用于真空计的电桥电压反转电路和具有该电压反转电路的压力计传感器的制作方法

用于真空计的电桥电压反转电路和具有该电压反转电路的压力计传感器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年5月15日提交的名为“用于真空计的电桥电压反转电路和该电桥电压反转电路的工作方法”的美国临时专利申请号62/848,326的权利，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及可以在目前的真空计(例如，wyde gauge
tm
)单元的模拟电路板中找到的传感器模拟前端电路，更具体地涉及在实现更好的工艺性的同时以更少的电路材料清单(bom)和更低的功耗来增强wyde gauge单元的模拟电路板的性能。基本概念还可以扩展到其他类型的量计。


背景技术：

4.在目前的真空计(例如，wyde gauge
tm
)模拟前端电子设计中，如图1所示，压力读数是出现在变压器电路的次级绕组的桥节点上的信号幅度的直接结果。然而，由于电压幅度和施加的压力之间的比例性质，因此在压力较低的情况下，信号放大通常是必要的，如图2所示。在真空压力或接近真空压力的情况下，信号放大倍数常常需要非常高，然后才能提交给模数转换器(“adc”)进行数字化。这种高水平的信号放大倍数产生了参考波和放大的信号波本身之间不可预测的相位关系以及有害的噪声注入和放大器非线性的问题。因此，希望在没有太多信号增益的情况下在真空状态下获得最佳的信号质量。
5.出现在电桥电压上的信号幅度取决于变压器的初级侧信号幅度以及由于压力变化而引起的传感器电容相对于参考电容的变化。这些问题的现有技术解决方案包括：
6.·
多个昂贵的增益/相位调整模块：
7.多个昂贵的增益/相位调整集成电路(ic)用于1)消除由于放大而引起的相位关系不确定性，以及2)在真空压力或接近真空压力的情况下微调参考电容器或使幅度“归零”。这些ic部件是必要的，因为它们是信号放大的直接结果，并且是在真空压力水平下匹配参考电容器和传感器电容器所必需的。
8.·
解决在每个放大十倍频程间的不连续性的复杂固件：
9.由于可变增益每次按离散的步骤以有限的增益放大，因此每个增益级之间的线性曲线段常常会由于转换点的不准确性而呈现不连续性。已经编写了许多固件代码来处理这类复杂情况。更糟糕的是，数字信号处理器(dsp)电路板中的微处理器必须知道特定放大倍数下的信号电平，否则会有信号幅度使下一个放大级饱和的风险。
10.·
由于低信噪比(snr)而引起的噪声信号和信号本身同时放大：
11.在真空压力水平下，有效snr非常小，通常当放大倍数很大时，adc不再“看到”纯正弦波，如图3所示。因此，信号质量由于放大和噪声而受到损害。不幸的是，在1托(torr)或更低的压力下工作的低压压力计会加剧这个问题。
12.·
信号平均：
13.由于低压压力水平下snr较差，因此需要增加数字域中信号平均的次数。这具有减缓压力瞬态响应的负面影响。
14.·
附加电路噪声注入：
15.除了可能沿信号路径引入的可变增益模块失真之外，还有可能在呈现给adc之前从诸如电源和地面等地方注入噪声。


技术实现要素：

16.需要对能够在目前的wyde gauge单元的模拟电路板上找到的现有传感器模拟前端电路进行改进。本文的实施方案实现了在实现更好的工艺性的同时以更少的电路bom和因此导致的更低的功耗来增强性能。实施方案特别针对具有挑战性的低压压力snr要求。与现有技术相比，实施方案在诸如工艺性、简单性和节省电路组件等方面提供了许多优势，同时保持了与其前身相比相同或更好的性能。此外，实施方案对于处于1托(1torr)或以下的满量程状态的低压压力计来说是极其有用的。与现有技术相反，实施方案在真空状态下提供了最佳的信号质量。
17.一种电桥电压反转电路的实施方案克服了现有技术的缺点，并提供了上述优点。这些优点及其他优点可以通过例如用于压力计的电桥电压反转电路来实现，该电桥电压反转电路包括：变压器，包括初级绕组和输出电桥电压的次级绕组；参考电容器，连接至变压器的次级绕组的第一侧；以及传感器电容器，连接至变压器的次级绕组的第二侧。传感器电容器感测并响应压力。当压力处于真空状态下时，传感器电容器的电容最小。选择参考电容器和传感器电容器，使得该处于真空状态下的传感器电容器的电容小于该参考电容器的电容。当压力处于真空状态下时，电桥电压处于最大幅度，并且该电桥电压处于最小幅度时的拐点(fold
‑
over)压力大于满量程压力。
18.该电桥电压反转电路还可以包括：电路，该电路输出：驱动变压器的参考信号；以及增益设置模块，该增益设置模块用于在变压器之前调整信号增益。该电桥电压反转电路还可以包括：模拟多路复用器，该模拟多路复用器接收并多路复用参考信号和电桥电压信号，并将所多路复用的信号输出给模数转换器。该电桥电压反转电路还可以包括：缓冲器，该缓冲器接收和缓冲电桥电压。该电桥电压反转电路还可以包括：功率运算放大器(opamp)驱动器，该功率运算放大器驱动器对参考信号进行放大。可以将放大的参考信号提供给变压器的初级绕组。该电桥电压反转电路还可以包括：放大器，连接至变压器的次级绕组，该放大器接收并放大电桥电压信号。传感器电容器可以是隔膜电容器。参考电容器的电容可以比满量程时传感器电容器的电容大10％。
19.这些优点及其他优点可以通过例如用于压力计的电桥电压反转电路来实现，该电桥电压反转电路包括：变压器，包括初级绕组和输出电桥电压的次级绕组；第一传感器电容器，连接至变压器的次级绕组的第一侧；以及第二传感器电容器，连接至变压器的次级绕组的第二侧。第一和第二传感器电容器感测并响应压力。当压力处于真空状态下时，第二传感器电容器的电容最小。选择第一传感器电容器和第二传感器电容器，使得该第二处于真空状态下的传感器电容器的电容小于该第一传感器电容器的电容。当压力处于真空状态下时，电桥电压处于最大幅度，并且该电桥电压处于最小幅度时拐点压力大于满量程压力。第
一传感器电容器和第二传感器电容器可以是隔膜电容器。
20.这些优点及其他优点可以通过例如压力计传感器来实现，该压力计传感器包括：变压器，包括初级绕组和输出电桥电压的次级绕组；第一电容器，其具有一端和另一端，在一端处施加压力，而另一端连接至变压器的次级绕组的第一侧；以及第二传感器电容器，其具有一端和另一端，在一端处施加压力，而另一端连接至变压器的次级绕组的第二侧。第一和第二传感器电容器感测并响应压力。当压力处于真空状态下时，第二传感器电容器的电容最小。选择第一传感器电容器和第二传感器电容器，使得该第二处于真空状态下的传感器电容器的电容小于该第一传感器电容器的电容。当压力处于真空状态下时，电桥电压处于最大幅度，并且该电桥电压处于最小幅度时拐点压力大于满量程压力。
附图说明
21.附图仅通过示例而非限制的方式描绘了根据本概念的一个或多个实施方式。在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
22.图1所示的是现有技术的wyde gauge
tm
真空计模拟前端电路的电路图。
23.图2所示的是图1的电路中电压幅度与施加的压力之间的关系图。
24.图3所示的是示出了来自现有技术的真空计的参考信号和噪声信号的曲线图。
25.图4所示的是用在真空计前端电路中的电桥电压反转电路的一个实施方案的电路图。
26.图5所示的是示出了来自图4所示的电桥电压反转电路的实施方案的参考信号和干净(clean)信号的曲线图。
27.图6所示的是图4的电路中电压幅度与施加的压力之间的关系图。
28.图7所示的是与多电极传感器一起使用的电桥电压反转电路的一个实施方案的电路图。
29.图8a和图8b所示的是采用电桥电压反转电路的示例性传感器的结构。
具体实施方式
30.在这节中，将参考附图更全面地描述本发明的一些实施方案，在这些附图中示出了本发明的优选实施方案。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被理解为仅限于本文所阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开全面且完整，并将本发明的范围传达给本领域的技术人员。相同的数字在全文中表示相同的元件，并且在可选实施方案中，撇号用于指示相似的元件。
31.本文描述了用于真空压力计/传感器的电桥电压反转电路的实施方案。电桥电压反转电路的实施方案在真空状态下提供了最佳的信号质量。如上所述，压力读数与电桥电压的信号幅度成比例；在参考电容器电流与传感器电容器电流之间的失配提供了压力读数。参考电容器为固定电容。当压力发生变化时，传感器电容器电桥电压的变化与压力变化成正比。在真空压力下，电桥电压的幅度由于噪声的存在而损失，并且很难依赖于在参考电容器和传感器电容器之间的失配。然而，在真空状态下获得最佳信号是最理想的。实施方案通过信号反转来实现这一期望，使得在真空压力下存在最大而不是最小的电容差(δc)。
32.目前，整个行业都在推动低压全量程(fs)压力计(例如，≤1torr)。这无疑给熟悉
高压压力计(例如，≥10torr)内部工作方式的传感器设计者提出了新的挑战。为了应对这一挑战，在不改变基本的基础感测电气架构的情况下，电桥电压反转电路的实施方案提供了一种具有反转幅度电桥电压(又名“ina”)的传感器电路。
33.现在参见图4，示出了一种真空压力计前端400的一个实施方案，其包括对电桥电压进行反转的电桥电路408。在真空压力计前端电路中，包括诸如图1所示的现有技术的电路，传感器电子器件由基于同轴电缆初级和次级绕组的变压器电路设计组成。该变压器电路设计形成了所谓的“电桥电路”408。本文中的术语“电桥”意指在变压器410的任一侧都有电感
‑
电容谐振电路。变压器410包括初级绕组421和次级绕组422。电桥电压从次级绕组输出。在电桥电路408的一侧，有接地的参考电容器412和来自变压器410的次级绕组的一半电感。在电桥电路408的另一侧，有接地的传感器电容器414(例如，电容随着压力增加而增加的传感器电容器)和来自变压器410的次级绕组422的另一半电感。参考电容器412连接至变压器410的次级绕组422的第一侧，而传感器电容器414连接至变压器410的次级绕组422的第二侧。传感器电容器414可以是隔膜电容器，但是可以是基于施加给电容器的压力改变电容的任何电容器。参考电容器412是具有恒定电容的固定电容器。如果电桥电路408每一侧的谐振电路的电感(l)值和电容(c)值相等，则电桥电压为零。每当电容值失配，就会产生幅度与电容失配量成正比的正弦波。
34.换句话说，压力和幅度之间的转换是通过压力、传感器电容(c
传感器
)、电容差(δc)和电桥电压的等级产生的。在如图1所示的现有技术的电路中，选择参考电容器和传感器电容器的电容值，使得电桥电压(v
幅度
)与压力成比例。例如，参考电容器的电容可以是c
参考电容器
，而处于真空状态下的传感器电容器的电容可以是c
传感器电容器
。因此，随着压力的增加，将产生正δc＝c
参考电容器
‑
c
传感器电容器
。在真空状态下，c
参考电容器
与c
传感器电容器
的电容差(δc)最高。这里的术语“满量程压力”指的是量计的精度规格仍然得到保证的最大压力。例如，当今市场上的许多量计的满量程在10托(torr)或100托(torr)范围内。
35.继续参见图4，在具有对电桥电压进行反转的电桥电路408的真空压力计前端400的实施方案中，选择参考电容器412和传感器电容器414的电容值，使得v
幅度
与压力成反比。例如，参考电容器的电容可以比满量程时传感器电容器的电容大10％。备选地，参考电容器412的电容(c
参考电容器
)可以比真空下传感器电容器414的电容(c
传感器电容器
)大百分之五十(50％)。备选地，参考电容器412的电容(c
参考电容器
)可以约为300pf，而真空下传感器电容器414的电容(c
传感器电容器
)可以约为200pf。传感器电容器414的电容随着传感器处的压力增加而增加。因此，在具有电桥电路408的真空压力计前端400的实施方案中，电容差(δc)在真空状态下将是最大负值，并且电容差(δc)在满量程压力下将接近零(0)。
36.正弦波用于驱动真空压力计前端400的实施方案。在实施方案中，需要保证信号频谱纯度，以便板载dsp引擎执行数字算法(例如，数字过滤掉v
参考波
和v
信号波
之间的“共模”噪声的算法)。由信号发生器402产生的正弦波信号通过增益设置模块404，该增益设置模块可用于调整信号增益。然后，该信号经过功率运算放大器驱动器406，以驱动变压器410。功率运算放大器驱动器406对该信号进行放大，并且，放大后的信号被提供给变压器410的初级绕组421。该信号还作为v
参考波
传递给真空压力计前端400的输出。
37.继续参见图4，电桥电路408的输出(即，电桥电压)可以由放大器(功率运算放大器驱动器)416放大，并且备选地作为v
信号波
通过具有v
参考波
的模数转换器(adc)420传递给板载
dsp引擎(未示出)。模拟多路复用器418接收参考正弦波和电桥电压信号，多路复用该参考正弦波和该电桥电压信号，并将所多路复用的信号输出到模数转换器。在所示的实施方案中，变压器410的绕组由屏蔽电缆(例如，同轴电缆)组成，其中中心芯线承载电桥电压信号v
幅度
，并且屏蔽层由具有中心芯线信号副本的单位增益缓冲器417驱动。这样做是为了通过产生该电流泄漏路径的电容来最大限度减少在中心导体和屏蔽层之间的泄漏电流。此外，屏蔽层还防止了外部电磁干扰(emi)源去干扰绕组中心导体的信号完整性。
38.在现有技术的真空压力计/传感器的情况下，对于诸如图1所示的电桥电路，需要额外的增益/相位调整和运算放大器电路来调谐电桥电压的幅度和相位。幅度和相位调整需求源于这样一个事实，即在电桥电压幅度最小的真空下，需要额外的信号增益来进行适当的模数(ad)转换。不幸的是，每当信号增益显著增加时，总是存在v
参考波
和v
信号波
之间的相位关系被改变的风险。由于v
参考波
和v
信号波
之间的相位关系变得不可预测，因此v
参考波
和v
信号波
之间的数字算法无法正常工作。利用图4所示的电桥电压反转电路的本实施方案，在最关键的压力水平下(即，在真空或接近真空的情况下)避免了这些问题，并且可以省略图1所示的附加增益/相位调整和可变增益电路。
39.现在参见图5，示出了v
参考波
(参考波)和v
信号波
(干净的较大信号波)的正弦波。与由图1中所示的现有技术的电桥电路产生的图2中所示的有噪声的小信号波相比，图5中所示的干净的较大信号波非常有利。
40.现在参见图6，所示的是图4所示的电桥电压反转电路的实施方案的电压幅度与施加的压力之间的电压
‑
压力关系图。与图3的电压
‑
压力关系图相比，我们可以看到电桥信号电压v
幅度
如何在真空状态下达到最大值(v
最大值
)，然后缓慢地降低到最小值(因为压力会导致c
传感器电容器
增加，直到c
参考电容器
约为c
传感器电容器
，这意味着δc接近0)。随着c
传感器电容器
变得大于c
参考电容器
，压力进一步增加，导致δc再次增加，直到在传感器电容器414短路(电容器极板接触)之前接近v
最大值
，如图6中的p
最大值
所示。如图6所示，根据c
参考电容器
和c
传感器电容器
之间的电容差δc的绝对值产生电桥电压。因此，对于c
参考电容器
和c
传感器电容器
，δc在真空状态下将为c
参考电容器
‑
c
传感器电容器
，当c
传感器电容器
在p
_fo
(拐点压力，fold
‑
over pressure)下接近c
参考电容器
时，δc将降至～0。当c
传感器电容器
增加到c
参考电容器
以上时，δc将会再次增加，因为c
传感器电容器
如本文所述继续增加。
41.如本文所述，电桥电压反转电路的实施方案除了在真空压力或接近真空压力的情况下具有更高的性能之外，还带来了几个额外的好处：
42.·
无需放大
43.ina模拟传感器电路不需要额外的放大级。这是电桥上幅度反转的直接结果，即压力增加时电压降低。由于电桥电压反转电路的实施方案在真空状态下会产生较高的电压，所以真空下的snr大大提高。
44.·
无需增益和相位调整
45.这里不再需要增益和相位调整，因为当压力降低时，电桥电压电路信号不需要放大，也不需要精确的电容匹配。
46.·
电压与压力的线性单调性得到了保证。
47.因为信号路径上没有离散的增益级，所以电压
‑
压力曲线可以是量计整个满量程范围内的一条连续曲线。这一特性避免了电压
‑
压力曲线按十倍频程的“拼接”，大大简化了固件设计。
48.·
提高snr
49.在低压压力下，信噪比大大提高，这可以从图5所示的电压
‑
压力曲线图中明显看出。随着压力稳定提高，电桥电压幅度(v
幅度
)减小。电桥电压幅度继续减小超过满量程标记p
_fs
(满量程压力)，当压力达到“拐(fold
‑
over)”点p
_fo
时，电桥电压幅度最终减小到零。经过拐点p
_fo
后，v
幅度
再次增加，直到到达v
最大值
。较高压力下减小的信号幅度不应降低较高压力下的读数误差百分比。
50.·
信号平均
51.由于在低压压力水平下随着v
幅度
处于或接近v
最大值
提高了信噪比(snr)，因此不需要不必要地增加数字域中信号平均的次数。
52.·
参考电容器的选择
53.在电路板组装过程中，参考电容器412需要在零幅度压力超过满量程的p
_fo
处与传感器电容器414匹配。p
_fo
相对于p
_fs
的精确位置可以足够灵活，以便可以在内置足够容差的情况下选择某个固定标准尺寸的电容器，只要p
_fo
大于p
_fs
。
54.·
工艺性
55.由于传统电容大小较容易采用，因此大大提高了传感器的工艺性。在真空压力水平下，不需要用于精确电容匹配的幅度调谐电路。
56.·
增益设置模块和短路保护
57.在电桥电压反转电路400的ina配置中，增益设置模块404用于调整变压器410的初级幅度。该增益设置模块404用于在压力传感器由于超压而短路的情况下允许对电桥电压幅度进行额外控制。将增益设置模块404用于短路保护的另一个好处是在超压情况下保持输送给参考电容器412的功率不变。
58.现在参见图7，电桥电压反转电路700的实施方案可以与多电极传感器一起使用。如图7所示，电桥电压反转电路700与两个传感器电容器712、714一起使用，而不是单个传感器电容器和参考电容器。由信号发生器702产生的正弦波信号通过增益设置模块704，该增益设置模块可用于调整信号增益。然后，该信号经过功率运算放大器驱动器706，以驱动变压器710。功率运算放大器驱动器706对该信号进行放大，并且，放大后的信号被提供给变压器710的初级绕组721。该变压器710的电路设计形成了电桥电路708。变压器710包括初级绕组721和次级绕组722。第一传感器电容器712和第二传感器电容器714是多电极传感器的一部分，并且两者都可以在压力变化时变化。第一传感器电容器712和第二传感器电容器714可以是隔膜电容器，但是可以是基于施加给电容器的压力改变电容的任何电容器。第一传感器电容器712连接至变压器710的次级绕组722的第一侧，而第二传感器电容器714连接至变压器710的次级绕组722的第二侧。在电桥电压反转电路700的实施方案中，第一电容器712在真空状态下的电容c
传感器电容器1
大于第二电容器714在真空状态下的电容c
传感器电容器2
。可以采用电桥电压反转电路700，因为条件c
传感器电容器1
>c
传感器电容器2
直到p
最大值
都始终成立。多电极的真空计传感器是不使用外部参考电容器的传感器结构。所有与传感器相关的电容都集成在传感器结构本身中。电桥电路708的输出(即，电桥电压)可以由放大器(功率运算放大器驱动器)716放大，并交替地传递给缓冲器717，该缓冲器接收并缓冲从变压器710输出的电桥电压。来自缓冲器717的输出电桥信号被传递给模数转换器(adc)720，并进一步传递给板载dsp引擎(未示出)。
59.现在参见图8a至图8b，示出了采用要求保护的本发明的电桥电压反转电路的示例性传感器的结构。图8a示出了示例性传感器的侧视图，图8b示出了传感器的前视图。传感器800包括内电容器801和外电容器802。因此，反转幅度(ina)方法不仅可以应用于传感器电容器/参考电容器传感器结构，如图4所示，而且该概念还可以拓展至具有集成多个电极的传感器，如图7所示。更具体地说，在具有同心圆结构(也可以是其他几何结构变体)的内外电极的情况下，如图8所示，内电极811(传感器电容器801)和外电极812(传感器电容器802)之间相对于公共接地平面的电容在制造过程中常常无法完全匹配。ina有意失配的方式非常适合这种类型的传感器电极结构。在图8所示的示例性传感器中，内电容器801可以对应于图7所示的第一电容器712，外电容器802可以对应于第二电容器714。两个传感器侧之间的电容差是基于许多其他因素(诸如隔膜的张力、在隔膜和电极之间的间距、每个电极的尺寸和形状等)的设计选择。因此，一般来说，两个电极的电容差越大，我们在真空条件下可能拥有的信号幅度就可能越大。
60.总之，生成与压力成反比关系的信号幅度的反转电桥电压幅度方法是wyde gauge
tm
平台的一部分。与现有技术相比，该方法在诸如工艺性、简单性和节省电路组件等方面提供了许多优势，同时保持了与其前身相比相同或更好的性能。此外，该方法将被证明对1托(torr)或以下满量程的低压压力计极其有用。
61.本文中使用的术语和描述仅通过举例的方式进行阐述，并不意味着限制。本领域的技术人员将认识到，在本发明的精神和范围内，可以有许多变化。