一种微型化传感信号采集处理芯片及其工作方法与流程

1.本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种微型化传感信号采集处理芯片及其工作方法。


背景技术：

2.随着物联网新兴产业的飞速发展，和人们对空气环境质量的日益关注，气体传感器的应用需求飞速增长。现有的气体传感器主要包括半导体型、催化燃烧型、电化学型、红外吸收型和光声光谱型等种类。其中，半导体型、催化燃烧型、电化学型气体传感器在使用过程中对气体的选择性较差，并且不同气体之间存在交叉干扰。红外吸收型气体传感器基于气体分子对于特定波长红外光的选择性吸收原理工作，其气体选择性好，能对气体实现指纹特征式识别，现有的红外吸收型气体传感器可以分为两类，一类是采用小型宽谱红外光源和红外吸收型探测器制成的红外气体传感器，这种红外气体传感器的体积较小、但测量精度较低，通常检测下限仅能低至数百ppm；另一类是采用窄带激光光源和红外吸收型探测器制成的激光直接吸收光谱型气体传感器，例如可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunablediode laser absorption spectroscopy，tdlas)，通常检测下限能低至ppb级。
3.光声光谱型气体传感器通常被称为间接吸收光谱型气体传感器，其检测方式是通过测量待测气体在被激光激励后产生的声音信号来获取包含待测气体浓度信息的信号。光声光谱气体传感技术被广泛应用于痕量气体检测，具有零背景特性产生的高灵敏度、输出信号便捷、选择性强的优势。光声光谱型气体传感器中常采用微音器(也称拾音器、麦克风、声学换能器等)对气体吸收调制红外光后产生的声音信号进行探测，由于声音信号通常较为微弱，因此需要采用高性能采集处理电路来实现对微音器输出信号的锁相放大，进而实现传感信号的精准分析，从而提高传感器的测量精度。目前，可实现高精度锁相放大的采集处理电路通常采用传统pcb板或者仪器分析，导致体积较大，不利于光声光谱型气体传感器的小型化。


技术实现要素：

4.为解决现有光声光谱型气体传感器中微音器输出信号采集处理电路的不足，实现低功耗、微型化的要求，本发明提供了一种微型化传感信号采集处理芯片及其工作方法。
5.在第一方面，本发明提供了一种微型化传感信号采集处理芯片，包括高密度基板和封装管壳，高密度基板背面设有bga植球，高密度基板正面设有辅助元件和核心元件，辅助元件包括电阻和电容，核心元件包括差分器、抗混叠滤波器、模拟/数字转换器、微处理器、存储器和晶振，封装管壳安装在高密度基板正面上方形成密封腔，其中：
6.差分器，用于对输入信号进行信号差分和放大，得到差分信号；
7.抗混叠滤波器，用于滤除差分信号中的混叠频率，得到滤波信号；
8.模拟/数字转换器，用于将抗混叠滤波器输出的滤波信号转换为数字信号；
9.微处理器，用于采集数字信号并通过算法程序对数字信号进行锁相放大，提取出
特征信号；
10.晶振，用于为微处理器提供时钟信号；
11.存储器，用于存储微处理器的数据。
12.进一步的，差分器接收的输入信号是利用两路mems微音器芯片采集的信号，或者采用4路mems构成全桥或半桥电路，在全桥或半桥电路中选取信号点输入差分器。
13.进一步的，高密度基板正面上的各核心元件采用的芯片类型为：
14.差分器采用封装的差分放大集成电路芯片或差分放大集成电路芯片裸片；
15.抗混叠滤波器采用封装的低通滤波电路芯片或低通滤波电路芯片裸片；
16.模拟/数字转换器采用封装的模数转换集成电路芯片、模数转换集成电路芯片裸片或带模拟/数字转换模块功能的微处理器；
17.微处理器采用封装的微处理器芯片或微处理器芯片裸片；
18.存储器采用封装的存储器芯片或晶振芯片裸片。
19.进一步的，在高密度基板正面安装用于提供电源的稳压电源，稳压电源采用封装的稳压电源芯片或稳压电源芯片裸片。
20.进一步的，各核心元件和稳压电源的芯片封装方式为sop封装、plcc封装或qfp封装。
21.进一步的，高密度基板为树脂基板、ltcc基板、htcc基板或si基基板。
22.进一步的，高密度基板的输出引脚为bga焊球、pga插针或金属焊盘。
23.进一步的，封装管壳采用金属、陶瓷或其他常规管壳封装材料。
24.在第二方面，基于第一方面提出的微型化传感信号采集处理芯片，提供了一种微型化传感信号采集处理芯片的工作方式，包括以下步骤：
25.s1.差分器对两路mems微音器芯片采集的信号进行差分放大，得到差分信号；
26.s2.抗混叠滤波器对差分信号进行低通滤波处理，得到滤波信号；
27.s3.模拟/数字转换器将抗混叠滤波器输出的滤波信号转换为数字信号；
28.s4.微处理器对数字信号进行锁相放大，并提取出特征信号。
29.本发明的有益效果：
30.本发明提供了一种微型化传感信号采集处理芯片，该芯片采用芯片级高密度互联基板实现核心元件与辅助元件的一体化集成，能够实现信号差分、低通滤波、模数转换、锁相放大等功能，帮助光声光谱型气体传感器输出气体浓度信号值，实现传感信号的精准分析，从而提高传感器的测量精度，同时，该芯片具有体积小、精度高、方便快捷的使用特点，有利于光声光谱型气体传感器的小型化。
附图说明
31.图1为本发明的微型化传感信号采集处理芯片的框图；
32.图2为本发明的微型化传感信号采集处理芯片高密度集成俯视图；
33.图3为本发明的微型化传感信号采集处理芯片高密度集成左视图；
34.图4为本发明的光源在反应腔室内部的光声光谱气体传感器示意图；
35.图5为本发明的光源在反应腔室外部的光声光谱气体传感器示意图
36.图6为本发明实施例的双排bga示意图；
37.图7为本发明实施例的环形bga示意图；
38.图8为本发明实施例的多圈环形bga示意图。
具体实施方式
39.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
40.为解决现有光声光谱分析中需要仪器级锁相放大模块才能对光声信号进行分析处理的问题，本发明提出微型化、芯片化的传感信号采集处理芯片，在保证光声光谱型气体传感器高精度、高选择性等性能的同时，能为其小型化奠定重要技术基础，还可以为传感器提供标定算法的硬件平台以及数字化的输出结构，在写入标定算法后可以输出气体传感器浓度值的模拟与数字信号。
41.一种微型化传感信号采集处理芯片，如图1、2所示，所述微型化传感信号采集处理芯片包括高密度基板和封装管壳，高密度基板背面设有bga植球，用于实现信号输入输出，封装管壳安装在高密度基板正面上方，与高密度基板共同构成一个密封腔，在密封腔内，高密度基板正面设有辅助元件和核心元件，辅助元件包括电阻和电容，核心元件包括差分器、抗混叠滤波器、模拟/数字转换器、微处理器、存储器和晶振，辅助元件与核心元件通过规划设计合理的走线，在高密度基板上实现一体化高密度集成，其中：
42.差分器，全称为差分放大器，用于对输入信号进行信号差分和放大，得到差分信号，能够提高信号的抗干扰能力，防止偶次谐波；
43.抗混叠滤波器，用于解决差分信号中的频率混叠现象，在对差分信号进行离散化采集前，采用低通滤波式的抗混叠滤波器，滤除高于1/2采样频率的频率成份，得到低通滤波后的差分信号，即滤波信号；
44.模拟/数字转换器，用于将抗混叠滤波器输出的滤波信号转换为数字信号；
45.微处理器，用于采集数字信号并通过算法程序对数字信号进行锁相放大，提取出特征信号，实现对待测气体浓度的检测；
46.晶振，用于为微处理器提供时钟信号；
47.存储器，用于存储微处理器的数据。
48.具体地，为了为了保证芯片后续使用过程中便于平整焊接，bga植球可采用双排bga、环形bga或者多圈环形bga，如图6-8。
49.具体地，光声光谱型气体传感器中，为了降低mems微音器芯片的零点漂移、环境噪声干扰等，通常采用两路mems微音器芯片进行信号采集，环境的温度、湿度、噪声等扰动对两路mems微音器的影响是一样的，其中第一路mems微音器芯片放置于光声光谱型气体传感器的气体-红外光反应腔室中，将其作为探测端探测气体吸收红外光后产生的声音信号；第二路mems微音器芯片放置于光声光谱型气体传感器中的独立空间内，作为参比端不探测气体吸收红外光后产生的声音信号，通过对两路mems做差值，可以把这一部分扰动减掉，只留下有效信号。
50.光声光谱型气体传感器在气体检测过程中，通常采用特定的调制周期对光源进行
调制，使得光源发出对应周期的红外光，光源可以设置在光声光谱型气体传感器的气体-红外光反应腔室内，也可以设置在光声光谱型气体传感器的气体-红外光反应腔室外部，通过开设的光窗照射待测气体，如图4、5所示，同时，待测气体在光声光谱型气体传感器的气体-红外光反应腔室中吸收周期性红外光后，第一路mems微音器芯片探测得到的声音信号为周期性的信号。
51.微型化传感信号采集处理芯片中的差分器接收两路mems微音器芯片采集的信号作为输入信号，该输入信号为周期信号，其经过抗混叠滤波器、模拟/数字转换器后输出的信号仍为周期信号。
52.具体地，差分器采用封装的差分放大集成电路芯片，为减少体积可采用sop封装、plcc封装、qfp封装或其他微型化封装；或者采用差分放大集成电路芯片裸片。
53.具体地，抗混叠滤波器采用封装的低通滤波电路芯片，为减少体积可采用sop封装、plcc封装、qfp封装或其他微型化封装；或者采用低通滤波电路芯片裸片。
54.具体地，模拟/数字转换器采用封装的模数转换集成电路芯片，为减少体积可采用sop封装、plcc封装、qfp封装或其他微型化封装；或者采用模数转换集成电路芯片裸片；若微处理器带有模拟/数字转换模块功能，就不再需要单独再放一块模拟/数字转换芯片。
55.具体地，微处理器采用封装的微处理器芯片，为减少体积可采用sop封装、plcc封装、qfp封装或其他微型化封装；或者采用微处理器芯片裸片；典型的微处理器可采用arm cortex-m系列微控制器，也可使用dsp芯片、fpga芯片以及其他数字信号处理芯片等。
56.具体地，存储器采用封装的存储器芯片，为减少体积可采用sop封装、plcc封装、qfp封装或其他微型化封装；或者采用存储器芯片裸片。
57.具体地，晶振采用封装的晶振芯片，为减少体积可采用sop封装、plcc封装、qfp封装或其他微型化封装；或者采用晶振芯片裸片。
58.优选地，为给微型化传感信号采集处理芯片中的元件提供必要的电源，可以在高密度基板正面安装稳压电源，稳压电源采用封装的稳压电源芯片，为减少体积可采用sop封装、plcc封装、qfp封装或其他微型化封装；或者采用稳压电源芯片裸片；由于使用场景的不同，也可不在高密度基板正面安装稳压电源，而是在外部为微型化传感信号采集处理芯片提供必要电源信号。
59.具体地，微型化传感信号采集处理芯片中的电阻电容采用0603封装、0402封装、0201封装或者其他更小尺寸的封装形式。
60.具体地，芯片级高密度互联基板(高密度基板)采用树脂基板、ltcc基板、htcc基板、si基基板或者其他微型化的基板；高密度基板的输出引脚采用bga焊球、pga插针或者金属焊盘输出等方式。
61.具体地，封装管壳采用金属、陶瓷或其他常规管壳封装材料。
62.一种微型化传感信号采集处理芯片的工作方式，包括以下步骤：
63.s1.差分器对两路mems微音器芯片采集的信号进行差分放大，得到差分信号；
64.s2.抗混叠滤波器对差分信号进行低通滤波处理，得到滤波信号；
65.s3.模拟/数字转换器将抗混叠滤波器输出的滤波信号转换为数字信号；
66.s4.微处理器对数字信号进行锁相放大，并提取出特征信号。
67.具体地，光声光谱型气体传感器中常采用微音器对气体吸收调制红外光后产生的
声音信号进行探测。为了降低信号噪声，通常采用两个微音器进行差分。将一个微音器对气体吸收调制红外光后产生的声音信号进行探测，另一个微音器通过则不探测该声音信号，仅用于环境补偿。
68.两路微音器与差分器实现电气连接，两路微音器的原始信号芯片输入到差分器后得到一路差分后的差分信号，该信号由于是两路微音器的差分信号，仅与气体吸收调制红外光后产生的声音信号成正比例关系，可以有效防止环境温度、噪声等变化对于气体吸收调制红外光后产生的声音信号探测的影响。
69.后续分别经过滤波器、模拟/数字转换器、微处理器处理后，差分信号中可分离出特征信号。该特征信号是指气体吸收调制红外光后产生的声音信号的数字值，光声光谱气体传感器在使用本芯片解算出特征信号后，经过简单的标定可对应分析出待测气体的浓度信号。
70.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
71.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。