫度測(cè)量端即可,如采用電流環(huán)輸出方式,復(fù)合傳感器可實(shí)現(xiàn)三線制,而采用三線電流或電壓方式,則可實(shí)現(xiàn)四線制輸出。②溫度、壓力敏感元件采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可采用不銹鋼、鋁合金及鈦合金制造,與濺射薄膜工藝制造壓力傳感器的過程完全同步,不僅其可靠性、壽命與濺射薄膜壓力傳感器同樣優(yōu)秀,而且完全繼承了濺射薄膜壓力傳感器易于大批量生產(chǎn)的工藝特點(diǎn);③冷端溫度補(bǔ)償可通過以下兩種方式:其一,對(duì)于生產(chǎn)規(guī)模較小時(shí),通過在冷端使用少量鉑電阻絲進(jìn)行補(bǔ)償可提高溫度測(cè)量精度,因不銹鋼等材料熱膨脹系數(shù)隨溫度變化為非線性,因此通過信號(hào)處理電路進(jìn)行線性補(bǔ)償可降低線性誤差;其二,對(duì)于產(chǎn)量較大時(shí),選購或定制集成有溫度測(cè)量功能的專用信號(hào)調(diào)理芯片進(jìn)行溫度、壓力信號(hào)處理,可在較小的信號(hào)處理電路板上解決溫度補(bǔ)償、零位補(bǔ)償、信號(hào)放大,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出等問題,且更適合大批量生產(chǎn)。
第二,整個(gè)傳感器所采用的所有加工制造方法成熟容易,敏感元件加工制造使用的濺射薄膜工藝本身十分適合機(jī)器化、流水線形式的批量生產(chǎn)。其余零件都可以通過傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝、印刷電路板工藝及集成電路焊接裝配工藝等大量生產(chǎn),相對(duì)的瓶頸是人工焊接、裝配、調(diào)試和檢驗(yàn),通過濺射薄膜壓力傳感器生產(chǎn)線已經(jīng)廣泛使用的電動(dòng)工具、特制工裝、焊接設(shè)備可解決人工焊接、裝配的問題,而敏感元件的零點(diǎn)與靈敏度的個(gè)體差異性,可通過采用數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路或定制專用信號(hào)處理芯片,再借助批量調(diào)試設(shè)備和檢驗(yàn)設(shè)備來解決。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
示意圖中零部件的標(biāo)號(hào)說明:1接嘴、2敏感元件、3銅柱、4補(bǔ)償板、5金引線、6套筒、7信號(hào)處理電路板、8外殼、9導(dǎo)線、10緊固螺釘、11航空插座、12插座底座。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明提供的可低成本、低功耗,高可靠性,高穩(wěn)定性,長(zhǎng)壽命的解決單一測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量氣體、液體介質(zhì)溫度、壓力數(shù)據(jù)或在要求不改變?cè)邢到y(tǒng)管線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在原有壓力測(cè)點(diǎn)增加溫度測(cè)量功能等測(cè)量監(jiān)測(cè)難題所采用的技術(shù)方案的優(yōu)選方式做進(jìn)一步說明:
如圖1所示,本發(fā)明的濺射薄膜溫度壓力復(fù)合傳感器,包括接嘴1、敏感元件2、銅柱3、補(bǔ)償板4、金引線5、套筒6、信號(hào)處理電路板7、外殼8、導(dǎo)線9、緊固螺釘10、航空插座11和插座底座12。敏感元件2是在通常使用的壓力敏感元件外圓周上的極小形變區(qū)域處利用濺射薄膜工藝制作薄膜電阻而形成的,再與冷端的安裝在信號(hào)調(diào)理電路板7上的低溫漂電阻組成惠斯登電橋,當(dāng)溫度變化時(shí),由于敏感元件與薄膜電阻材料的熱膨脹系數(shù)不同,引發(fā)薄膜電阻發(fā)生形變,阻值改變,導(dǎo)致惠斯登電橋失衡,從而實(shí)現(xiàn)溫度到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換,因壓力測(cè)量同樣采用惠斯登電橋原理,因此只需對(duì)原來的濺射薄膜壓力傳感器壓力調(diào)理電路進(jìn)行簡(jiǎn)單改變即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量信號(hào)的調(diào)理和輸出,并且只需要在原來壓力測(cè)量輸出的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)溫度測(cè)量端即可,敏感元件2能夠通過現(xiàn)在大量運(yùn)行的濺射薄膜壓力傳感器生產(chǎn)線生產(chǎn),只需要在光刻工序使用專用的光刻板,光刻參數(shù)和光刻次數(shù)及其他關(guān)聯(lián)工序不需要改變。引線焊接工序增加四個(gè)焊點(diǎn)(溫度測(cè)量薄膜電阻的四個(gè)端子)。接嘴1、外殼8可采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝制造,外殼根據(jù)需要可在下端側(cè)壁開微孔。補(bǔ)償板4、信號(hào)處理電路需要重新設(shè)計(jì),并采用印刷電路板加工工藝批量制造,信號(hào)處理電路板7上元器件的焊接裝配可使用現(xiàn)有成熟工藝。金引線5、緊固螺釘10、航空插座11、導(dǎo)線9、套筒6等可直接在市場(chǎng)采購。
敏感元件2上不僅有使用濺射薄膜工藝加工的四個(gè)用于壓力測(cè)量的薄膜電阻(圖示區(qū)域a),還在敏感元件的外圓周上加工了兩個(gè)用于溫度測(cè)量的薄膜電阻(圖示區(qū)域b),從兩個(gè)用于溫度測(cè)量的薄膜電阻引出四根金引線,通過補(bǔ)償板一對(duì)一轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線,并接到信號(hào)處理電路板上,并在信號(hào)調(diào)理電路板上完成組橋和補(bǔ)償;同時(shí)在外殼散熱結(jié)構(gòu)中央穿線孔內(nèi)以及接近信號(hào)調(diào)理電路板7的位置(圖示區(qū)域c)填充有密封隔熱膠,阻止敏感元件所在腔體與信號(hào)調(diào)理電路板所在腔體的熱對(duì)流和保持密封,測(cè)量壓力值較低時(shí),利用外殼下端位置微孔平衡腔體內(nèi)外壓力或抽真空方后封堵微孔。
人工焊接裝配大體可分為以下工序:第一步,首先需要將敏感元件2與接嘴1用激光焊機(jī)或電子束焊機(jī)焊在一起;第二步,安裝補(bǔ)償板4并使用熱壓金絲球焊機(jī)焊接金引線5并完成壓力傳感器的補(bǔ)償和組橋,焊接補(bǔ)償板4上的引出導(dǎo)線;第三步,將引出導(dǎo)線穿過外殼8引線孔與信號(hào)處理電路板7連接,再將信號(hào)處理電路板7上的引出導(dǎo)線穿過插座底座12的座孔并與航空插座11焊接;第四步,填充密封隔熱膠和抽取真空,封堵外殼8上的微孔;第五步,對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)試及補(bǔ)償;第六步,焊接接嘴1與外殼8以及外殼8與插座底座12,安裝固定航空插座11;第七步,進(jìn)行出廠檢驗(yàn)。通常情況,調(diào)試、補(bǔ)償工作因?yàn)槊舾性膫€(gè)體差異性是傳感器整個(gè)大批量生產(chǎn)流程的瓶頸,一般可采用數(shù)字電路或定制專用信號(hào)處理芯片的方式彌補(bǔ)。專用信號(hào)處理芯片的定制需要達(dá)到百萬級(jí)甚至更高的數(shù)量才能通過均攤降低成本,因此批量較小時(shí),采用常規(guī)芯片搭建數(shù)字信號(hào)處理電路配合調(diào)試平臺(tái)的方式可能更為實(shí)用。在形狀、構(gòu)造及其結(jié)構(gòu)上,本發(fā)明與現(xiàn)有的類似傳感器相同的特征有:①敏感元件與接嘴通過焊接方式連接,敏感元件的電路部分通過金引線與補(bǔ)償板進(jìn)行轉(zhuǎn)接并組橋,再從補(bǔ)償板上通過導(dǎo)線和信號(hào)處理電路連接,最終通過航空插座完成傳感器的輸入輸出,其中的銅柱、套筒、緊固螺釘用于調(diào)整和固定補(bǔ)償板與信號(hào)處理電路板;②外殼設(shè)計(jì)了片狀散熱結(jié)構(gòu),可以使得測(cè)量高低溫介質(zhì)時(shí)盡可能降低溫度對(duì)信號(hào)處理電路的影響。本發(fā)明與其他解決方案不同的特征有:①敏感元件上不僅有使用濺射薄膜工藝加工的四個(gè)用于壓力測(cè)量的薄膜電阻,還在敏感元件的外圓周上加工了兩個(gè)用于溫度測(cè)量的薄膜電阻,兩個(gè)用于溫度測(cè)量的薄膜電阻引出四根金引線通過補(bǔ)償板一對(duì)一轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線,并接到信號(hào)處理電路板上,并在信號(hào)調(diào)理電路板上完成組橋和補(bǔ)償;②在外殼散熱結(jié)構(gòu)中央穿線孔內(nèi)填充有密封隔熱膠,使敏感元件所在腔體與信號(hào)調(diào)理電路板所在腔體保持隔離,并阻止熱對(duì)流和降低熱交換,測(cè)量壓力值較低時(shí),利用外殼下端位置微孔平衡腔體內(nèi)外壓力或通過抽真空方式降低腔內(nèi)密封空氣壓力,然后封堵微孔。以上幾點(diǎn)結(jié)合起來,可使得復(fù)合傳感器在滿足低成本、低功耗、高可靠性、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命要求下實(shí)現(xiàn)測(cè)氣體、液體介質(zhì)溫度與壓力數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量,另外復(fù)合傳感器也可解決原有系統(tǒng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝操作空間不足,可靠性要求限制等問題導(dǎo)致的無法增加溫度傳感器及現(xiàn)有溫度壓力復(fù)合傳感器與原接口無法兼容等難題。其溫度測(cè)量精度可以滿足大多數(shù)監(jiān)測(cè)測(cè)量需求,壓力測(cè)量精度非常優(yōu)秀。
下面通過使用方法,更進(jìn)一步闡述本發(fā)明濺射薄膜溫度壓力復(fù)合傳感器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系:傳感器通過接嘴的螺紋與被測(cè)介質(zhì)載體(通常為管路)接口進(jìn)行連接,并使用符合測(cè)量環(huán)境要求的密封方式進(jìn)行緊固密封。電氣部分通過航空插座、相對(duì)應(yīng)的配有航空插頭的電纜與測(cè)量?jī)x表、信號(hào)采集系統(tǒng)或信號(hào)發(fā)射模塊連接。通電后,溫度傳感器與壓力傳感器開始輸出電信號(hào),當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的溫度發(fā)生改變時(shí),敏感元件的溫度隨之變化,因作為敏感元件的材料熱膨脹系數(shù)較大,薄膜電阻的熱膨脹系數(shù)很小,因此薄膜電阻發(fā)生形變,其阻值隨之改變,而冷端電阻的阻值不變,從而引發(fā)惠斯登電橋輸出電壓信號(hào)發(fā)生變化,由此可折算出溫度變化量,再加上冷端默認(rèn)的溫度值,便可算出介質(zhì)溫度。當(dāng)冷端溫度較默認(rèn)溫度波動(dòng)較大時(shí):一是可在冷端串入鉑電阻絲進(jìn)行補(bǔ)償,因?yàn)殂K電阻阻值隨溫度變化較大,可以抑制因冷端溫度波動(dòng)導(dǎo)致的惠斯登電橋輸出信號(hào)偏移;二是通過具有測(cè)溫功能的芯片獲得準(zhǔn)確的冷端溫度值去修正測(cè)出的介質(zhì)與冷端的溫度差值從而實(shí)現(xiàn)減小由于冷端溫度波動(dòng)帶來的測(cè)量誤差。壓力測(cè)量工作方法與已有的濺射薄膜壓力傳感器相同。惠斯登電橋輸出的電壓信號(hào)一般只有毫伏(mV)級(jí)別,需要通過信號(hào)處理電路進(jìn)行處理,理想的信號(hào)處理電路能進(jìn)行溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償、線性補(bǔ)償及實(shí)時(shí)的信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換。最終符合要求的信號(hào)通過航空插頭輸出到測(cè)量?jī)x表、采集系統(tǒng)或發(fā)射模塊等。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方案是在擁有濺射薄膜壓力傳感器生產(chǎn)制造能力的工廠,最好同時(shí)具有齊全的溫度試驗(yàn)和測(cè)試設(shè)備。具有壓力標(biāo)定與溫度標(biāo)定能力和資質(zhì)的廠家可以通過外部協(xié)助和技術(shù)合作獲得敏感元件2。敏感元件2可由濺射薄膜壓力傳感器生產(chǎn)廠家提供或由某些具備生產(chǎn)能力的科研機(jī)構(gòu)生產(chǎn)制造。其余構(gòu)成部分在市場(chǎng)上較易獲得,最終完成裝配、調(diào)試及檢驗(yàn)即可形成產(chǎn)品。濺射薄膜溫度壓力復(fù)合傳感器完成制造后,有時(shí)需要各級(jí)計(jì)量部門進(jìn)行檢定并提供檢定證書。產(chǎn)品最終由需求的企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)選用并根據(jù)情況進(jìn)行周期檢定。本發(fā)明對(duì)滿足智慧管網(wǎng)、工業(yè)4.0以及一些特殊工業(yè)環(huán)境、裝備、系統(tǒng)內(nèi)的氣體、液體介質(zhì)溫度和壓力的同時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量具有十分重要的意義。
溫度測(cè)量原理是先通過在壓力敏感元件上的極小形變區(qū)域(b)處利用濺射薄膜工藝制作薄膜電阻,再與冷端的低溫漂電阻(安裝在信號(hào)調(diào)理電路板(7)上)組成惠斯登電橋,當(dāng)溫度變化時(shí),由于敏感元件與薄膜電阻材料的熱膨脹系數(shù)不同,引發(fā)薄膜電阻發(fā)生形變,阻值改變,導(dǎo)致惠斯登電橋失衡,從而實(shí)現(xiàn)溫度到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。因壓力測(cè)量同樣采用惠斯登電橋原理,因此只需對(duì)原來的濺射薄膜壓力傳感器壓力調(diào)理電路進(jìn)行簡(jiǎn)單改變即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理和輸出,并且只需要在原來壓力測(cè)量輸出線制的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)溫度測(cè)量端即可,如采用電流環(huán)輸出方式,復(fù)合傳感器可實(shí)現(xiàn)三線制,而采用三線電流或電壓方式,則可實(shí)現(xiàn)四線制輸出。
敏感元件、接嘴、外殼、插座底座常用不銹鋼材質(zhì),也可選用鋁合金、鈦合金等,也可混合使用。敏感元件借鑒成熟的濺射薄膜壓力傳感器敏感元件工藝生產(chǎn)加工,但為了增加溫度測(cè)量功能,并確保壓力測(cè)量對(duì)溫度測(cè)量影響盡可能小,需要借助有限元分析方法計(jì)算壓力滿量程輸出時(shí),敏感元件濺射面的最小應(yīng)變區(qū)域,重新設(shè)計(jì)制造光刻版,增加溫度測(cè)量電阻及相應(yīng)焊盤的圖形,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合傳感器敏感元件的制造工藝與原來壓力敏感元件的制造工藝、步驟、流程完全一致。敏感元件上通過濺射薄膜工藝制作的電阻至少為6個(gè),其中位于敏感元件中央彈性應(yīng)變區(qū)域的至少4個(gè)薄膜電阻根據(jù)表面主應(yīng)變方向組成惠斯登電橋,并形成5個(gè)金焊盤(5個(gè)焊盤是因?yàn)榛菟沟请姌虻钠渲幸粋€(gè)端點(diǎn)保持?jǐn)嚅_,方便需要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償),其余位于邊緣的2個(gè)薄膜電阻相互獨(dú)立,有4個(gè)獨(dú)立的金焊盤,用于溫度測(cè)量惠斯登電橋中相對(duì)的兩個(gè)位置。以上9各金焊盤通過金引線轉(zhuǎn)接到補(bǔ)償板上,而補(bǔ)償板通過銅柱和緊固螺釘固定在接嘴上。根據(jù)需要,在補(bǔ)償板上可以對(duì)壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償,最終將從補(bǔ)償板上引出8根導(dǎo)線穿過外殼中央的穿線孔與信號(hào)處理電路板連接,其中四根線為壓力測(cè)量惠斯登電橋的輸入和輸出,另外四根為兩個(gè)相互獨(dú)立的溫度測(cè)量薄膜電阻的轉(zhuǎn)接導(dǎo)線。將外殼與接嘴進(jìn)行焊接,在中央穿線孔內(nèi)填充密封隔熱膠。因?yàn)樘畛涿芊飧魺崮z后,彈性體與密封隔熱膠之間的腔體會(huì)成為密封空間,隨著溫度變化,密封空間內(nèi)的空氣壓力會(huì)相應(yīng)變化,當(dāng)被測(cè)壓力值較低時(shí),這種變化會(huì)產(chǎn)生較大誤差,因此可根據(jù)環(huán)境惡劣程度采取在密封空間對(duì)應(yīng)的外殼體上制作一微孔,用于平衡敏感元件腔體內(nèi)外壓力或利用微孔抽真空降低腔體內(nèi)氣壓后封堵微孔。也可在填充密封隔熱膠時(shí)在穿線孔內(nèi)埋入一段空管連接膠封兩側(cè),埋入的空管在完成最終封裝前用于抽取敏感元件腔體內(nèi)空氣,降低腔內(nèi)氣壓,最后被膠封。信號(hào)處理電路板通過套筒與緊固螺釘懸空在外殼內(nèi),從補(bǔ)償板上引出的用于壓力測(cè)量的四根線直接進(jìn)行信號(hào)處理,用于溫度測(cè)量的四根線與信號(hào)處理電路板上的冷端電阻組成惠斯登電橋并進(jìn)行補(bǔ)償(包括冷端溫度補(bǔ)償和零點(diǎn)補(bǔ)償)后再進(jìn)行信號(hào)處理。冷端電阻一般優(yōu)先選用低于5ppm的電阻。冷端溫度補(bǔ)償可以采用在橋路中串入鉑電阻絲或選用具有溫度測(cè)量功能的處理芯片。在生產(chǎn)批量較小的情況,串入鉑電阻絲的方式更為合適,通過將敏感元件放入對(duì)應(yīng)介質(zhì)溫度值的恒溫箱內(nèi),將冷端放入對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度的可調(diào)溫恒溫箱內(nèi)。通過記錄溫度波動(dòng)對(duì)溫度測(cè)量惠斯登電橋的影響,可得到所需鉑電阻絲的長(zhǎng)度。如果溫度測(cè)量的精度要求不高,可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)補(bǔ)償固定長(zhǎng)度的鉑電阻絲甚至不進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。零點(diǎn)補(bǔ)償可采用錳銅絲或金屬膜電阻、晶圓電阻。溫度、壓力測(cè)量惠斯登電橋可共用穩(wěn)壓電源芯片,輸出信號(hào)通過常用的放大芯片搭建的信號(hào)處理電路進(jìn)行處理,最終實(shí)現(xiàn)三線制(電流環(huán)方式)或四線制(三線電流或電壓方式)輸出。對(duì)于生產(chǎn)批量較大的情況,可以定制專用信號(hào)處理芯片,專用芯片可以集成絕對(duì)溫度測(cè)量功能,修正環(huán)境溫度對(duì)介質(zhì)溫度測(cè)量以及介質(zhì)溫度對(duì)壓力測(cè)量的影響。專用芯片同時(shí)集成雙通道信號(hào)處理能力,可實(shí)現(xiàn)溫度、壓力信號(hào)同時(shí)獨(dú)立輸出(與前面所述搭建電路方式的輸出信號(hào)一樣)或以數(shù)字信號(hào)分時(shí)輸出(可實(shí)現(xiàn)兩線制輸出)。信號(hào)調(diào)理電路板最后通過導(dǎo)線與常用的航空插座連接,而航空插座直接固定在外殼上。
以上結(jié)構(gòu)確保了溫度壓力復(fù)合傳感器與現(xiàn)有的成熟的濺射薄膜壓力傳感器生產(chǎn)線完全兼容,單臺(tái)產(chǎn)品的成本幾乎沒有變化,且可以實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的輸出,十分容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和普及,對(duì)于替代原來只有壓力測(cè)量功能的傳感器十分容易。而且原本濺射薄膜壓力傳感器低功耗,高可靠性,高穩(wěn)定性,長(zhǎng)壽命等特征也得以完整繼承。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了完全兼容濺射薄膜壓力傳感器的使用環(huán)境,并增加了溫度測(cè)量能力。此外相較傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方式,該測(cè)溫方式既不需要額外增加接觸介質(zhì)的孔,造成原系統(tǒng)泄露風(fēng)險(xiǎn)增加,也比粘貼感溫元件獲取的溫度值更接近真實(shí)值。由于濺射薄膜工藝易于批產(chǎn)的特性,該發(fā)明十分適合大規(guī)模批量生產(chǎn)。其成本低、可靠性高,適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng),適用性好、天然滿足低功耗智能傳感器要求等諸多特點(diǎn)十分契合智慧城市、智能管網(wǎng)、工業(yè)4.0等領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯囊蟆?/p>
冷端溫度補(bǔ)償可通過以下兩種方式:其一,對(duì)于生產(chǎn)規(guī)模較小時(shí),通過在冷端使用少量鉑電阻絲進(jìn)行補(bǔ)償可提高溫度測(cè)量精度,因不銹鋼等材料熱膨脹系數(shù)隨溫度變化為非線性,因此通過信號(hào)處理電路進(jìn)行線性補(bǔ)償可降低線性誤差;其二,對(duì)于產(chǎn)量較大時(shí),選購或定制集成有溫度測(cè)量功能的專用信號(hào)調(diào)理芯片進(jìn)行溫度、壓力信號(hào)處理,可在較小的信號(hào)處理電路板上解決冷端補(bǔ)償、零位補(bǔ)償、信號(hào)放大,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出等問題。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在冷端溫度波動(dòng)不超過5℃時(shí),在試驗(yàn)箱內(nèi)控溫精度優(yōu)于0.5℃的區(qū)域內(nèi)安裝敏感元件,分別多次測(cè)量0℃、50℃、100℃的輸出值,測(cè)量綜合誤差在0℃至3℃以內(nèi);因?yàn)椴讳P鋼等材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的特性導(dǎo)致的誤差較大,所以通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行線性修正后,綜合測(cè)量誤差可達(dá)到±1℃之內(nèi)。溫度壓力復(fù)合傳感器的壓力測(cè)量性能與原來的濺射薄膜壓力傳感器一致,綜合精度可達(dá)0.1%FS,輸出受溫度影響很小。