CN101228422A - 介质隔离式绝对压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种方法和介质－隔离式绝对压传感器装置包括：第一传感器(101)，以测量隔离介质(P1)和第二介质(Pa)之间的压力差。第二传感器(103)测量第二介质(Pa)的绝对(相对于真空)压力。每个传感器(101，103)具有它自身的偏移和斜率响应。均衡器(217，219)匹配所述传感器(101，103)的所述斜率，其中求和电路(225)可以将所述基本相同的斜率输出相加，以提供表示所述隔离介质(P1)的绝对压力测量的输出信号(227)。还可以提供每个传感器的偏移和温度补偿。

Description

介质隔离式绝对压力传感器
技术领域
本发明通常涉及压力传感器的领域，具体地涉及介质隔离式绝对压力传感器。
背景技术
在现代的汽车系统中，经常期望测量位置处的绝对压力。例如，期望测量EGR(废气回流)系统中的锐边孔上的压力，以确定流动。通常，在这种情况下，介质可以非常粗糙。由于这种不利的环境，期望可以从与介质隔离，文中的介质为废气，以确保通常基于半导体的传感器能保持良好，并长时间内能合适地工作。
绝对压力传感器通常被构成为传感器的内腔是真空的，并具有施加到它们的顶侧的感应压力。该侧可以被识别为包含用于互连的东西(金属线焊接点、丝焊等)。可以推想该顶侧对化学/物理污染较为敏感，该污染可对传感器的操作有不利的影响，导致传感器准确度的严重退化或甚至灾难性故障。
一个保护传感器的顶侧的现有技术解决方案是使用特殊的半导体薄膜(例如，氮化物钝化)和外部薄膜或胶质体。这种保护具有限制性。例如，尽管有保护，但诸如车辆的废气的极端介质，仍可以损害感应元件。
另一种隔离介质与传感器的现有技术方法是使用不锈钢隔板，用于感应由油耦合到基于压力传感器的传统半导体的压力。该不锈钢隔板在粗糙的介质和压力传感器之间提供必要的隔离，并且油提供压力到压力传感器的转移。该方法中使用的油介质给压力测量增加了误差，因为在制造工艺中消除所有气穴是困难的或者不现实的。这些气穴给感应介质粗糙压力的不锈钢隔板和实际压力传感器之间的压力转移增加误差。此外，该油压转移性能随着增加的温度和时间退化，这是因为油粘度和漏油量的变化。而且，难以使用该注油方法来制造，因为油需要在不锈钢隔板和压力传感器之间被气密封。
另一种现有技术方法通过在气密封的真空容器中封入差压传感器来隔离介质。用这种方法，基准压力保持在零，而从传感器后侧施加感应压力。由密封硅组成的感应元件的后侧不受感应介质的影响。然而，这种解决方案是昂贵的，可能泄漏，并且不适合批量生产。
需要改进的介质隔离式绝对压力传感器，其更精确、更容易制造、低成本，并具有时间和温度变化上的改进的运行性能。
附图说明
本发明的特征被认为是新颖的，在所附权利要求中进行了详细的阐述。通过参考以下说明和附图，可以最好地理解本发明和它的其他目的和优点，图中相同的参考标号表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明的安装在共有组件上的第一和第二压力传感器的横截面图；
图2是示出用于转换图1所示的压力传感器提供的信号以形成绝对压力传感器的结构关系的系统框图；
图3是示出用于转换图1所示的压力传感器提供的信号以形成绝对压力传感器的结构关系的可选实施例的系统框图；
图4是传感器的响应斜率的图形表示；以及
图5是示出根据本发明的优选实施例的方法的流程图。
具体实施方式
本发明描述了使用两个差分的和绝对的传感元件的方法和装置。通过合适的信号调节来实现绝对感应。感应的绝对压力被施加到差分传感器的背侧，因此可实现介质隔离，并且粗糙的介质可被施加到其上。结果，本发明提供了一种更精确、更容易制造、低成本和具有时间和温度变化上的改进场性能的绝对压力传感器。
介质隔离式绝对压力传感器装置和相应的方法结合了由第一压力传感器提供的第一信号和由第二压力传感器提供的第二信号，所述第一信号表示施加至第一压力传感器上的第一压力和第二压力之间的差，所述第二信号表示施加至第二压力传感器上的第二压力和基本真空之间的差。结合第一和第二信号以形成绝对压力传感器。响应于压力区域或压力范围，第一信号具有不同于第二信号的斜率响应的斜率响应。这在一个传感器是差分传感器而另一个是绝对传感器时是尤其明显的。均衡(斜率校准)电路启用第一信号的斜率响应的调整，以对应于第二信号的斜率响应，并且提供了取决于该调整后的斜率响应的斜率调整后的第一信号。求和电路提供了取决于斜率调整后的第一信号和第二信号的输出信号，其中该输出信号表示第一压力传感器和第二压力传感器之间感应的绝对压力，其相对于真空而言，使得该系统成为绝对压力传感器。
本发明的特征包括提供了使得能够结合两个压力传感器以形成绝对压力传感器的结构，该绝对压力传感器的关键元件与粗糙介质隔离。而且，该结构使得能够补偿与每个传感器关联的量程误差和偏移误差。给定该教导，该结构可以被容易地扩展为包括多于两个的传感器。通过对附图的参考，可以更好地理解本发明的这些和其它优点。
图1是根据本发明的安装在共有组件上的第一和第二压力传感器的横截面图。第一压力传感器101和第二压力传感器103两个都被安装在共有传感器组件100中。优选地，这些压力传感器101和103是由硅构成的，并由压阻类型构成。第一压力传感器101经由端口109附着到外壳105。这可以通过使用薄层粘合剂107(例如RTV粘合剂)或其它方式实现，该粘合剂被配置在外壳上，外壳例如塑料、陶瓷或金属外壳，以及其中传感器101然后被施加到粘合剂。可选地，该传感器可以静电结合至放置在外壳上的玻璃基座，并且使用焊接或可选地使用粘合剂107将玻璃基座结合到105。连接线111将传感器101电连接到也结合至外壳上的信号处理电路113。应该注意，实际上可以存在多条连接线，但为了清楚只示出一条。
第二压力传感器103被在真空下阳极(静电)结合至玻璃或硅基座104，以在其中封装基本上的真空121。然后使用这里描述的或该领域公知的各种技术的任何一个，将基座104附着到外壳105。例如，使用粘合剂薄层将玻璃基座104附着到外壳105。使用的这种粘合剂或焊接技术应该被选择以提供到外壳105的持久结合，无论该外壳105使用什么材料。连接线111将第二传感器103电连接到也结合至外壳的信号处理电路113。应该注意，实际上可以存在多条连接线，但为了清楚只示出一条。
以上所述的结构被封装在外壳105中。该外壳105可以是气密封的外壳。然而，本发明最经济的实施方式是外壳向空气(PA)开口，因此外壳可以由低成本热固或热塑塑料组成。事实上，整个外壳只需要由基底部分组成。参考数字110表示传感器组件100的无保护侧，而参考数字120表示受保护侧，或传感器组件100的介质隔离侧。该无保护侧110被认为是无保护的，因为如果受保护侧120上的粗糙介质被暴露给连接线111，其将化学腐蚀连接线111，并且该连接线将快速损坏和破坏。传感器组件的受保护侧120被认为是受保护的，因为端口将被密封并且与要测量的粗糙介质隔离。两个压力传感器的无保护侧110不被暴露给粗糙介质。
第一压力Pl117被施加到第一压力传感器101的受保护侧120上的压力口109。第二压力PA 119，通常为环境压力，被提供在传感器组件的无保护侧110上，并且为第一和第二压力传感器101和103所共有。基本真空121包含在第二传感器内。信号处理电路113用于结合和处理来自这两个压力传感器101和103的输出，如图2和图3详细所示。电路113也具有向外到包装(未示出)的连接，以输出绝对压力信号到其它电路，如果需要的话。
图2和图3是示出用于转换由图1所示的压力传感器101和103提供的信号的可选关系的系统框图，其用于形成提供输出信号227的绝对压力传感器，该输出信号227的响应取决于第一传感器压力(P1-PA)和第二传感器压力(PA-0)的总和。因为该总和现在以真空为参考，该总和提供了绝对压力P1。应该注意，表示图2和图3所示的结构的电路可以被物理结合在图1的信号处理电路113上。
因为压力P1117和PA 119被施加到传感器组件100，第一压力传感器101的压阻器件输出第一信号207、209，其表示施加至第一压力传感器101上的第一压力P1117和第二压力PA 119之间的差异。第二压力传感器103的压阻器件提供第二信号213、215，其表示施加至第二压力传感器103上的第二压力PA 119和真空(PA-0)之间的差异，从而产生PA的绝对度量。一般，这两个信号207、209和213、215在压力区域上具有不同的斜率，因为制造过程的目前工艺水平不允许制造的传感器具有完全相同的斜率。另外，差分传感器101将经受与绝对压力传感器103不同的压力区域。因此，在一定压力范围上，第一信号207、209以斜率进行响应，而在不同的压力范围上，由第二压力传感器103提供的具有第二信号213、215以不同于第一压力传感器101提供的斜率的斜率进行响应(见图4)。合成输出信号227中的重要步骤是两个压力传感器101、103.提供的两个信号207、209和213、215的斜率响应的匹配。
均衡电路(斜率调整电路)217调节第一压力传感器信号207、209并提供斜率调整后的第一信号221。另一个均衡(斜率调整)电路219调节第二压力传感器信号213、215并提供斜率调整后的第二信号223。在最小实现中，只有第一斜率调整电路217是必要的，因为只需要调整第一压力传感器信号207、209的斜率，以匹配第二压力传感器信号213、215的斜率，因此第二压力传感器信号213、215的斜率可以是固定的。在这种情况下，斜率调整后的第一信号221的斜率响应被调整，以与第二压力传感器信号213、215.的斜率响应相对应。在优选实施例中，第二压力传感器信号213、215的斜率也可以被调整，并且从斜率调整电路219提供斜率调整后的第二信号223，以提供制造该传感器100中的另一自由度。
接着，通过求和电路225将斜率调整后的第一信号221加上斜率调整后的第二信号223。为了了解结合该斜率调整后的第一信号221和该斜率调整后的第二信号223的相关方面，下面参考图1和图4简要说明确定该结合的公式。
该斜率调整后的第一信号221的响应可以表示为：
Vd1＝offset1+m1(P1-PA)
其中Vd1是第一传感器的输出信号(在这种情况下是电压)，offset1是从第一压力传感器101得到的斜率调整后的第一信号221的压力独立(常数)项，而m1是从第一压力传感器101得到的斜率调整后的第一信号221的压力斜率。P1-PA是施加至第一压力传感器101上的压力差，P1 117从受保护侧120施加，而PA 119从无保护侧110施加。
该斜率调整后的第二信号223的响应可以表示为：
Vd2＝offset2+m2(PA-0)
其中Vd2是第二传感器的输出信号(在该示例中还是电压)，offset2是从第二压力传感器103得到的斜率调整后的第二信号223的压力独立(常数)项，而m2是从第二压力传感器103得到的斜率调整后的第二信号223的压力斜率。PA-0是施加至第二压力传感器103上的压力差，而PA 119从与真空121相对的无保护侧110施加，从而得到绝对压力测量。
如果用这样的方法进行调整，即m1＝m2＝m，则利用求和电路225执行的斜率调整后的第一信号221和斜率调整后的第二信号223的相加将产生合成信号V＝Vd1+Vd2，其依赖相对于真空的第一压力P1117。另外，信号V完全独立于第二压力Pa 119，该第二压力为第一压力传感器101和第二压力传感器103所共有。因此建立只响应受保护侧120压力的绝对压力传感器。该确定性的结果可以用以下公式表示。
V＝Vd1+Vd2＝offset1+offset2+m(P1-0)
如上所述，求和电路225提供必要的斜率调整后的第一信号221和斜率调整后的第二信号223的相加。另外，求和电路225可以被耦合到偏移温度补偿电路237，其允许可以同时进行对两个压力传感器101和103的偏移项的温度补偿。而且，求和电路225具有用于调整基准温度处的总回路增益和偏移的装置。
图2和图3所示的框图的额外的部件是电压范围温度补偿电路，其包括耦合到第一和第二压力传感器101、103中的每一个的网络229和网络233。这些可以包括耦合在电源信号203、205之间的电阻，如图2所示，或其它温度补偿网络，如图3所示。电压范围是传感器可以感应的最低和最高压力之间展现的电压的范围。该范围温度补偿电路203、229、233和205同时提供对第一和第二压力传感器101、103的范围温度补偿。从范围温度补偿电路203、229、233和205得到的参考数字231和235表示的信号被提供给偏移温度补偿电路237，该偏移温度补偿电路随后提供组合的偏移范围温度补偿信号239。
传感器的所有偏移量、斜率、范围和温度性能可以在制造过程中确定，并在发送以提供必要补偿之前编程到信号处理电路113中，从而提供精确的绝对压力传感器。该信号处理电路可以使用模拟或优选地数字技术，以提供均衡、偏移、范围和温度补偿。在实践中，整个传感器组件100暴露于两个不同温度，以确定传感器的偏移量和斜率、温度性能和漂移。
参考图5，本发明还提供一种方法，用于提供隔离的介质的绝对压力测量。该方法包括第一步骤400：提供由压阻器件组成的第一压力传感器，可操作该压阻器件来测量施加至第一压力传感器上的第一压力和第二压力之间的第一压力差，如上详述的。该第一压力传感器通过提供具有关于第一压力差的第一斜率响应的第一输出，来响应第一压力差。类似地，第二压力传感器由压阻器件组成，可操作该压阻器件来测量施加至第二压力传感器上的第二压力和基本真空之间的第二压力差。该第二压力传感器通过提供具有关于第二压力差的第二斜率响应的第二输出，来响应第二压力差。
下一步骤402包括施加范围温度补偿和调整第一和第二传感器中的至少一个的斜率响应，使得第一斜率基本与第二斜率相同。优选地，调整第一信号和第二信号的斜率响应。
下一步骤404包括提供第一和第二传感器的至少一个调整后的输出。
下一步骤406包括从相应的第一和第二传感器输出减去第一和第二偏移。
下一步骤408包括施加从第一和第二压力传感器得到的偏移-温度，以提供第一和第二传感器的偏移-范围温度-补偿。
下一步骤410包括对与第一和第二传感器关联的基本相同的斜率输出求和，使得提供表示第一压力的绝对压力测量的输出信号。
总之，已经详细讲述了一种改进的介质-隔离式绝对压力传感器，其更精确、更容易制造和具有更好的时间和温度变化上的场性能。它通过用更简单的差分/绝对传感器结构替代密封介质隔离技术来克服了现有技术方法的不足。而且，用于校准多个传感器并结合它们的输出以电子形成绝对信号的简化方法提供了相当可观的可制造性和场性能优点。
尽管已经具体示出本发明，并且参考其特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解，可以进行不背离本发明的宽范围的各种变化和元件的等价物代替。另外，可根据本发明的教导进行许多不背离其实质范围的修改，以适应特定位置或材料。因此，本发明不限于这里公开的特定实施例，而是包括所有落入所附的权利要求范围内的实施例。

Claims (13)

1.一种介质隔离式绝对压力传感器装置，包括：
第一压力传感器，可操作用于测量施加至所述第一压力传感器上的第一压力和第二压力之间的第一压力差，所述第一压力传感器通过提供具有关于所述第一压力差的第一斜率响应的第一输出，来响应所述第一压力差；
第二压力传感器，可操作用于测量施加至所述第二压力传感器上的第二压力和基本真空之间的第二压力差，所述第二压力传感器通过提供具有关于所述第二压力差的第二斜率响应的第二输出，来响应所述第二压力差；
至少一个均衡电路，用于调整所述第一和第二传感器中的至少一个的斜率响应，使得所述第一斜率基本与所述第二斜率相同，并用于提供与所述第一和第二传感器对应的至少一个调整后的输出；以及
求和电路，用于将与所述第一和第二传感器关联的所述基本相同的斜率输出相加，使得提供表示所述第一压力的绝对压力测量的输出信号。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括偏移电路，用于为对应的第一和第二传感器提供第一和第二偏移信号中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合到所述第一和第二压力传感器的每一个的偏移-温度和范围-温度补偿电路，用于提供从所述第一和第二压力传感器得到的偏移-范围温度补偿信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述均衡器包括两个均衡器，每一个用于所述第一和第二传感器的一个。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一压力传感器是压阻器件。
6.一种介质隔离式绝对压力传感器装置，包括：
第一压力传感器，可操作用于测量隔离介质的第一压力和施加至第一压力传感器上的第二压力之间的第一压力差，所述第一压力传感器通过提供具有关于所述第一压力差的第一斜率响应的第一输出，来响应所述第一压力差；
第二压力传感器，可操作用于测量施加至所述第二压力传感器上的第二压力和基本真空之间的第二压力差，所述第二压力传感器通过提供具有关于所述第二压力差的第二斜率响应的第二输出，来响应所述第二压力差；
第一和第二均衡电路，用于调整相应的所述第一和第二传感器中的斜率响应和偏移，使得所述第一斜率基本与所述第二斜率相同，并用于提供所述相应的调整后的第一和第二输出；以及
求和电路，用于将所述调整后的第一和第二输出相加，从而提供表示所述隔离介质的绝对压力测量的输出信号。
7.根据权利要求6所述的装置，进一步包括耦合到第一和第二压力传感器的每一个的偏移-温度和范围-温度补偿电路，用于提供从所述第一和第二压力传感器得到的偏移-范围温度补偿信号。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一和第二压力传感器是压阻器件。
9.一种用于提供隔离介质的绝对压力测量的方法，该方法包括步骤：
提供第一压力传感器，其可操作用于测量施加至第一压力传感器上的第一压力和第二压力之间的压力差，所述第一压力传感器通过提供具有关于所述第一压力差的第一斜率响应的第一输出，来响应所述第一压力差；以及提供第二压力传感器，其可操作用于测量施加至第二压力传感器上的第二压力和基本真空之间的第二压力差，所述第二压力传感器通过提供具有关于所述第二压力差的第二斜率响应的第二输出，来响应所述第二压力差；
调整所述第一和第二传感器中的至少一个的斜率响应，使得所述第一斜率基本与所述第二斜率相同；
提供与所述第一和第二传感器对应的至少一个调整后的输出；以及
对与所述第一和第二传感器关联的所述基本相同的斜率输出求和，从而提供表示所述第一压力的绝对压力测量的输出信号。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤：从所述对应的第一和第二传感器输出减去第一和第二偏移。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：施加从所述第一和第二压力传感器得到的偏移-温度和范围-温度补偿，以提供所述第一和第二传感器的偏移-范围温度-补偿。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述调整的步骤调整所述第一信号和第二信号的所述斜率响应。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述提供步骤包括提供所述传感器为第一和第二压阻器件。
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