一種壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓力傳感器，包括襯底和設(shè)置在襯底上的膜片，還包括消除機械遲滯誤差裝置，所述消除機械遲滯誤差裝置包括依次相連接的電源、RC低通濾波器和壓電執(zhí)行器；所述壓電執(zhí)行器位于膜片的表面中央，用于在電壓控制下驅(qū)動膜片彎曲；所述RC低通濾波器的時間常數(shù)大于或等于膜片的一階諧振周期。本實用新型可以避免膜片位置的不確定性問題，減小機械遲滯偏移造成的誤差，提高壓力傳感器的測量精度。同時本實用新型的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝簡易，成本低。
【專利說明】一種壓力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種解決機械遲滯誤差的壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]對于傳統(tǒng)的壓力傳感器，由于膜片的遲滯問題，難以確定測得的電壓信號是否對應真實的壓力值，這就造成所測量的膜片形變對應的壓力與實際壓力有偏差，采集到的壓力信號精度不高。即在測量高精度壓力時，由于機械的遲滯特性，傳感器的膜片載荷的加載線與卸載線不完全重合。另外，控制壓電執(zhí)行器的元件以獨立的模塊使用，導致傳感器的體積較大，功耗較多，不適于微型化集成。
[0003]2013年6月5日公開的一種傳感器(201220740899.7)，傳感器結(jié)構(gòu)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓電執(zhí)行器、膜片和襯底，其中襯底上設(shè)置有膜片，壓電執(zhí)行器位于膜片的表面中央，數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過導線連接到壓電執(zhí)行器上。該傳感器驅(qū)動膜片彎曲的輸入電壓是階梯式變化的，使得壓電執(zhí)行器驅(qū)動膜片的彎曲有一定的過沖，膜片的最小彎曲量受階梯式電壓的最小改變量的影響，難以有效控制膜片的微小彎曲變化。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種壓力傳感器，該壓力傳感器能夠克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的機械遲滯誤差和測量精度不夠的缺陷，并使得傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，體積縮小，功耗降低。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案如下。
[0006]一種壓力傳感器，包括襯底和設(shè)置在襯底上的膜片，還包括消除機械遲滯誤差裝置，所述消除機械遲滯誤差裝置包括依次相連接的電源、RC低通濾波器和壓電執(zhí)行器；所述壓電執(zhí)行器位于膜片的表面中央，用于在電壓控制下驅(qū)動膜片彎曲；所述RC低通濾波器的時間常數(shù)大于或等于膜片的一階諧振周期。
[0007]優(yōu)選地，所述RC低通濾波器集成在襯底上。
[0008]優(yōu)選地，所述壓電執(zhí)行器為壓電膜片或壓電陶瓷。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的一種壓力傳感器，利用RC低通濾波器和壓電執(zhí)行器驅(qū)動傳感器的膜片彎曲，使膜片彎曲在遲滯曲線的加載線或卸載線上，通過電壓控制驅(qū)動力大小，方便有效地控制膜片彎曲，避免膜片位置的不確定問題，有利于提高傳感器的測量精度及準確度；RC低通濾波器為壓電執(zhí)行器提供連續(xù)變化的模擬電壓，使壓電執(zhí)行器的驅(qū)動力連續(xù)變化，避免膜片在微小范圍內(nèi)彎曲發(fā)生過沖，有利于提高膜片彎曲的分辨率；RC低通濾波器的時間常數(shù)大于或等于膜片的一階諧振周期，在低通濾波器儲存的能量作用下，壓電執(zhí)行器驅(qū)動膜片彎曲的時間大于或等于膜片一階諧振周期，有利于避免膜片發(fā)生諧振；RC低通濾波器的電阻、電容集成在傳感器的膜片上，減少了傳感器的外部元器件，有利于減小傳感器的結(jié)構(gòu)體積，降低功耗，便于批量生產(chǎn)；RC低通濾波器允許低頻信號通過，較好地遏制高頻信號，使電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強，有效降低電源波動對壓電執(zhí)行器的影響；本實用新型的壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝簡易，成本低，相對于高精度的壓力傳感器，性價比比較高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是本實用新型的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
[0012]圖3是本實用新型的壓力傳感器結(jié)構(gòu)中的RC低通濾波器的放大示意圖。
[0013]圖中I是壓電執(zhí)行器，2是膜片，3是低通濾波器的電阻，4是低通濾波器的電容，5是襯底。
【具體實施方式】
[0014]下面將結(jié)合附圖，對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0015]對照圖1，壓力傳感器由RC低通濾波器3和4、壓電執(zhí)行器1、膜片2和襯底5組成，其中襯底5上設(shè)置有膜片2，壓電執(zhí)行器I位于膜片2的上部，RC低通濾波器3和4集成在傳感器的襯底5上，并與壓電執(zhí)行器I通電連接。
[0016]對照圖2，壓電執(zhí)行器I位于膜片2的表面中央，RC低通濾波器的電阻3、電容4位于膜片2的兩側(cè)。
[0017]對照圖3，RC低通濾波器的電阻3、電容4制備在傳感器的膜片2上，減少傳感器的外部元器件，減小傳感器結(jié)構(gòu)的體積，便于產(chǎn)品微型化，降低功耗。
[0018]低通濾波器充電直至電壓滿足條件:驅(qū)動膜片彎曲撓度超過膜片機械遲滯偏移量。為便于描述，定義滿足上述條件的電壓為預定電壓。
[0019]實施例一
[0020]本實施例中，壓電執(zhí)行器I選擇壓電膜片，并施加正向電壓，驅(qū)動膜片2向襯底5的方向彎曲，即依遲滯曲線的載荷加載線彎曲。傳感器膜片2的諧振周期為20 us的數(shù)量級，低通濾波器的電阻3約為50ΚΩ，電容4約為I nF，其時間常數(shù)τ約為50us，大于膜片的諧振周期，有利于避免膜片2發(fā)生諧振。低通濾波器的放電時間常數(shù)約為49us。
[0021]測量壓力過程中，RC低通濾波器輸入端的預定電壓作用于壓電膜片，電壓大小與選定的壓電執(zhí)行器有關(guān)，本實施例以預定電壓24V為例。
[0022]首先施加24V直流電壓在RC低通濾波器的輸入端上，RC低通濾波器的輸出電壓從OV開始以指數(shù)形式增加至24V。壓電膜片驅(qū)動膜片彎曲的力連續(xù)增加，膜片彎曲的撓度逐漸增大。RC低通濾波器充電完成后，其儲存的能量驅(qū)動膜片彎曲到遲滯曲線的加載線上。
[0023]然后降低RC低通濾波器輸入端的電壓，其輸出的電壓從24V開始以指數(shù)形式連續(xù)降低至0V。在輸出端的電壓降低的過程中，壓電執(zhí)行器的驅(qū)動力也連續(xù)平緩的降低，膜片的彎曲撓度逐漸減小，最終停留在遲滯曲線的卸載線上。
[0024]最后，從開始降低低通濾波器輸入電壓的時刻開始，經(jīng)過49us后，斷開電源，通過信號處理電路測量膜片上的壓力，得出待測的壓力值。
[0025]實施例二
[0026]本實施例中，壓電執(zhí)行器I選擇壓電陶瓷，并施加負向電壓，驅(qū)動膜片2背向襯底5的方向彎曲，即依遲滯曲線的載荷卸載線彎曲。傳感器膜片2的諧振周期為20 us的數(shù)量級，低通濾波器的電阻3約為50ΚΩ，電容4約為I nF，其時間常數(shù)τ約為50us，大于膜片的諧振周期，有利于避免膜片發(fā)生諧振。低通濾波器的放電時間常數(shù)約為49us。
[0027]測量壓力過程中，RC低通濾波器輸入端的預定電壓作用于壓電陶瓷，電壓大小與選定的壓電執(zhí)行器有關(guān)，本實施例以預定電壓50V為例。
[0028]首先施加50V直流電壓在RC低通濾波器的輸入端上，RC低通濾波器的輸出電壓從OV開始以指數(shù)形式連續(xù)增加至50V。壓電陶瓷驅(qū)動膜片彎曲的力連續(xù)增加，膜片彎曲的撓度逐漸減小。RC低通濾波器充電完成后，其儲存的能量驅(qū)動膜片彎曲到遲滯曲線的卸載線上。
[0029]然后降低RC低通濾波器輸入端的電壓，其輸出的電壓從50V開始以指數(shù)形式連續(xù)降低至0V。在輸出端的電壓降低的過程中，壓電執(zhí)行器的驅(qū)動力也連續(xù)平緩的降低。在待測壓力的作用下，膜片的彎曲撓度逐漸增加，最終停留在遲滯曲線的加載線上。
[0030]最后，從開始降低低通濾波器輸入電壓的時刻開始，經(jīng)過49us后，斷開電源，通過信號處理電路測量膜片上的壓力，得出待測的壓力值。
[0031]以上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種壓力傳感器，包括襯底和設(shè)置在襯底上的膜片，其特征在于，還包括消除機械遲滯誤差裝置，所述消除機械遲滯誤差裝置包括依次相連接的電源、RC低通濾波器和壓電執(zhí)行器； 所述壓電執(zhí)行器位于膜片的表面中央，用于在電壓控制下驅(qū)動膜片彎曲； 所述RC低通濾波器的時間常數(shù)大于或等于膜片的一階諧振周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力傳感器，其特征在于，所述RC低通濾波器集成在襯底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓力傳感器，其特征在于，所述壓電執(zhí)行器為壓電膜片或壓電陶瓷。
【文檔編號】G01L1/16GK203443714SQ201320559176
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】劉清惓, 周曉, 陳傳寅, 張加宏, 李敏 申請人:南京信息工程大學