CN101738281B - 改进型风载荷压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种改进型风载荷压力传感器包含传感器壳体、充油敏感体和信号调理电路，充油敏感体由呈凹槽的敏感体壳体、硅集成敏感芯片和密封固定于凹槽口的弹性隔离膜组成，硅集成敏感芯片背压面环周通过固支环密封固定于凹槽底，硅集成敏感芯片背压面通过背压导气管与外界气压连通，硅集成敏感芯片受压面具有惠斯通电桥，惠斯通电桥上应变电阻通过内引线和引线柱引入到信号调理电路后输出，硅集成敏感芯片非受压面设有感温传感器、加热电阻及根据感温传感器控制加热电阻的恒温控制电路，弹性隔离膜、凹槽内环面和硅集成敏感芯片受压面之间填充有硅油，本发明可以控制充油敏感体温度，消除充油微压传感器受环境温度影响而失效问题，实现风载荷的高精度测量。

Description

改进型风载荷压力传感器

技术领域

本发明涉及一种基于硅压阻式敏感原理、内装充油敏感体组成的改进型风载荷压力传感器，它是用于建筑物表面风载荷测量的薄型微压力传感器，主要应用于土木工程领域中的建筑物抗台风等恶劣环境能力试验及预警防护系统。

背景技术

风载荷是建筑结构设计必须考虑的荷载之一。随着城市化的发展，高楼大厦越来越多，对于建筑风载荷的研究越来越多。目前，用于测量风载荷对建筑的影响主要有三种方式。(1)风压测量：利用压力传感器直接测量建筑物或其模型的风压力分布。这种方法能得到局部点的平均压力和脉动压力，对结构的局部设计很有帮助(如玻璃幕墙等)，通过积分还可以求出整体平均荷载。(2)气动弹性模型试验：采用几何相似和动力相似的气动弹性模型，直接测量模型的动静态荷载和响应。但技术复杂，费用昂贵，而且当建筑物内部结构参数改变时，必须重新设计模型重新试验。(3)高频动态天平试验：这是近20年来发展起来的一种新技术，采用高固有频率、高灵敏度的高频动态天平，直接测量刚性模型的静态和动态广义荷载，然后根据结构参数，通过计算处理获得建筑物动态响应，但其问题也在于费用昂贵。

众所周知，随着MEMS技术的发展，硅压阻压力传感器成为了压力测量的主流，由于其高精度、高可靠、高频响、体积小、价格低廉而广泛被国民经济各个领域采用。但在风载荷测量的应用上它有突出的两点难关：一是由于风载荷是微小压力的测量，硅芯片的弹性膜片必然要很薄，这样它一不抗风吹雨淋，容易损环，二是硅集成敏感芯片感压面积太小，单点的测量容易和平均值产生较大误差。虽然采用充油结构可以克服这些问题，但随之而来的是充油后由于油随外界环境的热胀冷缩对硅集成敏感芯片造成的误差，对微小压力来讲是不能容忍的，国内外量产的充油芯体一般都在40kPa以上，而微低量(如5kPa以下)时，充油后产生的温度误差是多年来没有办法克服的。因此硅压阻压力传感器在行业里往往不被采用。

发明内容

为了克服以上的缺点，本发明提供一种改进型风载荷压力传感器，通过充油敏感体内部嵌入一个温度传感器、加热器以及温度控制电路，使整体处于一个不受外界影响的恒温环境下工作，则克服了充油后传感器随温度变化所产生的不能容忍的误差，从而也解决了硅压阻压力传感器在风载荷测量中的应用难题。

本发明的技术方案是这样实现：一种改进型风载荷压力传感器，包含传感器壳体、充油敏感体和信号调理电路板，该充油敏感体由呈凹槽的敏感体壳体、硅集成敏感芯片、固支环和密封固定于该凹槽口的弹性隔离膜组成，该硅集成敏感芯片背压面环周通过固支环密封固定于该凹槽底部，该硅集成敏感芯片背压面与固支环内环面之间形成的背压腔通过该凹槽底部上的背压导气管与外界气压连通，该硅集成敏感芯片受压面设有惠斯通电桥的敏感区，该惠斯通电桥上应变电阻通过内引线引出，并经该凹槽底上的引线柱经转接线引入到该信号调理电路板后输出，该硅集成敏感芯片受压面之非敏感区还设有感温传感器、加热电阻以及根据该感温传感器控制加热的恒温控制电路，该弹性隔离膜、凹槽内环面和硅集成敏感芯片之间形成的充油腔填充有压力传导介质，并且：

1)该硅集成敏感芯片为单片集成或混合集成。

2)该传感器壳体由呈扁平管状的基座和密封固定于该基座底部的底板组成，该敏感体壳体周部通过密封圈密封固定于该基座的台阶孔内，该基座内周面、敏感体壳体底面和底板之间形成内腔室，该信号调理电路板通过绝缘垫片固定于该内腔室，并由该基座侧部信号引出线输出标准电压输出信号，该背压导气管连通该内腔室，并经该基座侧部的毛细管连通外界气压。

作为本发明的进一步改进，该基座顶部环周固定有上盖板，该上盖板对应该台阶孔的部位设有多个便于引入风载荷的风雨孔，该基座顶部侧面还设有用于排泄雨水的排水孔。

作为本发明的进一步改进，该固支环为具有硅膨胀特性的Pyrex玻璃环或GG-17硼硅玻璃环，或者该固支环为与该硅集成敏感芯片具有相同热涨特性的另一个硅片，并通过硅硅键合固定于该硅集成敏感芯片。

作为本发明的进一步改进，该硅集成敏感芯片引出的压阻信号经该信号调理板进行性能补偿、差模放大、零位失调和抑制共模干扰后形成标准电压输出信号。

作为本发明的进一步改进，该传感器壳体的厚度不大于15mm，直径不大于50mm，该充油敏感体压力量程不大于5kPa。

作为本发明的进一步改进，该压力传导介质为硅油。

本发明的有益技术效果是：众所周知，当被测压力小于一定压力，如40kPa时，便不能采用充油方式来对硅集成敏感芯片进行保护，其原因就是由于压力太小，所填充的硅油受环境温度变化产生热胀冷缩使芯体产生的输出，已经大于被测压力所产生输出，甚而会破坏硅的敏感膜片。本发明采用在硅集成敏感芯片上集成了一个加热电阻、感温传感器以及一个具有负反馈的恒温控制电路，在该风载荷传感器工作时，该加热电阻对该硅集成敏感芯片、进而对该充油敏感体进行加热，由该感温传感器对温度测量并将测量信号输入到该具有负反馈的恒温控制电路中，从而使该传感器总是保持略高于环境温度的一个温度。这样使压力传导介质的硅油体积不随外界环境温度的变化而变化，保证了量程不大于5kPa的充油敏感体能够消除环境温度变化的影响，获得更准确的结果；

同时，该弹性隔离膜与该硅集成敏感芯片之间形成的腔室填充有压力传导介质，避免了该硅集成敏感芯片与测试环境直接接触，提高了传感器对测试环境的适应性，同时通过背压腔导气管及毛细管将该硅集成敏感芯片背压面与外界气压连通，实现了参考压力测量；

再有由于直接与被测量进行接触的是弹性隔离膜，而弹性隔离膜的面积可以脱离半导体硅的特性进行设计，因而可以方便的设计所需的测量面积，使测量结果脱离微观涨落的影响，更具有宏观性，对工程上更有应用价值。

由该充油敏感体组成的改进型风载荷压力传感器，采用硅集成敏感芯片作为风载荷测量的敏感元件，由于硅集成敏感芯片具有尺寸小，响应快、频带宽等特性，为建筑物风载荷测量提供了很好的测量工具。同时由于该基座尺寸小(高不超过15mm，直径小于50mm)，因此与建筑物相比，传感器外形超薄，贴在建筑物表面而不影响流体力场，固有频率高，保证了测量的准确性，真实性，同时硅集成敏感芯片具有微压量程下的高灵敏度，输出信号大，便于后端信号处理与采集，考虑到高层建筑风载荷测量属于微压测量，需要一个稳定的参考压力源，该毛细管设计便于连接到一个合适的参考压力源，提高了传感器的测量精度和稳定性。

考虑到风载荷传感器经常处在多雨水的测试环境中，在传感器的基座上既设计风雨孔又设计了排水孔，这既实现了对风雨复合载荷的有效测量，又避免测量敏感元件长期被水浸泡，延长了传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中所述充油敏感体的结构示意图；

图3为本发明中所述硅集成敏感芯片的结构示意图；

图4为本发明中所述上盖板的结构示意图。

并对照图1、图2、图3和图4作以下说明：

1——基座              31——敏感体壳体

2——上盖板            32——引线柱

3——充油敏感体        33——背压导气管

4——密封圈            34——充油腔

5——信号调理电路板    35——弹性隔离膜

6——绝缘垫片          36——内引线

7——毛细管            37——硅集成敏感芯片

8——信号引出线        38——固支环

9——底板

10——转接线           40——敏感区

11——排水孔           41——非敏感区

12——风雨孔

13——内腔室

具体实施方式

结合图1、图2、图3和图4，以下作进一步描述：

一种改进型风载荷压力传感器，包含传感器壳体、充油敏感体3和信号调理电路板5(如图1所示)，该传感器壳体由呈扁平管状的基座1和密封固定于该基座底部的底板9组成，该充油敏感体3由呈凹槽的敏感体壳体31、硅集成敏感芯片37、固支环38和密封固定于该凹槽口的弹性隔离膜35组成(如图2所示)，该敏感体壳体31周部通过密封圈4密封固定于该基座前端的台阶孔内，该台阶孔上孔则因弹性隔离膜片裸露而成为感压口，(见图1)，该硅集成敏感芯片37背压面环周通过固支环38底面密封固定于该凹槽底部，该硅集成敏感芯片背压面与固支环内环面之间形成的背压腔通过该凹槽底部上背压导气管33与内腔室连通，该硅集成敏感芯片受压面设有惠斯通电桥的敏感区40，该惠斯通电桥上应变电阻通过内引线36引出，并经该凹槽底上的引线柱32和转接线10从该台阶孔下部引入到该信号调理电路板5后输出，该硅集成敏感芯片受压面之非敏感区41还设有感温传感器、加热电阻以及根据该感温传感器控制加热的恒温控制电路，设有惠斯通电桥的敏感区40和设有感温传感器、加热电阻以及根据该感温传感器控制加热的恒温控制电路的非敏感区41可以是单片集成的，也可以是分体混合集成的，该弹性隔离膜、凹槽内环面和硅集成敏感芯片受压面之间形成的充油腔34填充有作为压力传导介质的硅油，而该基座内周面、敏感体壳体底部和底板之间形成内腔室13，该信号调理电路板通过绝缘垫片6固定于该内腔室，并由该基座侧部信号引出线8输出标准电压输出信号，与该背压导气管33连通的该内腔室13经该基座侧部的毛细管7连通外界气压。

考虑到风载荷传感器经常处在多雨水的测试环境中，该基座顶部环周固定有上盖板2，对应该台阶孔的部位设有多个便于引入风载荷的风雨孔12(如图4所示)，位于该上盖板的该风雨孔的直径不大于3mm，该基座顶部侧面还设有排泄雨水的排水孔11，这既实现了对风雨复合载荷的有效测量，又避免测量敏感元件长期被水浸泡，延长了传感器的使用寿命。

该固支环可以为具有硅膨胀系数的Pyrex玻璃环或GG-17硼硅玻璃，该Pyrex玻璃环是康宁公司(Corning)的产品，它是专为半导体封装设计，具有与硅接近的物理性能，国产替代产品为GG-17硼硅玻璃；该固支环也可以由硅材料基于MEMS(Micro Electro MechanicalSystem)硅体微机械加工工艺制作而成。该硅集成敏感芯片引出的压阻信号经该板进行性能补偿、差模放大、零位失调和抑制共模干扰后形成标准电压输出信号。该传感器壳体的厚度不大于15mm，直径不大于50mm，该充油敏感体压力量程不大于5kPa。

该硅集成敏感芯片的惠斯通电桥部分采用中国专利“一种微型动态压阻压力传感器及其制造方法”(专利号ZL2003101063298)公开技术方案制成。

改进型风载荷压力传感器测量原理是：当风载荷通过上盖板2作用在充油敏感体3的弹性隔离膜35上，上盖板2的风雨孔12滤掉了固体状的颗粒、大的水滴等，而使主要是风的作用使弹性隔离膜35产生形变，通过充油腔34里的压力传递介质，将压力传递到硅集成敏感芯片37上，硅集成敏感芯片37上的惠斯通电桥把压力信号转化成电信号输出，而一直处于恒温状态的充油敏感体保证了传感器的输出信号不随环境温度的变化而变化，从而实现了高精度的风载荷的测量。由于工作环境一般伴有雨水，为了保护好含有硅集成敏感芯片的充油敏感体3不被雨水长时间浸泡，由排水孔11及时把雨水排出。该毛细管7起到测量风载荷提供参考压力。

Claims (7)

1.一种改进型风载荷压力传感器，包含传感器壳体、充油敏感体(3)和信号调理电路板(5)，其特征在于，该充油敏感体(3)由呈凹槽的敏感体壳体(31)、硅集成敏感芯片(37)、固支环(38)和密封固定于该凹槽口的弹性隔离膜(35)组成，该硅集成敏感芯片(37)背压面环周通过固支环(38)密封固定于该凹槽底部，该硅集成敏感芯片背压面与固支环内环面之间形成的背压腔通过该凹槽底部上的背压导气管(33)与外界气压连通，该硅集成敏感芯片受压面设有惠斯通电桥的敏感区(40)，该惠斯通电桥上应变电阻通过内引线(36)引出，并经该凹槽底上引线柱(32)引入到该信号调理电路板(5)后输出，该硅集成敏感芯片受压面之非敏感区(41)上还设有感温传感器、加热电阻以及根据该感温传感器来控制该加热电阻的恒温控制电路，该弹性隔离膜、凹槽内环面和硅集成敏感芯片受压面之间形成的充油腔(34)填充有压力传导介质，并且：

1)该硅集成敏感芯片为单片集成或混合集成；

2)该传感器壳体由呈扁平管状的基座(1)和密封固定于该基座底部的底板(9)组成，该敏感体壳体(31)周部通过密封圈(4)密封固定于该基座前端的台阶孔，该基座内周面、敏感体壳体底面和底板之间形成内腔室(13)，该信号调理电路板通过绝缘垫片(6)固定于该内腔室，并由该基座侧部信号引出线(8)输出标准电压输出信号，该背压导气管(33)连通该内腔室(13)，并经该基座侧部的毛细管(7)连通外界气压。

2.如权利要求1所述的一种改进型风载荷压力传感器，其特征在于，该基座顶部环周固定上盖板(2)，该上盖板对应该台阶孔的部位设有多个便于引入风载荷的风雨孔(12)，该基座顶部侧面还设有用于排泄雨水的排水孔(11)。

3.如权利要求1所述的一种改进型风载荷压力传感器，其特征在于，该固支环为具有硅膨胀特性的Pyrex玻璃环或GG-17硼硅玻璃。

4.如权利要求3所述的一种改进型风载荷压力传感器，其特征在于，该固支环为与该硅集成敏感芯片具有相同热涨特性的另一个硅片，并通过硅硅键合固定于该硅集成敏感芯片。

5.如权利要求3所述的一种改进型风载荷压力传感器，其特征在于，该硅集成敏感芯片引出的压阻信号经该信号调理板进行传感器特性补偿、差模放大、零位失调和抑制共模干扰后形成标准电压输出信号。

6.如权利要求3所述的一种改进型风载荷压力传感器，其特征在于，该传感器壳体的厚度不大于15mm，直径不大于50mm，该充油敏感体压力量程不大于5kPa。

7.如权利要求3所述的一种改进型风载荷压力传感器，其特征在于，该压力传导介质为硅油。

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