一种阵列式压力测量装置

技术领域

本发明涉及多通道压力测量技术领域，具体为一种阵列式压力测量装置。

背景技术

现有的多通道压力测量装置，将压阻MEMS传感器芯片以阵列形式安装在电路板上，电路板装配在合金基座上，模块化，在此基础上与气体阀路系统进行装配集成，存在材料体系复杂、装配复杂、小型化等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列式压力测量装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种阵列式压力测量装置，包括：

气路系统，由带有导气气孔的第一合金基板、第二合金基板、第三合金基板、第四合金基板按顺序密封连接而成；

所述第一合金基板带有导气气孔，用于安装压阻敏感芯片；

所述第二合金基板用于安装第一合金基板；

所述第三合金基板带有贯穿正面和背面的导气气孔以及用于设置参考压的参考压气路，可通过移动所述第三合金基板实现不同功能通路的转换；

所述第四合金基板用于实现内部结构与外界待测元件或操作器件的连接；

电路系统，主要由压阻敏感芯片和第一电路板构成；

在所述压阻敏感芯片的正面施加参考压，在背面施加外界气体压力，以产生压力差；

所述第一电路板用于将所述产生压力差转化为正比与压力变化的电信号输出并处理计算。

进一步的，所述压阻敏感芯片的正面形成压阻条、钝化层及Pad，在压阻敏感芯片的背面形成开放空腔；

所述Pad至少包括1个电源Pad，1个接地Pad，2个信号Pad；

所述铝合金壳体设有用于容纳PCB电路板和密封垫的空腔。

进一步的，所述第一合金基板和第二合金基板正面设开放空腔，其中：第一合金基板的开放空腔用于安装压阻敏感芯片，第二合金基板的开放空腔用于安装第一合金基板。

进一步的，所述第一合金基板上开放空腔上端面设置有与开放空腔对应的电路连接器，所述压阻敏感芯片通过引线键合与电路连接器电气连接，所述电路连接器与第一电路片垂直设置、电气连接。

进一步的，所述第二合金基板正面的空腔内设凸台，用于容纳及安装第一电路板，该第一电路板包括仪表放大电路、ADC以及MCU，以打线或贴装的形式设置其上，压阻敏感芯片由于压力差所产生的信号经仪表放大电路放大后进入ADC模块，再进入MCU处理单元，最终进入可视化界面处理计算。

进一步的，所述第一合金基板可使用胶粘或螺纹连接于第二合金基板之上。

进一步的，所述第三合金基板的导气气孔分为校准用通路、测试用通路以及控温用通路，校准用通路与控温用通路合并为第一通路，第三合金基板具有移动性，通过移动可以在校准用通路或控温用通路与测试用通路之间转换。

进一步的，所述第二合金基板的设置一顶盖，设有密封环，以保证两者之间构成腔室的气密性，该腔室存在一气体管路以及电气接口，实现与外界参考气压源、外界电学信号连接。

进一步的，所述第三合金基板的侧壁设有滑动式导轨，通过螺纹固定，以实现第三合金基板高度方向的定位与移动，实现校准或控温以及测试模式之间的转换，所述第四合金基板外侧分别设置有与导气气孔或功能模块对应的不锈钢管气口，还可在不锈钢管外套软管，便于与外界待测元件或操作器件相连。

进一步的，所述第一合金基板中某一压阻敏感芯片可替换为温度传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)铝合金基板与压阻敏感芯片之间采用封装胶直接粘结，第一电路板于压阻敏感芯片侧面进行电气互连，可降低装配应力；同时，铝合金基板作为热沉与压阻敏感芯片直接相连，二者之间的热力学特性简单，仅以装配至电路板上的温度传感器也可较准确地推算出工作状态下压力芯片的温度分布，易于精确控制热应力，助于散热管理；另外，在铝合金内部设置冷却用通道，对阵列式压阻敏感芯片进行温度控制，有利于维持长时稳定性与综合精度，避免器件性能漂移。

(2)压力测量装置具有芯片级可维护性，多重电路片堆叠集成，便于拆卸并单独替换压阻敏感芯片片或相关电路系统元器件，也可将气路系统拆下进行清洗维护。

(3)阵列式压阻敏感芯片和电路系统，内部集成气路系统有利于整个压力测量装置装配体的小型化。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明差压式压阻敏感芯片示意图。

图3为本发明温度补偿用压阻敏感芯片示意图。

图4为本发明第一合金基板正面示意图。

图5为本发明第一合金基板侧面示意图。

图6为本发明第一合金基板背面示意图。

图7为本发明第二合金基板正面示意图。

图8为本发明第二合金基板侧面示意图。

图9为本发明第二合金基板背面示意图。

图10为本发明第三合金基板正面示意图。

图11为本发明第三合金基板侧面示意图。

图12为本发明第三合金基板背面示意图。

图13为本发明第四合金基板正面示意图。

图14为本发明第四合金基板侧面示意图。

图15为本发明第四合金基板背面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-15，本发明提供一种技术方案：

基于阵列式压力测量装置设计与装配方法如图1所示，所述压力测量装置主要包括由压阻敏感芯片110和第一电路板130等构成的电路系统100以及第一合金基板210、第二合金基板220、第三合金基板230、第四合金基板240等构成的气路系统200。

所述电路系统100由有压阻敏感芯片110、第一电路板130及其上的仪表放大电路140、ADC 150、MCU 160等组成，压阻敏感芯片110由于压力差所产生的信号经仪表放大电路放大后进入ADC模块，再进入MCU处理单元，最终进入可视化界面处理计算。所述压阻敏感芯片110为硅基底，通过外延、氧化、扩散、溅射等工艺在压阻敏感芯片110的正面形成压阻条111、钝化层112及Pad 113；采用刻蚀工艺在压阻敏感芯片110的背面形成开放空腔114。其中Pad 113至少包括1个电源Pad，1个接地Pad，2个信号Pad。

所述气路系统200由带有导气气孔的第一合金基板210、第二合金基板220、第三合金基板230、第四合金基板240按顺序密封连接而成。其中：

第一合金基板210正面设有8个独立的开放空腔212，可并排安装8个压阻敏感芯片110，开放空腔212底面存在一导气孔211在212闭合端面导出。

第二合金基板220正面设有开放空腔，可并排安装8组第一合金基板210，所述第一合金基板210可使用胶粘或螺纹连接于第二合金基板220之上，总共可安装64(8*8阵列)个压阻敏感芯片110。

第二合金基板220正面设有开放空腔，并在空腔内设凸台，用于容纳及安装第一电路板130，包括仪表放大电路140、ADC 150、MCU 160等以打线或贴装的形式设置其上。

所述第一合金基板210上开放空腔上端面设置有与8个独立的开放空腔对应的电路连接器120，所述压阻敏感芯片110通过引线键合与电路连接器120电气连接，所述电路连接器120与第一电路片130垂直设置、电气连接。

所述第二合金基板220的设置一顶盖250，设有密封环，以保证两者之间构成腔室的气密性，该腔室存在一气体管路以及电气接口，实现与外界参考气压源、外界电学信号连接。

第一合金基板210每一开放空腔212内存在一导气孔211与压阻敏感芯片背部空腔连通，下端面引出。

第二合金基板220带有贯穿正面和背面的导气气孔221以及用于设置参考压的参考压气路222；第三合金基板230带有贯穿正面和背面的导气气孔231以及用于设置参考压的参考压气路232；其中导气气孔233分为校准用通路233a、测试用通路233b以及控温用通路233c，校准用通路233a与控温用通路233c合并为第一通路；第四合金基板240带有贯穿正面和背面的导气气孔241以及用于设置参考压的参考压气路242；第三合金基板230具有移动性，通过移动可以在校准用通路231a或控温用通路231c与测试用通路231b之间转换；所述合金基板之间导气管带有密封环以保证气路系统的密封性。

所述第二合金基板220与第四合金基板240通过螺钉固定连接。

第三合金基板230的侧壁设有滑动式导轨234，通过螺纹235固定，以实现第三合金基板高度方向的定位与移动，实现校准或控温以及测试模式之间的转换。

第四合金基板240外侧分别设置有与导气气孔或功能模块对应的不锈钢管气口245，还可在不锈钢管245外套软管246，便于与外界待测元件或操作器件相连。

优选的，该装置第一合金基板中某一压阻敏感芯片替换为温度敏感信号，经由电路系统处理获取现场温度，可设置在校准模式与工作模式。

在校准模式下，设置第一合金基板与第二合金基板构成的腔室参考压，外界校准用标准气体源由第四合金基板240的导气孔243进入，通过第三合金基板230的校准用气路233a，进入第二合金基板220的导气孔221，最终进入贴于第一合金基板210上部的压阻敏感芯片110的背面空腔114。每个压阻敏感芯片感受到压差所产生的信号以及温度敏感芯片产生信号传输至运算放大器，经过信号放大，进入模数转换单元，进行模数转换处理，最后进入处理器，记录温度T以及输入压强与产生电学信号的关系式，建立不同环境温度条件下的输入压强与产生电学信号的关系式，储存至MCU。

在工作模式下，外界气体由第四合金基板240的多个导气气孔241进入，通过第三合金基板230的测试用通路231，进入第二合金基板220的导气气孔221，通过第一合金基板210的导气气孔211，最终进入贴于第一合金基板210上部的压阻敏感芯片110，每个压阻敏感芯片110都可进行单独测量，调用校准模式下建立的不同环境温度条件下的输入压强与产生电学信号的关系式，实现拟合补偿。

在设置参考压模式下，外界气体由第四合金基板240的参考压气路242进入，通过第三合金基板230的参考压气路232，进入第二合金基板220的参考压气路，最终进入贴于第一合金基板210上部的压阻敏感芯片110的背面空腔114，完成对压阻敏感芯片的参考压设置。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。