CN117968930A - 一种mems热传导式真空传感器的温度漂移校正***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MEMS热传导式真空传感器技术领域，具体公开了一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***和方法，该温度漂移校正***包括MEMS热传导式真空传感器、气压测量模块、加热元件阻值测量模块、校正运算模块和供电模块，MEMS热传导式真空传感器通过单刀双掷开关分别与气压测量模块和加热元件阻值测量模块连接，气压测量模块和加热元件阻值测量模块均与校正运算模块相连，MEMS热传导式真空传感器包括热敏元件和加热元件，热敏元件与气压测量模块连接，加热元件与加热元件阻值测量模块连接。本发明提供的一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，不增加额外的温度传感器，成本低，而且适用范围广，结构简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS热传导式真空传感器技术领域，更具体地，涉及一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***和测试方法。
背景技术
MEMS热传导式真空传感器在电子产品、航空航天、化工、材料科学、高能粒子科学等领域中被广泛应用。其工作原理是对加热元件施加功率，使得敏感区温度变化，该变化的温度受真空度的影响，通过热敏元件将温度信息转化为电信号输出，从而反映出真空度信息。该器件在实际应用中，通常测量结果会受到环境温度的影响。现有解决方案主要包括三种：第一种是在压强的测量过程中控制环境温度使其稳定在一定的范围内；第二种是在设计MEMS热传导式真空传感器时也设计相应的配套电路，使传感器处于恒温工作模式，以此减小温度对测量结果的影响；第三种是利用温度传感器测量得到环境温度，再结合已知温度下的标定曲线来推测此时温度下的U-P曲线。对于第一种方案，测量过程中控制环境温度需要相关的设备，耗费物力人力，测量精度也不高；第二种方案，则需要配套的电路支持，由于电路的存在，MEMS热传导式真空传感器成品器件的体积一般都比较大，在具体的应用中，例如狭窄空间对气压测量，没有优势。第三种方案需利用温度传感器测量出环境温度，进而利用算法实现温漂校正，由于需要额外使用温度传感器，电路复杂，成本较高。
发明内容
本发明提供了一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***和测试方法，不使用额外的温度传感器，实现温漂校正。
作为本发明的第一个方面，提供一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，所述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***包括MEMS热传导式真空传感器、气压测量模块、加热元件阻值测量模块、校正运算模块和供电模块，所述MEMS热传导式真空传感器通过单刀双掷开关分别与所述气压测量模块和所述加热元件阻值测量模块连接，所述气压测量模块和所述加热元件阻值测量模块均与所述校正运算模块相连，所述供电模块分别与所述MEMS热传导式真空传感器、气压测量模块、加热元件阻值测量模块和校正运算模块连接，其中，所述MEMS热传导式真空传感器包括敏感区，所述敏感区上放置有热敏元件和加热元件，所述热敏元件通过单刀双掷开关与所述气压测量模块连接，所述加热元件通过单刀双掷开关与所述加热元件阻值测量模块连接。
进一步地，所述热敏元件和加热元件为两个分别独立的元件，或者为同一个既有热敏功能又有加热功能的元件。
进一步地，所述加热元件阻值测量模块中电阻的阻值不随温度变化，该电阻与所述加热元件串联。
进一步地，所述校正运算模块中的微控制器构成数字运算电路，该数字运算电路内部植入加热元件阻值温漂公式和温漂校正算法。
作为本发明的另一个方面，提供一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法，应用于上述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，所述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法包括：
步骤1）、在变温环境中测试得到加热元件的阻值R与环境温度T的关系方程，即加热元件阻值温漂公式：R=f（T）；并将所述加热元件阻值温漂公式固化于所述数字运算电路中；
步骤2）、在环境温度T0下，控制真空测试***使真空腔压强分别达到0Pa、1Pa-1000Pa范围内任意一值或多值、105Pa，同时分别测得各压强下对应的热敏元件的电压，以得到热敏元件的电压U和气压P的第一关系方程：U=g1(P，T0)；
步骤3）、改变环境温度为T1，控制真空测试***使真空腔压强分别达到0Pa、1Pa-1000Pa范围内任意一值或多值、105Pa，同时分别测得各压强下对应的热敏元件的电压，以得到热敏元件的电压U和气压P的第二关系方程：U=g2(P，T1)；
步骤4）、根据U=g1(P，T0)和U=g2(P，T1)，得到任何环境温度T下的热敏元件的电压U和气压P的第三关系方程：U=g(P，T)；对U=g(P，T)变形，得到温漂校正算法：P=h(U，T)，并将所述温漂校正算法固化于所述数字运算电路中；
步骤5）、将所述MEMS热传导式真空传感器放置于大气环境中，拨动单刀双掷开关使加热元件阻值测量模块与所述MEMS热传导式真空传感器连接，通过所述加热元件阻值测量模块测得所述加热元件的阻值R’，并根据所述加热元件阻值温漂公式得到环境温度T’；
步骤6）、将所述MEMS热传导式真空传感器放置于所需测量的真空环境中，拨动单刀双掷开关使气压测量模块与所述MEMS热传导式真空传感器连接，通过所述气压测量模块测得此环境温度T’下所述热敏元件的电压U’；
步骤7）、将步骤5）中得到的环境温度T’和步骤6）中得到的热敏元件电压U’带入所述温漂校正算法，以得到所需测量的真空环境压强值P’。
进一步地，所述步骤1）-步骤4）只需操作一次，后面每次使用所述MEMS热传导式真空传感器时，只需重复步骤5）-步骤7）。
本发明提供的MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***具有以下优点：不使用额外的温度传感器，只使用一个电阻，配合MEMS热传导式真空传感器内部加热电阻能够实现环境温度的测量，测温电路结构简单，同时结合温漂校正算法能够实现MEMS热传导式真空传感器温漂校正。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例的MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***的原理图。
图2为本发明实施例的MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法的流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，如图1所示，所述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***包括MEMS热传导式真空传感器1、气压测量模块、加热元件阻值测量模块、校正运算模块和供电模块，所述MEMS热传导式真空传感器1通过单刀双掷开关分别与所述气压测量模块和所述加热元件阻值测量模块连接，所述气压测量模块和所述加热元件阻值测量模块均与所述校正运算模块相连，所述供电模块分别与所述MEMS热传导式真空传感器1、气压测量模块、加热元件阻值测量模块和校正运算模块连接，其中，所述MEMS热传导式真空传感器1包括敏感区11，所述敏感区11上放置有热敏元件12和加热元件13，所述热敏元件12通过单刀双掷开关与所述气压测量模块连接，所述加热元件通过单刀双掷开关与所述加热元件阻值测量模块连接。
优选地，所述热敏元件12和加热元件13为两个分别独立的元件，或者为同一个既有热敏功能又有加热功能的元件。
优选地，所述加热元件阻值测量模块中电阻的阻值不随温度变化，该电阻与所述加热元件13串联形成分压电路，这样不同环境温度下电阻上的分压就不同，根据不同电压就可以推算出当前环境温度。
优选地，所述校正运算模块中的微控制器构成数字运算电路，该数字运算电路内部植入加热元件阻值温漂公式和温漂校正算法。
具体地，气压测量模块包括电压跟随器和模数转换器，加热元件阻值测量模块包括电阻和模数转换器，校正运算模块包括电压跟随器和微控制器；为了解决阻抗匹配问题，使用两个电压跟随器能够得到更准确的电压；两个模数转换器能够使采集到的模拟电压转换成数字电压。
作为本发明的另一实施例，如图2所示，提供一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法，应用于上述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，所述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法包括：
步骤1）、在变温环境中测试得到加热元件13的阻值R与环境温度T的关系方程，即加热元件阻值温漂公式：R=f（T）；并将所述加热元件阻值温漂公式固化于所述数字运算电路中；
步骤2）、在环境温度T0下，控制真空测试***使真空腔压强分别达到0Pa、1Pa-1000Pa范围内任意一值或多值、105Pa，同时分别测得各压强下对应的热敏元件12的电压，以得到热敏元件12的电压U和气压P的第一关系方程：U=g1(P，T0)；
步骤3）、改变环境温度为T1，控制真空测试***使真空腔压强分别达到0Pa、1Pa-1000Pa范围内任意一值或多值、105Pa，同时分别测得各压强下对应的热敏元件12的电压，以得到热敏元件12的电压U和气压P的第二关系方程：U=g2(P，T1)；
步骤4）、根据U=g1(P，T0)和U=g2(P，T1)，得到任何环境温度T下的热敏元件12的电压U和气压P的第三关系方程：U=g(P，T)；对U=g(P，T)变形，得到温漂校正算法：P=h(U，T)，并将所述温漂校正算法固化于所述数字运算电路中；
步骤5）、将所述MEMS热传导式真空传感器1放置于大气环境中，拨动单刀双掷开关使加热元件阻值测量模块与所述MEMS热传导式真空传感器1连接，通过所述加热元件阻值测量模块测得所述加热元件13的阻值R’，并根据所述加热元件阻值温漂公式得到环境温度T’；
步骤6）、将所述MEMS热传导式真空传感器1放置于所需测量的真空环境中，拨动单刀双掷开关使气压测量模块与所述MEMS热传导式真空传感器1连接，通过所述气压测量模块测得此环境温度T’下所述热敏元件12的电压U’；
步骤7）、将步骤5）中得到的环境温度T’和步骤6）中得到的热敏元件12电压U’带入所述温漂校正算法，以得到所需测量的真空环境压强值P’。
优选地，所述步骤1）-步骤4）只需操作一次，后面每次使用所述MEMS热传导式真空传感器时，只需重复步骤5）-步骤7）。
本发明提供的一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***和方法，具有电路结构简单、成本低、无需使用额外温度传感器及适用范围广等特点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，其特征在于，所述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***包括MEMS热传导式真空传感器（1）、气压测量模块、加热元件阻值测量模块、校正运算模块和供电模块，所述MEMS热传导式真空传感器（1）通过单刀双掷开关分别与所述气压测量模块和所述加热元件阻值测量模块连接，所述气压测量模块和所述加热元件阻值测量模块均与所述校正运算模块相连，所述供电模块分别与所述MEMS热传导式真空传感器（1）、气压测量模块、加热元件阻值测量模块和校正运算模块连接，其中，所述MEMS热传导式真空传感器（1）包括敏感区（11），所述敏感区（11）上放置有热敏元件（12）和加热元件（13），所述热敏元件（12）通过单刀双掷开关与所述气压测量模块连接，所述加热元件通过单刀双掷开关与所述加热元件阻值测量模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，其特征在于，所述热敏元件（12）和加热元件（13）为两个分别独立的元件，或者为同一个既有热敏功能又有加热功能的元件。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，其特征在于，所述加热元件阻值测量模块中电阻的阻值不随温度变化，该电阻与所述加热元件（13）串联。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，其特征在于，所述校正运算模块中的微控制器构成数字运算电路，该数字运算电路内部植入加热元件阻值温漂公式和温漂校正算法。
5.一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法，应用于权利要求1至4中任意一项所述的MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正***，其特征在于，所述MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法包括：
步骤1）、在变温环境中测试得到加热元件（13）的阻值R与环境温度T的关系方程，即加热元件阻值温漂公式：R=f（T）；并将所述加热元件阻值温漂公式固化于所述数字运算电路中；
步骤2）、在环境温度T0下，控制真空测试***使真空腔压强分别达到0Pa、1Pa-1000Pa范围内任意一值或多值、105Pa，同时分别测得各压强下对应的热敏元件（12）的电压，以得到热敏元件（12）的电压U和气压P的第一关系方程：U=g1(P，T0)；
步骤3）、改变环境温度为T1，控制真空测试***使真空腔压强分别达到0Pa、1Pa-1000Pa范围内任意一值或多值、105Pa，同时分别测得各压强下对应的热敏元件（12）的电压，以得到热敏元件（12）的电压U和气压P的第二关系方程：U=g2(P，T1)；
步骤4）、根据U=g1(P，T0)和U=g2(P，T1)，得到任何环境温度T下的热敏元件（12）的电压U和气压P的第三关系方程：U=g(P，T)；对U=g(P，T)变形，得到温漂校正算法：P=h(U，T)，并将所述温漂校正算法固化于所述数字运算电路中；
步骤5）、将所述MEMS热传导式真空传感器（1）放置于大气环境中，拨动单刀双掷开关使加热元件阻值测量模块与所述MEMS热传导式真空传感器（1）连接，通过所述加热元件阻值测量模块测得所述加热元件（13）的阻值R’，并根据所述加热元件阻值温漂公式得到环境温度T’；
步骤6）、将所述MEMS热传导式真空传感器（1）放置于所需测量的真空环境中，拨动单刀双掷开关使气压测量模块与所述MEMS热传导式真空传感器（1）连接，通过所述气压测量模块测得此环境温度T’下所述热敏元件（12）的电压U’；
步骤7）、将步骤5）中得到的环境温度T’和步骤6）中得到的热敏元件（12）电压U’带入所述温漂校正算法，以得到所需测量的真空环境压强值P’。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS热传导式真空传感器的温度漂移校正方法，其特征在于，所述步骤1）-步骤4）只需操作一次，后面每次使用所述MEMS热传导式真空传感器时，只需重复步骤5）-步骤7）。
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