【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空海拔高度、气象类、自动气象站、地面气象观探测设备、计量行业等，具体涉及一种动态测量高精度硅谐振气压计。
技术介绍
1、随着国内传感器技术的革新与发展和国际形势的日益紧张，面对国外技术的封锁，国家在民用飞机、军用式直升机、无人机等对自身飞行高度监测迫切需求高精度传感器，摆脱依赖做到自主可控。同时，军、民用航空气象保障，地方气象观测站点天气预报的精细化和准确率需求越来越高，从多年的技术发展来看，先期已经掌握了硅压阻测量压力方式，在工业控制上应用比较多优势在于量程大，通过封装的变化可以测量多种介质，但是在高精度、小量程压力上一直有短板；近年来国内多个研究所和高校探索硅谐振式压力传感器，国内半导体厂商在中美贸易战中的磨练，已在半导体芯片设计生产、晶圆流片和封装等工艺取得突破，自主设计的mems硅谐振气压传感器在测量绝压和大气压力性能与国外类似设备处于相同的水准，涵盖了微小信号调理放大、高精度采样技术和算法模型的研究方面有了见长，随着这项技术的成熟发展有很大部分大气压力传感器和气象观测设备将会替代，在相似领域也会得到了广泛的发展和应用。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种动态测量高精度硅谐振气压计，包括mems硅谐振传感器、自动增益驱动控制电路、信号调理整形电路、温度传感器、设备结构壳体、电路板腔、气压腔、气压腔盖板、气压腔密封垫、电缆连接器、多芯航插座；
2、所述设备结构壳体外部设有进气宝塔头和多芯航插座
3、所述电路板腔用于放置硬件功能电路板，所述硬件功能电路板包括电源供电、通信接口、防护、微处理器电路，所述电源供电与通信接口通过8芯排线引接到多芯航插座焊接引脚上；
4、所述mems硅谐振传感器感受空气压力变化，自振荡产生相应频率信号，信号经激励、检测、放大、调理整形，调制输出频率信号使其在微处理器采样范围，开展全温区动态标定，由微处理器电路采集各温度点下气压测量频率值，建立拟合算法温度补偿模型，经微处理器电路计算处理后得到实测气压值。
5、设备结构壳体形态可为矩形立方体，可设计曲线或曲面美化外观，为金属或非金属材料加工制成，气压计具有ip67防护能力。
6、所述气压腔采用一体式分腔设计，包含气压缓冲腔、气压进压腔和气压腔盖板，气压进压腔和气压缓冲腔中间隔板上开有孔隙使两个腔体连通，气压进压腔内部设有安装孔位，用于固定mems硅谐振传感器，mems硅谐振传感器上6芯排线穿出气压腔导线槽连接到微处理器电路板上，气压腔上导线槽点涂硅橡胶密封，气压缓冲腔为空腔同时与设备上进气宝塔头连通，平稳空气流速波动作用，通过螺栓压紧硅胶垫密封整个气压腔。
7、所述mems硅谐振传感器内部包含mems硅谐振芯片、芯片安装基板、密封金属罩；mems硅谐振芯片硅硅键合封装工艺后，利用硅胶粘贴于芯片安装基板上，其引脚通过金丝键合方式连接到芯片安装基板焊盘上。
8、所述自动增益驱动控制电路包括一级全差动放大器、两路二级差分放大电路，n沟道场效应管功能电路，所述一级全差动放大器、两路二级差分放大电路，n沟道场效应管功能电路依次相连。
9、所述自动增益驱动控制电路采用全差动放大器构成的放大电路提高mems硅谐振传感器微弱频率信号测量信噪比后，差分信号经电容耦合至两路二级差分放大电路处理成2路单端信号，2路单端信号作为反馈检测量分别连接到n沟道场效应管漏极和栅极，场效应管源极连接激励自动增益驱动控制电路，使压力频率信号提高动态响应能力。
10、所述信号调理整形电路对测量信号经一级全差动放大电路抑制共模噪声和杂波干扰，提高测量有效信号的信噪比后正弦频率信号，正弦频率信号耦合至信号调理整形电路中运算放大电路放大频率信号幅值，信号调理整形电路中模拟电压比较器对谐振频率信号进行方波整形。
11、所述温度传感器集成于mems硅谐振传感器内部，温度传感器输出为频率信号，频率信号经信号调理整形电路调理至微处理器电路采样范围。
12、所述微处理器电路实时采样压力频率和温度频率信号，获取分析全量程测量区间内，硅谐振气压传感器在工作环境温度变化范围中，量化气压谐振频率的漂移量，微处理器实施计算补偿漂移；
13、将硅谐振气压计实施温度漂移动态标校，建立温度补偿拟合计算模型，对气压校验仪标准值、气压频率值、温度值三个参数建立数组矩阵，求解数组矩阵得到逼近于真值的拟合系数；
14、所述微处理器电路将实时采集的温度值、气压频率值代入高次幂多项式拟合计算数据模型，将拟合系数数组代入高次幂多项式拟合计算数据模型，进行数据综合处理运算得到高精度气压测量值。
15、所述电源供电电路包括精密电压源和线性稳压电源，为外围电路提供供电电源，具有电源反接保护、过压保护、过流保护功能；
16、所述通信接口与防护电路为硅谐振气压计设备的数据输出接口，微处理器电路将处理后数字量的气压值通过数据输出接口输出，通信接口具有隔离防护电路。
17、本专利技术有益效果在于：自主设计的一种动态测量高精度硅谐振气压计，解决常规硅谐振气压传感器封装应力和温度漂移影响，提高传感器测量精度，提高了国内mems硅谐振气压传感器在航天航空、气象监测、计量等领域小量程高精度压力测量水准。(1)气压腔内部设计了气压缓冲腔，能起到平稳大气流速波动影响，测量大气压力时，降低误差实测值更真实；(2)mems硅谐振压力采用点胶胶粘和金丝键合工艺，减少结构上应力传导引起误差；(3)压力敏感芯片谐振产生的微弱频率信号，经全差分放大电路去除共模噪声、干扰噪声多级放大，减小失调，响应灵敏度高；(4)激励控制设计反馈电路闭环控制，再经模拟电压比较器限幅、整形，提高微处理器采样准确性；(5)硅谐振传感器芯体，采用模块化设计，单独放置在金属气压进压腔内，能有效隔离电磁干扰；(6)数据处理采用matlab代码法补偿温度偏移和高次幂多项式拟合算法，来拟合样本数据，从而得到最优化的拟合效果，保证全温区间全量程范围内大气压力测量准确度在±0.2hpa。
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1.一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，包括MEMS硅谐振传感器、自动增益驱动控制电路、信号调理整形电路、温度传感器、设备结构壳体、电路板腔、气压腔、气压腔盖板、气压腔密封垫、电缆连接器、多芯航插座；
2.根据权利要求1所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，设备结构壳体为金属或非金属材料加工制成，气压计具有IP67防护能力。
3.根据权利要求2所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述气压腔采用一体式分腔设计，包含气压缓冲腔、气压进压腔和气压腔盖板，气压进压腔和气压缓冲腔中间隔板上开有孔隙使两个腔体连通，气压进压腔内部设有安装孔位，用于固定MEMS硅谐振传感器，MEMS硅谐振传感器上6芯排线穿出气压腔导线槽连接到微处理器电路板上，气压腔上导线槽点涂硅橡胶密封，气压缓冲腔为空腔同时与设备上进气宝塔头连通，平稳空气流速波动作用，通过螺栓压紧硅胶垫密封整个气压腔。
4.根据权利要求3所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述MEMS硅谐振传感器内部包含MEMS硅谐振芯片、芯片安装基板、密封金属罩；MEMS硅
5.根据权利要求4所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述自动增益驱动控制电路包括一级全差动放大器、两路二级差分放大电路，N沟道场效应管功能电路，所述一级全差动放大器、两路二级差分放大电路，N沟道场效应管功能电路依次相连。
6.根据权利要求5所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述自动增益驱动控制电路采用全差动放大器构成的放大电路提高MEMS硅谐振传感器微弱频率信号测量信噪比后，差分信号经电容耦合至两路二级差分放大电路处理成2路单端信号，2路单端信号作为反馈检测量分别连接到N沟道场效应管漏极和栅极，场效应管源极连接激励自动增益驱动控制电路，使压力频率信号提高动态响应能力。
7.根据权利要求6所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述信号调理整形电路对测量信号经一级全差动放大电路抑制共模噪声和杂波干扰，提高测量有效信号的信噪比后正弦频率信号，正弦频率信号耦合至信号调理整形电路中运算放大电路放大频率信号幅值，信号调理整形电路中模拟电压比较器对谐振频率信号进行方波整形。
8.根据权利要求7所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述温度传感器集成于MEMS硅谐振传感器内部，温度传感器输出为频率信号，频率信号经信号调理整形电路调理至微处理器电路采样范围。
9.根据权利要求8所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述微处理器电路实时采样压力频率和温度频率信号，获取分析全量程测量区间内，硅谐振气压传感器在工作环境温度变化范围中，量化气压谐振频率的漂移量，微处理器实施计算补偿漂移；
10.根据权利要求9所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述电源供电电路包括精密电压源和线性稳压电源，为外围电路提供供电电源，具有电源反接保护、过压保护、过流保护功能；
...【技术特征摘要】
1.一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，包括mems硅谐振传感器、自动增益驱动控制电路、信号调理整形电路、温度传感器、设备结构壳体、电路板腔、气压腔、气压腔盖板、气压腔密封垫、电缆连接器、多芯航插座；
2.根据权利要求1所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，设备结构壳体为金属或非金属材料加工制成，气压计具有ip67防护能力。
3.根据权利要求2所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述气压腔采用一体式分腔设计，包含气压缓冲腔、气压进压腔和气压腔盖板，气压进压腔和气压缓冲腔中间隔板上开有孔隙使两个腔体连通，气压进压腔内部设有安装孔位，用于固定mems硅谐振传感器，mems硅谐振传感器上6芯排线穿出气压腔导线槽连接到微处理器电路板上，气压腔上导线槽点涂硅橡胶密封，气压缓冲腔为空腔同时与设备上进气宝塔头连通，平稳空气流速波动作用，通过螺栓压紧硅胶垫密封整个气压腔。
4.根据权利要求3所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述mems硅谐振传感器内部包含mems硅谐振芯片、芯片安装基板、密封金属罩；mems硅谐振芯片硅硅键合封装工艺后，利用硅胶粘贴于芯片安装基板上，其引脚通过金丝键合方式连接到芯片安装基板焊盘上。
5.根据权利要求4所述的一种动态测量高精度硅谐振气压计，其特征在于，所述自动增益驱动控制电路包括一级全差动放大器、两路二级差分放大电路，n沟道场效应管功能电路，所述一级全差动放大器、两路二级差分放大电路，n沟道场效应管功能电路依次相连。
【专利技术属性】
技术研发人员：刘帅，杜一凡，陈帮，张群，薛维清，陆亚平，
申请(专利权)人：江苏无线电厂有限公司，
类型：发明
国别省市：
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