用于多路复用和缓冲微型传感器阵列的系统和方法
【专利说明】用于多路复用和缓冲微型传感器阵列的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月5日提交的美国专利申请申请号为N0.13/785，742，发明名称为“用于多路复用和缓冲微型传感器阵列的系统和方法”的优先权，其主题因此通过引用合并于本申请的全部内容中。
技术领域
[0003]本发明涉及微型传感器阵列的多路复用，尤其是微型传感器阵列的缓冲。
【背景技术】
[0004]压力传感设备经常被用于空气动力学研究领域。压力传感设备可被用于多种用途，如风洞、飞行试验和涡轮机械测试。例如，压力传感设备可在机翼的设计开发过程中被使用于风洞应用中。压力传感设备也可以被应用于飞行测试应用，其可围绕导弹和在重要的发动机区域如进口、燃烧室和喷嘴，通过观察一个试验导弹监视压力情况。对于空气动力研究，微型压力测量仪器则可被用于合并单个传感器中的压阻式压力传感器阵列。这些微型仪器，也被称为压力扫描仪，其可合并产品的传感器基板层的电子多路复用器，从而用于单个传感器选配连接到附加的放大器或其他电子电路。现有技术的微型压力扫描仪包括精量电子公司制造的微型压力扫描仪(如ESP-16HD、ESP-32HD和ESP-64HD微型压力扫描仪)的ESP系列线和在日期为2009年8月的ESP压力扫描仪使用手册中描述的通过引用合并在其全部内容中的主题。
[0005]在一个典型的应用中，随着基于多路复用器的双极和互补金属氧化物半导体一般被认为用于扫描需要，数百个或者甚至数千个单体压力传感器在航天应用中被使用和监视。对于压力扫描仪而言，以越来越快的速度通过多路复用器围绕这些传感器扫描的需求已经突出了一些涉及速度传感器校正时间的问题。限制性因素包括多路复用器固定的电荷注入、电阻和电容特性，以及压力传感器相对较高的电源阻抗。特别是，在转换的过程中，经过多路复用器来自于每个压力传感器的多路复位信号引起了电压尖峰。为了使信号线回到其真实值，从而创立一个准确的读数，这些峰值必须校正和衰变。此外，通过观察，压力传感设备应用在较高的环境温度环境下，电压尖峰所需的校正时间也在增加。
[0006]需要应用于微型电子压力扫描仪替换的系统和方法，从而减少多路复用器电压尖峰所需的校正时间。
【发明内容】
[0007]—个微型压力扫描系统可包括:多个包括多个传感器输出的微型压力传感器，每一个微型压力传感器包括至少一个可提供一个模拟输出信号压力传感器输出和至少每一个传感器输出具有一个相关的输出阻抗；多个缓冲器，每个缓冲器和多个传感器输出中的一个电连接，并提供一个缓冲的传感器输出，每个缓冲器配置为减少与其电连接的一个传感器输出的相关的输出阻抗；和至少每个所述缓冲器中的至少一个多路复用器下游被配置为多路复用模拟输出压力，从而为输出到其他设备提供一个多路复用的模拟信号。
[0008]多个缓冲器可包括多个晶体管和多个偏压电阻，与一个传感器输出电连接的每个缓冲器可包括多个晶体管中的一个和多个偏压电阻中的一个。在一个实施例中，多个晶体管中的一个的和多个偏压电阻中的一个两者中的一个或两个集成于缓冲中的微型压力传感器中的一个。在另一个实施例中，多个晶体管中的一个和多个偏压电阻中的一个两者中的一个或两个可配置为安装在微型压力扫描系统中的基板上的裸芯片。多个晶体管中的每一个可为双极面结型晶体管，场效晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的一个。在一个实施例中，所述至少一个多路复用器可有至少16个输入通道。所述至少一个多路复用器可被以50微秒每一次缓冲或无缓冲传感器输出或更快的速率操作转换。每个缓冲器可配置为减少与其电连接的传感器输出的相关的输出阻抗至少两个数量级。
[0009]—种用于传感压力的方法可包括:使用多个包括多个传感器输出的微型压力传感器传感压力，多个微型压力传感器中的每一个具有至少一个用于提供模拟输出信号的传感器输出和至少每一个传感器输出具有一个相关的输出阻抗；对多个微型压力传感器中的至少一些中的至少一个传感器输出进行缓冲并提供一个缓冲的传感器输出，因此减少每个缓冲的传感器输出的相关的输出阻抗；通过使用至少一个多路复用器对多个缓冲的传感器输出多路复用；对至少一个多路复用器里的通道之间进行转换，从而读取多个传感器输出的每个缓冲的传感器输出的模拟输出信号。
[0010]对至少多个微型压力传感器中的一些中的至少一个传感器输出进行缓冲可包括使多个晶体管中的一个和多个偏压电阻中的一个与每一个缓冲的传感器输出电连接。在一个实施例中，多个晶体管中的一个和多个偏压电阻中的一个两者中的一个或两个被集成于缓冲的多个微型压力传感器中的基板。在另一个实施例中，多个晶体管中的一个和多个偏压电阻中的一个两者中的一个或两个可配置为安装在微型压力扫描系统中的基板上的裸芯片。多个晶体管中的每一个与多个微型压力传感器中的一个电连接，多个微型压力传感器中的每一个可为双极面结型晶体管，场效晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的一个。所述至少一个多路复用器可有至少16个输入通道。在另一个实施例中，对所述至少一个多路复用器的通道之间进行转换可包括以50微秒每一次缓冲的传感器输出或更快的速率进行转换。对微型压力传感器的至少一些中的至少一个传感器输出进行缓冲，可减少每个缓冲的传感器输出的相当的输出阻抗至少两个数量级。
[0011]微型压力扫描系统可包括:一个包括多个传感器输出的娃压阻式压力传感器阵列，每个压力传感器包括至少一个用于提供模拟输出信号的至少一个传感器输出和具有一个相关的输出阻抗；多个缓冲器，多个缓冲器中的每一个缓冲器被电连接到硅压阻式传感器阵列中的每一个的至少一个传感器输出信号，从而提供多个缓冲的传感器输出，每一个缓冲器包括多个晶体管中的一个和多个偏压电阻中的每一个，且每个缓冲器被操作用于减少与之连接的传感器输出的输出阻抗；和至少一个多路复用器与多个缓冲的传感器输出电连接，至少一个多路复用器在每一次缓冲的传感器输出之间被操作转换。
[0012]在一个实施例中，每一个缓冲晶体管和缓冲偏压电阻与相应的压力传感器电连接，并被配置为安装在微型压力扫描仪的基本上的裸芯片。在另一个实施例中，缓冲晶体管和缓冲偏压电阻中的一个或两个集成于相应的压力传感器，压力传感器的传感器输出的缓冲器在缓冲。所述至少一个多路复用器可具有至少16个输入通道。所述至少一个多路复用器可以50微秒每一次传感器输出或更快的速率被操作转换。在一个实施例中，每个缓冲器可被配置为减少连接的传感器输出的输出阻抗至少两个数量级。
【附图说明】
[0013]图1为现有技术中微型电子压力扫描仪的示意性代表；
[0014]图2为根据本发明的一个实施例中的在每个压力传感器输出和多路复用器输出之间的具有电压缓冲器的微型电子压力扫描仪的示意性代表；
[0015]图3为示波器追踪展示多路复用器的缓冲和无缓冲的输出通道的校正时间的示例；
[0016]图4为展示通过使用Initium数据采集系统在缓冲的和无缓冲的扫描仪的不同温度下的原始A/D计数变化的采样系统性能改进的图表；
[0017]图5为展示通过使用Initium数据采集系统在缓冲的和无缓冲的扫描仪的在80摄氏度下的原始A/D计数的采样系统性能改进的图表；
[0018]图6为展示通过使用Initium数据采集系统在缓冲的和无缓冲的扫描仪的在80摄氏度下的原始A/D计数变化的采样系统性能改进的图表；
[0019]图7为根据本发明的一个实施例的用于测量压力的方法的步骤的模块图；
[0020]图8为微型电子压力扫描仪的示例电路板的景貌图；
[0021]图9为示例微型电子压力扫描仪的示意图；
[0022]图1OA为在示例微型电子压力扫描仪中的示例压力传感器和缓冲器装置的部分剖视图，其中示例微型电子压力扫描仪的晶体管和电阻缓冲元件被配置为裸芯片元件；
[0023]图1OB为在示例微型电子压力扫描仪中的示例压力传感器和缓冲器装置部分剖视图，其中示例微型电子压力扫描仪的晶体管缓冲元件被配置为裸芯片和而电阻缓冲元件集成于传感器；
[0024]图1OC为在示例微型电子压力扫描仪中的示例压力传感器和缓冲器装置部分剖视图，其中，示例微型电子压力扫描仪的晶体管和电阻缓冲元件均集成于压力传感器。
【具体实施方式】
[0025]图1为精量电子公司制造的如ESP压力扫描仪的微型电子压力扫描仪100的示意性表示。这些微型电子压力扫描仪包括多个微型电子差压测量单元或压力传感器110A-1 1No在一