用于多路復用和緩沖微型傳感器陣列的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于多路復用和緩沖微型傳感器陣列的系統(tǒng)和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月5日提交的美國專利申請申請?zhí)枮镹0.13/785，742，發(fā)明名稱為“用于多路復用和緩沖微型傳感器陣列的系統(tǒng)和方法”的優(yōu)先權(quán)，其主題因此通過引用合并于本申請的全部內(nèi)容中。
技術(shù)領域
[0003]本發(fā)明涉及微型傳感器陣列的多路復用，尤其是微型傳感器陣列的緩沖。
【背景技術(shù)】
[0004]壓力傳感設備經(jīng)常被用于空氣動力學研究領域。壓力傳感設備可被用于多種用途，如風洞、飛行試驗和渦輪機械測試。例如，壓力傳感設備可在機翼的設計開發(fā)過程中被使用于風洞應用中。壓力傳感設備也可以被應用于飛行測試應用，其可圍繞導彈和在重要的發(fā)動機區(qū)域如進口、燃燒室和噴嘴，通過觀察一個試驗導彈監(jiān)視壓力情況。對于空氣動力研究，微型壓力測量儀器則可被用于合并單個傳感器中的壓阻式壓力傳感器陣列。這些微型儀器，也被稱為壓力掃描儀，其可合并產(chǎn)品的傳感器基板層的電子多路復用器，從而用于單個傳感器選配連接到附加的放大器或其他電子電路?，F(xiàn)有技術(shù)的微型壓力掃描儀包括精量電子公司制造的微型壓力掃描儀(如ESP-16HD、ESP-32HD和ESP-64HD微型壓力掃描儀)的ESP系列線和在日期為2009年8月的ESP壓力掃描儀使用手冊中描述的通過引用合并在其全部內(nèi)容中的主題。
[0005]在一個典型的應用中，隨著基于多路復用器的雙極和互補金屬氧化物半導體一般被認為用于掃描需要，數(shù)百個或者甚至數(shù)千個單體壓力傳感器在航天應用中被使用和監(jiān)視。對于壓力掃描儀而言，以越來越快的速度通過多路復用器圍繞這些傳感器掃描的需求已經(jīng)突出了一些涉及速度傳感器校正時間的問題。限制性因素包括多路復用器固定的電荷注入、電阻和電容特性，以及壓力傳感器相對較高的電源阻抗。特別是，在轉(zhuǎn)換的過程中，經(jīng)過多路復用器來自于每個壓力傳感器的多路復位信號引起了電壓尖峰。為了使信號線回到其真實值，從而創(chuàng)立一個準確的讀數(shù)，這些峰值必須校正和衰變。此外，通過觀察，壓力傳感設備應用在較高的環(huán)境溫度環(huán)境下，電壓尖峰所需的校正時間也在增加。
[0006]需要應用于微型電子壓力掃描儀替換的系統(tǒng)和方法，從而減少多路復用器電壓尖峰所需的校正時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—個微型壓力掃描系統(tǒng)可包括:多個包括多個傳感器輸出的微型壓力傳感器，每一個微型壓力傳感器包括至少一個可提供一個模擬輸出信號壓力傳感器輸出和至少每一個傳感器輸出具有一個相關的輸出阻抗；多個緩沖器，每個緩沖器和多個傳感器輸出中的一個電連接，并提供一個緩沖的傳感器輸出，每個緩沖器配置為減少與其電連接的一個傳感器輸出的相關的輸出阻抗；和至少每個所述緩沖器中的至少一個多路復用器下游被配置為多路復用模擬輸出壓力，從而為輸出到其他設備提供一個多路復用的模擬信號。
[0008]多個緩沖器可包括多個晶體管和多個偏壓電阻，與一個傳感器輸出電連接的每個緩沖器可包括多個晶體管中的一個和多個偏壓電阻中的一個。在一個實施例中，多個晶體管中的一個的和多個偏壓電阻中的一個兩者中的一個或兩個集成于緩沖中的微型壓力傳感器中的一個。在另一個實施例中，多個晶體管中的一個和多個偏壓電阻中的一個兩者中的一個或兩個可配置為安裝在微型壓力掃描系統(tǒng)中的基板上的裸芯片。多個晶體管中的每一個可為雙極面結(jié)型晶體管，場效晶體管、金屬氧化物半導體場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管中的一個。在一個實施例中，所述至少一個多路復用器可有至少16個輸入通道。所述至少一個多路復用器可被以50微秒每一次緩沖或無緩沖傳感器輸出或更快的速率操作轉(zhuǎn)換。每個緩沖器可配置為減少與其電連接的傳感器輸出的相關的輸出阻抗至少兩個數(shù)量級。
[0009]—種用于傳感壓力的方法可包括:使用多個包括多個傳感器輸出的微型壓力傳感器傳感壓力，多個微型壓力傳感器中的每一個具有至少一個用于提供模擬輸出信號的傳感器輸出和至少每一個傳感器輸出具有一個相關的輸出阻抗；對多個微型壓力傳感器中的至少一些中的至少一個傳感器輸出進行緩沖并提供一個緩沖的傳感器輸出，因此減少每個緩沖的傳感器輸出的相關的輸出阻抗；通過使用至少一個多路復用器對多個緩沖的傳感器輸出多路復用；對至少一個多路復用器里的通道之間進行轉(zhuǎn)換，從而讀取多個傳感器輸出的每個緩沖的傳感器輸出的模擬輸出信號。
[0010]對至少多個微型壓力傳感器中的一些中的至少一個傳感器輸出進行緩沖可包括使多個晶體管中的一個和多個偏壓電阻中的一個與每一個緩沖的傳感器輸出電連接。在一個實施例中，多個晶體管中的一個和多個偏壓電阻中的一個兩者中的一個或兩個被集成于緩沖的多個微型壓力傳感器中的基板。在另一個實施例中，多個晶體管中的一個和多個偏壓電阻中的一個兩者中的一個或兩個可配置為安裝在微型壓力掃描系統(tǒng)中的基板上的裸芯片。多個晶體管中的每一個與多個微型壓力傳感器中的一個電連接，多個微型壓力傳感器中的每一個可為雙極面結(jié)型晶體管，場效晶體管、金屬氧化物半導體場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管中的一個。所述至少一個多路復用器可有至少16個輸入通道。在另一個實施例中，對所述至少一個多路復用器的通道之間進行轉(zhuǎn)換可包括以50微秒每一次緩沖的傳感器輸出或更快的速率進行轉(zhuǎn)換。對微型壓力傳感器的至少一些中的至少一個傳感器輸出進行緩沖，可減少每個緩沖的傳感器輸出的相當?shù)妮敵鲎杩怪辽賰蓚€數(shù)量級。
[0011]微型壓力掃描系統(tǒng)可包括:一個包括多個傳感器輸出的娃壓阻式壓力傳感器陣列，每個壓力傳感器包括至少一個用于提供模擬輸出信號的至少一個傳感器輸出和具有一個相關的輸出阻抗；多個緩沖器，多個緩沖器中的每一個緩沖器被電連接到硅壓阻式傳感器陣列中的每一個的至少一個傳感器輸出信號，從而提供多個緩沖的傳感器輸出，每一個緩沖器包括多個晶體管中的一個和多個偏壓電阻中的每一個，且每個緩沖器被操作用于減少與之連接的傳感器輸出的輸出阻抗；和至少一個多路復用器與多個緩沖的傳感器輸出電連接，至少一個多路復用器在每一次緩沖的傳感器輸出之間被操作轉(zhuǎn)換。
[0012]在一個實施例中，每一個緩沖晶體管和緩沖偏壓電阻與相應的壓力傳感器電連接，并被配置為安裝在微型壓力掃描儀的基本上的裸芯片。在另一個實施例中，緩沖晶體管和緩沖偏壓電阻中的一個或兩個集成于相應的壓力傳感器，壓力傳感器的傳感器輸出的緩沖器在緩沖。所述至少一個多路復用器可具有至少16個輸入通道。所述至少一個多路復用器可以50微秒每一次傳感器輸出或更快的速率被操作轉(zhuǎn)換。在一個實施例中，每個緩沖器可被配置為減少連接的傳感器輸出的輸出阻抗至少兩個數(shù)量級。
【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中微型電子壓力掃描儀的示意性代表；
[0014]圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的在每個壓力傳感器輸出和多路復用器輸出之間的具有電壓緩沖器的微型電子壓力掃描儀的示意性代表；
[0015]圖3為示波器追蹤展示多路復用器的緩沖和無緩沖的輸出通道的校正時間的示例；
[0016]圖4為展示通過使用Initium數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在緩沖的和無緩沖的掃描儀的不同溫度下的原始A/D計數(shù)變化的采樣系統(tǒng)性能改進的圖表；
[0017]圖5為展示通過使用Initium數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在緩沖的和無緩沖的掃描儀的在80攝氏度下的原始A/D計數(shù)的采樣系統(tǒng)性能改進的圖表；
[0018]圖6為展示通過使用Initium數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在緩沖的和無緩沖的掃描儀的在80攝氏度下的原始A/D計數(shù)變化的采樣系統(tǒng)性能改進的圖表；
[0019]圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于測量壓力的方法的步驟的模塊圖；
[0020]圖8為微型電子壓力掃描儀的示例電路板的景貌圖；
[0021]圖9為示例微型電子壓力掃描儀的示意圖；
[0022]圖1OA為在示例微型電子壓力掃描儀中的示例壓力傳感器和緩沖器裝置的部分剖視圖，其中示例微型電子壓力掃描儀的晶體管和電阻緩沖元件被配置為裸芯片元件；
[0023]圖1OB為在示例微型電子壓力掃描儀中的示例壓力傳感器和緩沖器裝置部分剖視圖，其中示例微型電子壓力掃描儀的晶體管緩沖元件被配置為裸芯片和而電阻緩沖元件集成于傳感器；
[0024]圖1OC為在示例微型電子壓力掃描儀中的示例壓力傳感器和緩沖器裝置部分剖視圖，其中，示例微型電子壓力掃描儀的晶體管和電阻緩沖元件均集成于壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0025]圖1為精量電子公司制造的如ESP壓力掃描儀的微型電子壓力掃描儀100的示意性表示。這些微型電子壓力掃描儀包括多個微型電子差壓測量單元或壓力傳感器110A-1 1No在一