一种具有高集成度的自供电压力传感器的制作方法

本发明涉及压力传感器的技术领域，具体涉及一种具有高集成度的自供电压力传感器。

背景技术：

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。同时，物联网传感器节点被广泛应用，通过改进传感器结构和功能，使得传感器更加适用于物联网传感器节点，是目前传感器领域研究的热题。

目前，常规的压力传感器或者其他传感器，都或多或少地需要相应的外部电源或者内部电池供电，也都或多或少地需要外部特殊的电路与传感器相匹配，来把传感器所产生的特殊信号转换为一般的数字信号。因此，物联网传感器节点技术的应用受到传感器依赖于外部复杂处理电路的问题及电路工作供电的问题等诸多限制。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种能够直接输出数字信号，进行自主工作，不会给外部电路带来任何负担的具有高集成度的自供电压力传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有高集成度的自供电压力传感器，包括封装壳体，所述封装壳体内设有竖直通孔的圆柱体，所述圆柱体主要由上下堆叠在一起的压力传感单元和压电俘能器单元组成，所述压力传感单元和所述压电俘能器单元之间设置有非极化隔离层；所述竖直通孔内设有能量管理模块和信号处理模块，所述压电俘能器单元的输出电极与所述能量管理模块的输入端电气连接，所述压力传感单元的输出电极与所述信号处理模块的输入端电气连接，所述能量管理模块的输出端与所述信号处理模块的电源端电气连接。

优选地，所述压力传感单元包括：多个上下堆叠在一起的第一极化压电片，每一个第一极化压电片的上下两端均设置有第一金属片，相邻两个第一极化压电片共用一个第一金属片，且相邻两个第一极化压电片的极化方向相反，所有第一极化压电片的正极并接在一起形成所述压力传感单元的输出正电极，所有第一极化压电片的负极并接在一起形成所述压力传感单元的输出负电极；所述压电俘能器单元包括：多个上下堆叠在一起的第二极化压电片，每一个第二极化压电片的上下两端均设置有第二金属片，相邻两个第二极化压电片共用一个第二金属片，且相邻两个第二极化压电片的极化方向相反，所有第二极化压电片的正极并接在一起形成所述压电俘能器单元的输出正电极，所有第二极化压电片的负极并接在一起形成所述压电俘能器单元的输出负电极；所述圆柱体的上下两端均设置有封装陶瓷片。

优选地，所述第一极化压电片的制作材料为pzt-5h，所述第二极化压电片的制作材料为pmn-pt。

优选地，所述竖直通孔内还设有无线传输模块，所述无线传输模块的输入端与所述信号处理模块的输出端电气连接，所述无线传输模块的输出天线设置于所述封装壳体的表面上。

优选地，所述信号处理模块包括：电荷放大电路、低通滤波电路和mcu处理电路，所述电荷放大电路包括：放大器u1、放大器u2、放大器u3、放大器u4和放大器u5，所述低通滤波电路包括：放大器u6，所述mcu处理电路包括：mcu控制芯片u7；所述压力传感单元的一个输出电极通过电阻r1与所述放大器u1的反相输入端相连，所述压力传感单元的另一个输出电极通过电阻r2与所述放大器u2的反相输入端相连，所述放大器u1的反相输入端还通过电阻r3与所述放大器u1的输出端相连，所述电阻r3的两端并接有电容c1，所述放大器u2的反相输入端还通过电阻r4与所述放大器u2的输出端相连，所述电阻r4的两端并接有电容c2，所述放大器u1的同相输入端通过电阻r5接地，所述放大器u2的同相输入端通过电阻r6接地；所述放大器u3的同相输入端通过电阻r7与所述放大器u1的输出端相连，所述放大器u4的同相输入端通过电阻r8与所述放大器u2的输出端相连，所述放大器u3的输出端依次通过电阻r9、电阻r10和电阻r11与所述放大器u4的输出端相连，所述放大器u3的反相输入端与所述电阻r9和所述电阻r10之间的连线相连，所述放大器u4的反相输入端与所述电阻10和所述电阻r11之间的连线相连，所述放大器u3的输出端通过电阻r12与所述放大器u5的反相输入端相连，所述放大器u4的输出端通过电阻r13与所述放大器u5的同相输入端相连，所述放大器u5的同相输入端还通过电阻r14接地，所述放大器u5的反相输入端还通过电阻r5与所述放大器u5的输出端相连；所述放大器u5的输出端依次通过电阻r16、电阻r18与所述放大器u6的同相输入端相连，所述r16和所述电阻r18之间的连线通过电容c3接地，所述放大器u6的同相输入端还通过电容c4接地，所述放大器u6的反相输入端通过电阻r17接地，所述放大器u6的反相输入端还通过电阻r19与所述放大器u6的输出端相连，所述放大器u6的输出端与所述mcu控制芯片u7的输入端p_a/d相连；所述放大器u6的输入输出端口dio_7为所述mcu控制芯片u7的输入端p_a/d，所述mcu控制芯片u7的第一无线输出端rx_tx通过电容c5接地，所述mcu控制芯片u7的第二无线输出端rf_n通过电感l1与第一无线输出端rx_tx相连，所述第二无线输出端rf_n还通过电感l2与第三无线输出端rf_p相连，所述第三无线输出端rf_p还通过电容c7接地，所述第二无线输出端rf_n还依次通过电容c6、电感l4、电感l5与所述输出天线相连，所述电容c6和所述电感l4之间的连线通过电容c8接地，所述电感l4和所述电感l5之间的连线通过电容c9接地，所述电容c6和所述电感l4之间的连线还通过电感l3与所述第三无线输出端rf_p相连，所述mcu控制芯片u7的输入输出端口dio_5、输入输出端口dio_6分别为所述自供电压力传感器的有线输出端jtag_tdo、有线输出端jtag_tdi，所述mcu控制芯片u7的电源端vcc与3.3v电源相连。

优选地，所述mcu控制芯片u7为cc2650芯片。

优选地，所述能量管理模块105包括：能量管理芯片u31和锂电池bat；所述能量管理芯片u31的交流输入端ac1与所述压电俘能器单元103的一个输出电极相连，所述能量管理芯片u31的交流输入端ac2与所述压电俘能器单元103的另一个输出电极相连，所述能量管理芯片u31的电压输入端vin通过电容c31与所述能量管理芯片u31的电容连接端cap相连，所述能量管理芯片u31的电压输入端vin还通过电容c32接地，所述能量管理芯片u31的电压输入端vin2通过电容c33接地，所述能量管理芯片u31的电池充电使能端charge依次通过电阻r31、电容c34接地，所述能量管理芯片u31的变压输入端bb_in与所述电阻r31和所述电容c34之间的连线相连，所述能量管理芯片u31的变压输入端bb_in还与所述能量管理芯片u31的电池隔离开关输出端bat_out相连，所述能量管理芯片u31的备用电源输入端bat_in通过所述锂电池bat接地，所述锂电池bat的两端并接有电容c35；所述能量管理芯片u31的降压变压器开关端sw串接电感l1后与所述能量管理芯片u31的电压输出端vout相连，所述能量管理芯片u31的swa端子通过电感l2与所述能量管理芯片u31的swb端子相连，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout通过电容c36与所述能量管理芯片u31的超级电容公共端bal相连，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout通过电容c37接地，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout与所述能量管理芯片u31的的超级电容平衡器输入端scap相连，所述能量管理芯片u31的超级电容公共端bal还通过电容c38接地，所述能量管理芯片u31的逻辑参考点vin3通过电容c39接地，所述能量管理芯片u31的接地端gnd接地，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout输出3.3v电压。

优选地，所述能量管理芯片u31为ltc3331芯片。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中的压力传感器，主要由压力传感单元、压电俘能器单元、能量管理模块和信号处理模块组成，且上述压力传感单元、压电俘能器单元、能量管理模块和信号处理模块被集成在一个封装壳体内。当受到外部压力时，由于产生压电效应，一方面，压力传感单元产生的电荷通过其输出电极输送给信号处理模块，信号处理模块将该电荷转化为标准的数字信号后输出至传感器外部；另一方面，压电俘能器单元产生的电荷通过其输出电极输送给能量管理模块，能量管理模块将电能进行存储，并控制着对其他电路部分的电能输出。本发明利用了压电测压和发电的特性，把传感器部分、处理电路部分、自供电部分集成为一体，能够直接输出数字信号，使得压力传感器能够独立自主地工作，不会给外部电路带来任何负担，解决了传统压力传感器集成度低、不能自供电及不能独立工作的问题，迎合了物联网节点技术对传感器的要求，因此必将有很大的应用前景。

2、本发明中的第一极化压电片作为测压压电片，其制作材料选为pzt-5h，由于其具有大的电压输出且内阻较大，输出电压与所受压力有较好的线性关系，能表现出很好的灵敏度；而第二极化压电片作为俘能器压电片，其制作材料选为pmn-pt，因其内阻小，能量密度大，从而更有利于能量的采集。

3、本发明还在传感器内部集成了无线传输模块，可使传感器将采集到的压力信号通过有线和无线两种方式传输出去。

4、在信号处理模块中，电荷放大电路将压力传感单元产生的电荷量转化为便于测量的电压信号，低通滤波电路将这个电压信号进行滤波和变压处理，再通过mcu处理电路中的mcu控制芯片u7的ad转换功能将电压信号转换为数字信号，并通过mcu控制芯片u7的计算处理得出压力信息，然后将压力信息通过无线或有线的方式输出。其中，mcu控制芯片u7可选用cc2650芯片，此芯片具有ad转换及zigbee无线通信的功能，再加上cc2650本身具有低功耗及超低功耗休眠的特点，很适合作为此传感器的mcu。

5、在能量管理模块中，能量管理芯片可选用ltc3331芯片，此芯片同时连接着压电俘能器单元和锂电池bat。在压电俘能器单元产生电能充足的情况下，可以在利用压电俘能器单元获得的能量为整个电路系统供电的同时，给锂电池bat充电；在压电俘能器单元产生电能不充足的情况下，能量管理芯片u31会调用锂电池bat来为整个电路系统供电。其中，能量管理芯片u31的引脚vout为电压输出端口，为整个系统提供电能。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中压电片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中信号处理模块的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中能量管理模块的电路原理图；

图中：101为竖直通孔，102为压力传感单元，103为压电俘能器单元，104为非极化隔离层，105为能量管理模块，106为信号处理模块，107为封装陶瓷片，108为无线传输模块，1021为第一极化压电片，1022为第一金属片，1031为第二极化压电片，1032为第二金属片，1061为电荷放大电路，1062为低通滤波电路，1063为mcu处理电路，1081为输出天线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中压电片的结构示意图，如图1、图2所示，一种具有高集成度的自供电压力传感器，包括封装壳体，所述封装壳体内设有竖直通孔101的圆柱体，所述圆柱体主要由上下堆叠在一起的压力传感单元102和压电俘能器单元103组成，所述压力传感单元102和所述压电俘能器单元103之间设置有非极化隔离层104；所述竖直通孔101内设有能量管理模块105和信号处理模块106，所述压电俘能器单元103的输出电极与所述能量管理模块105的输入端电气连接，所述压力传感单元102的输出电极与所述信号处理模块106的输入端电气连接，所述能量管理模块105的输出端与所述信号处理模块106的电源端电气连接。

具体地，所述压力传感单元102包括：多个上下堆叠在一起的第一极化压电片1021，每一个第一极化压电片1021的上下两端均设置有第一金属片1022，相邻两个第一极化压电片1021共用一个第一金属片1022，且相邻两个第一极化压电片1021的极化方向相反，所有第一极化压电片1021的正极并接在一起形成所述压力传感单元102的输出正电极，所有第一极化压电片1021的负极并接在一起形成所述压力传感单元102的输出负电极；所述压电俘能器单元103包括：多个上下堆叠在一起的第二极化压电片1031，每一个第二极化压电片1031的上下两端均设置有第二金属片1032，相邻两个第二极化压电片1031共用一个第二金属片1032，且相邻两个第二极化压电片1031的极化方向相反，所有第二极化压电片1031的正极并接在一起形成所述压电俘能器单元103的输出正电极，所有第二极化压电片1031的负极并接在一起形成所述压电俘能器单元103的输出负电极；所述圆柱体的上下两端均设置有封装陶瓷片107。

本实施例中，所述压电俘能器单元103堆叠在所述压力传感单元102的上方，所述第一极化压电片1021和所述第二极化压电片1031的数量均为三个，图中的箭头方向为压电片的极化方向，内部电路的信号输出线可通过封装壳体的底座通孔引出。

本实施例中的压力传感器，主要由压力传感单元102、压电俘能器单元103、能量管理模块105和信号处理模块106组成，且上述压力传感单元102、压电俘能器单元103、能量管理模块105和信号处理模块106被集成在一个封装壳体内。当受到外部压力时，由于产生压电效应，一方面，压力传感单元102产生的电荷通过其输出电极输送给信号处理模块106，信号处理模块106将该电荷转化为标准的数字信号后输出至传感器外部；另一方面，压电俘能器单元103产生的电荷通过其输出电极输送给能量管理模块105，能量管理模块105将电能进行存储，并控制着对其他电路部分的电能输出。本发明利用了压电测压和发电的特性，把传感器部分、处理电路部分、自供电部分集成为一体，能够直接输出数字信号，使得压力传感器能够独立自主地工作，不会给外部电路带来任何负担，解决了传统压力传感器集成度低、不能自供电及不能独立工作的问题，迎合了物联网节点技术对传感器的要求，因此必将有很大的应用前景。

具体地，所述第一极化压电片1021的制作材料可为pzt-5h，所述第二极化压电片1031的制作材料可为pmn-pt。

本实施例中的第一极化压电片1021作为测压压电片，其制作材料选为pzt-5h，由于其具有大的电压输出且内阻较大，输出电压与所受压力有较好的线性关系，能表现出很好的灵敏度；而第二极化压电片1031作为俘能器压电片，其制作材料选为pmn-pt，因其内阻小，能量密度大，从而更有利于能量的采集。

具体地，所述竖直通孔101内还可设有无线传输模块108，所述无线传输模块108的输入端与所述信号处理模块106的输出端电气连接，所述无线传输模块108的输出天线1081设置于所述封装壳体的表面上。

本实施例在传感器内部集成了无线传输模块108，可使传感器将采集到的压力信号通过有线和无线两种方式传输出去。

具体地，所述信号处理模块106可包括：电荷放大电路1061、低通滤波电路1062和mcu处理电路1063，所述电荷放大电路1061包括：放大器u1、放大器u2、放大器u3、放大器u4和放大器u5，所述低通滤波电路1062包括：放大器u6，所述mcu处理电路1063包括：mcu控制芯片u7；所述压力传感单元102的一个输出电极通过电阻r1与所述放大器u1的反相输入端相连，所述压力传感单元102的另一个输出电极通过电阻r2与所述放大器u2的反相输入端相连，所述放大器u1的反相输入端还通过电阻r3与所述放大器u1的输出端相连，所述电阻r3的两端并接有电容c1，所述放大器u2的反相输入端还通过电阻r4与所述放大器u2的输出端相连，所述电阻r4的两端并接有电容c2，所述放大器u1的同相输入端通过电阻r5接地，所述放大器u2的同相输入端通过电阻r6接地；所述放大器u3的同相输入端通过电阻r7与所述放大器u1的输出端相连，所述放大器u4的同相输入端通过电阻r8与所述放大器u2的输出端相连，所述放大器u3的输出端依次通过电阻r9、电阻r10和电阻r11与所述放大器u4的输出端相连，所述放大器u3的反相输入端与所述电阻r9和所述电阻r10之间的连线相连，所述放大器u4的反相输入端与所述电阻10和所述电阻r11之间的连线相连，所述放大器u3的输出端通过电阻r12与所述放大器u5的反相输入端相连，所述放大器u4的输出端通过电阻r13与所述放大器u5的同相输入端相连，所述放大器u5的同相输入端还通过电阻r14接地，所述放大器u5的反相输入端还通过电阻r5与所述放大器u5的输出端相连；所述放大器u5的输出端依次通过电阻r16、电阻r18与所述放大器u6的同相输入端相连，所述r16和所述电阻r18之间的连线通过电容c3接地，所述放大器u6的同相输入端还通过电容c4接地，所述放大器u6的反相输入端通过电阻r17接地，所述放大器u6的反相输入端还通过电阻r19与所述放大器u6的输出端相连，所述放大器u6的输出端与所述mcu控制芯片u7的输入端p_a/d相连；所述放大器u6的输入输出端口dio_7为所述mcu控制芯片u7的输入端p_a/d，所述mcu控制芯片u7的第一无线输出端rx_tx通过电容c5接地，所述mcu控制芯片u7的第二无线输出端rf_n通过电感l1与第一无线输出端rx_tx相连，所述第二无线输出端rf_n还通过电感l2与第三无线输出端rf_p相连，所述第三无线输出端rf_p还通过电容c7接地，所述第二无线输出端rf_n还依次通过电容c6、电感l4、电感l5与所述输出天线1081相连，所述电容c6和所述电感l4之间的连线通过电容c8接地，所述电感l4和所述电感l5之间的连线通过电容c9接地，所述电容c6和所述电感l4之间的连线还通过电感l3与所述第三无线输出端rf_p相连，所述mcu控制芯片u7的输入输出端口dio_5、输入输出端口dio_6分别为所述自供电压力传感器的有线输出端jtag_tdo、有线输出端jtag_tdi，所述mcu控制芯片u7的电源端vcc与3.3v电源相连。

在信号处理模块106中，电荷放大电路1061将压力传感单元102产生的电荷量转化为便于测量的电压信号，低通滤波电路1062将这个电压信号进行滤波和变压处理，再通过mcu处理电路1063中的mcu控制芯片u7的ad转换功能将电压信号转换为数字信号，并通过mcu控制芯片u7的计算处理得出压力信息，然后将压力信息通过无线或有线的方式输出。

更具体地，所述mcu控制芯片u7可为cc2650芯片。

cc2650芯片具有ad转换及zigbee无线通信的功能，再加上cc2650本身具有低功耗及超低功耗休眠的特点，很适合作为此传感器的mcu。

具体地，所述能量管理模块105可包括：能量管理芯片u31和锂电池bat；所述能量管理芯片u31的交流输入端ac1与所述压电俘能器单元103的一个输出电极相连，所述能量管理芯片u31的交流输入端ac2与所述压电俘能器单元103的另一个输出电极相连，所述能量管理芯片u31的电压输入端vin通过电容c31与所述能量管理芯片u31的电容连接端cap相连，所述能量管理芯片u31的电压输入端vin还通过电容c32接地，所述能量管理芯片u31的电压输入端vin2通过电容c33接地，所述能量管理芯片u31的电池充电使能端charge依次通过电阻r31、电容c34接地，所述能量管理芯片u31的变压输入端bb_in与所述电阻r31和所述电容c34之间的连线相连，所述能量管理芯片u31的变压输入端bb_in还与所述能量管理芯片u31的电池隔离开关输出端bat_out相连，所述能量管理芯片u31的备用电源输入端bat_in通过所述锂电池bat接地，所述锂电池bat的两端并接有电容c35；所述能量管理芯片u31的降压变压器开关端sw串接电感l1后与所述能量管理芯片u31的电压输出端vout相连，所述能量管理芯片u31的swa端子通过电感l2与所述能量管理芯片u31的swb端子相连，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout通过电容c36与所述能量管理芯片u31的超级电容公共端bal相连，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout通过电容c37接地，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout与所述能量管理芯片u31的的超级电容平衡器输入端scap相连，所述能量管理芯片u31的超级电容公共端bal还通过电容c38接地，所述能量管理芯片u31的逻辑参考点vin3通过电容c39接地，所述能量管理芯片u31的接地端gnd接地，所述能量管理芯片u31的电压输出端vout输出3.3v电压。

本实施例中的能量管理模块105负责把压电俘能器单元103获得的能量经过整流、滤波、变压等处理将电能存储起来，还负责控制对其他电路的供电。

具体地，所述能量管理芯片u31可为ltc3331芯片。

ltc3331芯片同时连接着压电俘能器单元103和锂电池bat。在压电俘能器单元103产生电能充足的情况下，可以在利用压电俘能器单元103获得的能量为整个电路系统供电的同时，给锂电池bat充电；在压电俘能器单元103产生电能不充足的情况下，能量管理芯片u31会调用锂电池bat来为整个电路系统供电。其中，能量管理芯片u31的引脚vout为电压输出端口，为整个系统提供电能。

本发明作为一种基于压电效应的可独立工作的压力传感器，由于其具有体积小，可直接输出压力的数字信号，不需要匹配相应的外部处理电路，可在复杂环境下工作，可编程升级等特点，此传感器可在物联网传感器节点等领域广泛使用，具有很大的应用前景。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。