[發明專利]改進型風載荷壓力傳感器

有效

• 申請號: 200810244556.X
• 申請日: 2008-11-20
• 公開（公告）號: CN101738281A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發明（設計）人: 王文襄;王善慈;申建紅;莊加局;李春祥;王冰
• 申請（專利權）人: 昆山雙橋傳感器測控技術有限公司
• 主分類號: G01L9/06
• 分類號: G01L9/06
• 代理公司: 昆山四方專利事務所 32212
• 代理人: 盛建德

技術領域

本發明涉及一種基于硅壓阻式敏感原理、內裝充油敏感體組成的 改進型風載荷壓力傳感器，它是用于建筑物表面風載荷測量的薄型微 壓力傳感器，主要應用于土木工程領域中的建筑物抗臺風等惡劣環境 能力試驗及預警防護系統。

背景技術

風載荷是建筑結構設計必須考慮的荷載之一。隨著城市化的發展， 高樓大廈越來越多，對于建筑風載荷的研究越來越多。目前，用于測 量風載荷對建筑的影響主要有三種方式。(1)風壓測量：利用壓力傳感 器直接測量建筑物或其模型的風壓力分布。這種方法能得到局部點的 平均壓力和脈動壓力，對結構的局部設計很有幫助(如玻璃幕墻等)， 通過積分還可以求出整體平均荷載。(2)氣動彈性模型試驗：采用幾何 相似和動力相似的氣動彈性模型，直接測量模型的動靜態荷載和響應。 但技術復雜，費用昂貴，而且當建筑物內部結構參數改變時，必須重 新設計模型重新試驗。(3)高頻動態天平試驗：這是近20年來發展起 來的一種新技術，采用高固有頻率、高靈敏度的高頻動態天平，直接 測量剛性模型的靜態和動態廣義荷載，然后根據結構參數，通過計算 處理獲得建筑物動態響應，但其問題也在于費用昂貴。

眾所周知，隨著MEMS技術的發展，硅壓阻壓力傳感器成為了壓力 測量的主流，由于其高精度、高可靠、高頻響、體積小、價格低廉而 廣泛被國民經濟各個領域采用。但在風載荷測量的應用上它有突出的 兩點難關：一是由于風載荷是微小壓力的測量，硅芯片的彈性膜片必 然要很薄，這樣它一不抗風吹雨淋，容易損環，二是硅集成敏感芯片 感壓面積太小，單點的測量容易和平均值產生較大誤差。雖然采用充 油結構可以克服這些問題，但隨之而來的是充油后由于油隨外界環境 的熱脹冷縮對硅集成敏感芯片造成的誤差，對微小壓力來講是不能容 忍的，國內外量產的充油芯體一般都在40kPa以上，而微低量(如5kPa 以下)時，充油后產生的溫度誤差是多年來沒有辦法克服的。因此硅 壓阻壓力傳感器在行業里往往不被采用。

發明內容

為了克服以上的缺點，本發明提供一種改進型風載荷壓力傳感器， 通過充油敏感體內部嵌入一個溫度傳感器、加熱器以及溫度控制電路， 使整體處于一個不受外界影響的恒溫環境下工作，則克服了充油后傳 感器隨溫度變化所產生的不能容忍的誤差，從而也解決了硅壓阻壓力 傳感器在風載荷測量中的應用難題。

本發明的技術方案是這樣實現：一種改進型風載荷壓力傳感器， 包含傳感器殼體、充油敏感體和信號調理電路板，該充油敏感體由呈 凹槽的敏感體殼體、硅集成敏感芯片、固支環和密封固定于該凹槽口 的彈性隔離膜組成，該硅集成敏感芯片背壓面環周通過固支環密封固 定于該凹槽底部，該硅集成敏感芯片背壓面與固支環內環面之間形成 的背壓腔通過該凹槽底部上的背壓導氣管與外界氣壓連通，該硅集成 敏感芯片受壓面設有惠斯通電橋的敏感區，該惠斯通電橋上應變電阻 通過內引線引出，并經該凹槽底上的引線柱經轉接線引入到該信號調 理電路板后輸出，該硅集成敏感芯片受壓面之非敏感區還設有感溫傳 感器、加熱電阻以及根據該感溫傳感器控制加熱的恒溫控制電路，該 彈性隔離膜、凹槽內環面和硅集成敏感芯片之間形成的充油腔填充有 壓力傳導介質，并且：

1)該硅集成敏感芯片為單片集成或混合集成。

2)該傳感器殼體由呈扁平管狀的基座和密封固定于該基座底部 的底板組成，該敏感體殼體周部通過密封圈密封固定于該基座的臺階孔 內，該基座內周面、敏感體殼體底面和底板之間形成內腔室，該信號調 理電路板通過絕緣墊片固定于該內腔室，并由該基座側部信號引出線輸 出標準電壓輸出信號，該背壓導氣管連通該內腔室，并經該基座側部的 毛細管連通外界氣壓。

作為本發明的進一步改進，該基座頂部環周固定有上蓋板，該上 蓋板對應該臺階孔的部位設有多個便于引入風載荷的風雨孔，該基座 頂部側面還設有用于排泄雨水的排水孔。

作為本發明的進一步改進，該固支環為具有硅膨脹特性的Pyrex 玻璃環或GG-17硼硅玻璃環，或者該固支環為與該硅集成敏感芯片具 有相同熱漲特性的另一個硅片，并通過硅硅鍵合固定于該硅集成敏感 芯片。

作為本發明的進一步改進，該硅集成敏感芯片引出的壓阻信號經 該信號調理板進行性能補償、差模放大、零位失調和抑制共模干擾后 形成標準電壓輸出信號。