CN101375134A - 带有电子数据表的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种压力传感系统(100)和方法包括压力传感器(126)，该压力传感器被配置成包括压力传感膜片和压力端口。结合的存储电路(106)可结合到压力端口内。还可提供高次多项式元件。然后可将一个或多个激发信号施加到压力传感器，使得在多个预定的温度和压力下测量和记录压力传感器的电压输出，以便产生压力传感器输出数据。然后，将该输出数据自动地输入到该高次多项式元件，以便产生可用于改进该压力传感器的准确度的校正系数组。该压力传感膜片优选地基于先进厚膜(ATF)配置。

Description

带有电子数据表的压力传感器
技术领域
实施例大体涉及传感装置及其方法。实施例还涉及压力变换器及其传感器。实施例另外还涉及ATF(先进厚膜)工艺和技术。实施例另外还涉及用于诸如天然气管线的危险应用的压力传感器。
背景技术
各种传感器已在压力传感器领域中已知。压力变换器已在本领域中熟知。压力变换器的一个实例是形成有硅衬底和生长在衬底上的外延层的装置。然后可以移除衬底的一部分，从而留下薄的柔软膜片部。传感部件可位于膜片部中以形成压力变换器。在操作中，膜片的至少一个表面暴露于工艺压力。膜片根据压力的幅度而偏转，并且这种偏转使所附接的传感部件弯曲。膜片的弯曲造成传感部件的电阻值变化，其可反映为至少部分地由传感部件所形成的电阻电桥的输出电压信号的变化。
用于形成压力变换器或类似装置的复合膜片的某些技术涉及配置具有第一传导类型的衬底层，其中该衬底层包括第一表面。然后，可在衬底层的第一表面和生长在衬底层的第一表面上的外延层上沉积P型掺杂(positive implant)，使得P型掺杂在外延层中形成P型扩散。然后可在外延层上形成氧化物图案且在外延层和氧化物图案上沉积顶层。然后可蚀刻衬底层和外延层的阳极扩散以形成复合膜片。因此，可提供该复合膜片用于压力传感器或类似装置。膜片包括第一氮化硅层和附接到该氮化硅层且包括硅材料的压力传感器图案的第二层。
因此，在本领域中熟知如下类型的压力变换器，其包括诸如硅或陶瓷的合适材料的薄的较柔软的膜片部，在该膜片部上印刷选定的电阻元件或电容板，由此向压力源的暴露造成膜片的偏转，这将造成电阻元件的电阻值的改变或电容板与配合电容板的间距的变化以及伴随的电容变化。
压力传感器起关键作用的一个领域是天然气生产和分配工业。在较宽的温度和压力范围内监控天然气管线压力的能力在许多住宅、消费、商业和工业环境中是重要的。安全性是分配天然气的任何情形中始终关注的问题。
对于某些工业应用，诸如，可燃工艺流体(例如，可燃气体)的分配，需要防爆或防火等级调节器、传感装置等。在调节器的情况下，累积于调节器壳体中的可燃工艺流体必须适当地通向周围或大气以实现防火或防爆等级。通常，大气通风被配置成用于防止可燃工艺气体在调节器壳体内的危险的累积，并且防止在调节器壳体内开始的燃烧过程传播到调节器周围的更大的工艺环境。例如，一个或多个烧结金属阻火器(其为半疏松的且提供足够小的火焰通路)可用于提供所必要的大气通风。
基于前文所述，可以了解到的是，对于改进的压力传感器存在持续的需要，其可适用于监控诸如存在于天然气管线中的危险流体和气体。不仅安全性是一个因素，成本也是一个考虑。对于这些情形，存在对于高度准确的且低成本的压力传感器的需要。
发明内容
提供以下发明内容以促进对所公开的实施例的独特创新特征中某些特征的理解且不意图作为本发明的全面描述。可通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体而获得对于实施例的各种方面的全面理解。
因此，本发明的一个方面在于提供一种改进的压力传感器。
本发明的另一方面在于提供一种压力传感器，其可用于监控危险应用，诸如在天然气管线中的危险应用。
本发明的再一方面在于提供一种基于先进厚膜(ATF)技术的压力传感器系统。
现可如本文所述来实现前述方面和其它目标和优点。公开了一种压力传感系统和方法。可配置一种压力传感器，其通常包括压力传感膜片和压力端口。存储电路可结合到压力端口内。还可提供高次多项式元件(high order polynomial component)。然后可向压力传感器施加一个或多个激发信号，从而在多个预定的温度和压力下测量和记录其电压输出，以便产生压力传感器输出数据。然后，将该输出数据自动地输入到高次多项式元件，以便产生可用于改进压力传感器的准确度的校正系数组。
压力传感膜片优选地基于先进厚膜(ATF)配置。校正系数组存储于存储电路中，其可被提供为EEPROM存储元件。因此校正系数组存储于EEPROM存储元件中。
此外，激发信号可以提供在正信号或负信号中。还可提供读取器电路用于访问存储电路和从存储电路检索数据。该读取器电路可例如被提供为EEPROM读取器。
可提供数学处理器用于实施高次多项式元件，同时可利用第一模拟-数字转换器，该第一模拟-数字转换器接收由数学处理器所产生的数据。该第一模拟-数字转换器通常连接至压力传感器。也可提供第二模拟-数字转换器，其接收由数学处理器所产生的数据。最后，可提供温度传感器，其连接至第二模拟-数字转换器。
通常，可通过组合与压力端口相关的利用ATF技术所制成的膜片与EEPROM存储IC芯片来建构高准确度的、低成本的压力传感器。激发信号施加到压力传感器，并且在各种预定的温度和压力下测量和记录该压力传感器的电压输出。然后将压力传感器输出数据输入到高次多项式内。多项式产生校正系数组，该校正系数组可用于改进压力传感器的准确度。这些系数可永久地存储于EEPROM的存储器中且可在任何时间访问。
附图说明
附图进一步说明该实施例且与发明详述一起用于解释本文所公开的实施例，在附图中，在所有单独的视图中相同的附图标记表示相同或功能类似的元件，并且附图结合到说明书中并且构成说明书的一部分。
图1表示可根据优选实施例实施的压力传感系统；
图2表示可根据实施例实施的压力传感系统的侧视图；
图3表示可根据可选实施例实施的压力传感系统的侧视图；
图4表示可根据另一实施例实施的压力传感系统的侧视图；
图5表示可根据可选实施例实施的压力传感系统的分解图；
图6表示根据可选实施例的图5所示的压力传感系统的紧凑视图；
图7表示可根据另一实施例实施的压力传感系统的侧面剖视图；
图8表示根据另一实施例的图7所示的压力传感系统的顶视图；
图9表示根据另一实施例的图7至图8所示的压力传感系统的外部侧视图；
图10表示根据另一实施例的图7至图9所示的压力传感系统的一部分；
图11(a)表示可根据可选实施例实施的压力传感系统的剖视图；
图11(b)表示图11(a)所示的压力传感系统的侧视图；
图11(c)表示图11(a)至图11(b)所示的压力传感系统的顶视图；以及
图12(a)和图12(b)分别表示根据可选实施例的压力传感器部件的剖视图和顶视图。
具体实施方式
在这些非限制性示例中所讨论的特定值和配置可做出改动且仅用于表示至少一个实施例且不意图限制本发明的范围。
图1表示可根据优选实施例实施的压力传感系统100。通常，系统100包括壳体或传感部件122，壳体或传感部件122包括传感器126，传感器126由布置于惠斯登电桥电路配置中的多个电阻器128，130，132，134组成。这种电阻器128，130，132，134可例如被提供为磁阻传感元件。电阻器128通常在节点A处连接至电阻器134，而电阻器130通常在节点B处连接至电阻器132。同样，电阻器128在节点C处连接至电阻器130，而电阻器132通常在节点D处连接至电阻器134。传感部件122优选地实施在压力变换器壳体中。
传感器126可设置在与存储电路124相关的传感部件122中，存储电路124可例如为EEPROM(电可擦可编程序只读存储器)部件。应注意的是，如本文所用的“EEPROM”通常是指一种存储集成电路芯片，其在电力消除后仍保留数据内容。EEPROM芯片或电路可在计算机内或外部被擦除或重新编程。通常，存储电路124当被实施为EEPROM时构成一种芯片，其中可向引脚中的一个引脚施加更高的电压，以在电子地写入新的指令组前擦除其先前的存储。
系统100还包括传感部件102，传感部件102包括连接至数学处理器104的读取器电路106，而数学处理器104连接至第一模拟-数字转换器(ADC)108和第二ADC 110。传感部件102可例如为主系统。读取器电路106优选地被提供为EEPROM读取器且通常经由电连接线107，109而连接至存储电路124。
温度传感器112也被提供为传感部件102的一部分。温度传感器112连接至第二ADC 110。一个或多个激发信号118，120通常连接至传感器126。激发信号118可被提供为负激发信号，而激发信号120可被提供为正激发信号。激发信号118可在节点C处被提供至传感器126，而激发信号118通常在节点D处被提供至传感器126。存储电路124可存储供应至数学处理器104的唯一传感器系数，以能够对与系统100相关的一个或多个传感器信号进行校正。
校正算法114可提供至数学处理器104，以便向系统100提供高次多项式元件。图1所示的配置可实施在高度准确的、低成本的压力传感器中，该压力传感器可例如用于在较宽的温度和压力范围内监控天然气管线压力。系统100可利用先进厚膜(ATF)技术实施EEPROM存储集成电路，诸如存储电路124。应注意的是，如本文所用的“ATF”通常表示将陶瓷结合至金属的工艺，该工艺有助于模块化结构且易于定制所得的装置，诸如压力和/或温度传感器。ATF技术的一个非限制性示例公开于在2005年7月14日公布的授予William Maitland Jr.，等人的转让给Honeywell International Inc.的美国专利申请公布No.US2005/0150303A1“Ceramic on Metal Pressure Transducer”。
EEPROM或存储电路124可存储高次多项式的系数，诸如由校正算法114所提供的高次多项式的系数，校正算法114可描述压力和/或温度校准表面数据。多项式的形式和次方可具体地与ATF传感系统100的压力和温度性能相匹配。
图2表示可根据实施例实施的压力传感系统200的侧视图。可实施系统200以便遵照图1所示的系统100的配置。系统200通常根据图1所示的系统100的部件起作用，并且包括压力密封焊缝(containment weld)204和压力传感器端口202以及壳体部分206。ATF压力传感器膜片222可封闭于压力传感器端口和壳体内，并且被附接到压力端口上。薄部分208可位于与壳体部分206的附近。除压力传感器壳体部分212和214之外，还可提供螺纹部分210。
多条电线216从壳体部分214伸出，并且通常附接到连接器部分218上，连接器部分218提供多个引脚1，2，3，4，5。在一个可能的实施例中，引脚1可被标记为“红色”且可被提供正激发信号，而引脚2可被标记为“黑色”且被提供负激发信号。可被标记为“黄色”的引脚3可提供正输出，而被标记为“绿色”的引脚4可提供负输出。可被标记为“白色”的引脚5可向诸如图1所示的存储电路或EEPROM124的存储电路提供存储数据输入。图1所示的图表220大体概述与压力传感系统200相关的可能的引脚/颜色/信号配置。
图3表示可根据可选实施例实施的压力传感系统300的侧视图。系统300以与图2所示的系统200的方式相类似的方式进行操作，只是对其形状做出了某些微小的调整。通常，系统300包括与壳体部分304相邻的端口部分302，壳体部分304包括锯齿形状(indented shape)。ATF压力传感器膜片322可封闭于压力传感器端口和壳体内，并且还附接到压力端口上。还提供螺纹部分308，其与图2所示的螺纹部分相同。螺纹部分308位于窄壳部分306和压力传感器壳体部分310，312和314的附近。多条电线316也以与图2所示的配置中所示的方式相同的方式从壳体部分314伸出。还提供传导端帽318，其可接合图2所示的连接器218。
图4表示可根据另一实施例实施的压力传感系统400的侧视图。应注意的是，在图2、图3和图4中，相同的部件通常用相同的附图标记来表示。如图4所示，传感器部件404通常包括传感器压力壳体部分302，322，304，312，313和电线316，该电线316从壳体部分313伸出。电线316经由图3所示的传导端帽318与连接器部分218接合。通常，压力密封部件401利用加压介质来维持压力传感器壳体部分312，313和电线316以及连接器218。
图5表示可根据可选实施例实施的压力传感系统500的分解图。系统500通常包括压力传感端口部分502，该压力传感端口部分502接合ATF压力传感器膜片部件504和相关的电气部件506和508。压力传感端口部分502还接触壳体部分510，该壳体部分510保护部件504，506和508，并且电线或引线512可从壳体部分510伸出且与相应的引脚514相接合，而引脚514又由连接器516维持，连接器516类似于在先前关于图2至图4所述的连接器218。图6表示根据可选实施例的图5所示的压力传感系统500的紧凑视图。应注意的是，在图5至图6中，相同或类似的部件或元件通常用相同的附图标记来表示。
图7表示可根据另一实施例实施的压力传感壳体700的侧面剖视图。通常，系统700可根据图1所示的配置如图5中的部件502，504，506和508的保护壳体相似地起作用。系统700通常包括电缆出口701，配线从出口701离开。空腔部段708是图5的部件502，504，506和508所在的部段。系统700还包括用于附接到图5中的压力传感器端口502的焊缝唇缘707和712，用于附接到图4中的压力密封部件401上的外螺纹705和两个用于安装目的的平坦部716。
图8表示根据另一实施例的图7所示的压力传感系统700的顶视图。应注意的是，在图8中示出顶部的平坦顶部718。图9表示根据另一实施例的图7至图8所示的压力传感系统700的外部侧视图。图10表示根据另一实施例的图7至图9所示的压力传感系统700的一部分701。
图11(a)表示可根据可选实施例实施的压力传感系统100的剖视图。图11(b)表示图11(a)所示的压力传感系统1100的侧视图。同样，图11(c)表示图11(a)至图11(b)所示的压力传感系统1100的顶视图。
系统1100通常构成压力传感器端口，并且包括两个或更多个的焊接表面，包括用于将压力传感器膜片附接到图12所示的配置上的焊接表面1102。系统或压力端口1100还包括用于附接到图7所示的压力传感壳体和部件700，707和712上的焊接表面1104。也可实施外安装螺纹1106，其在压力传感器系统或端口1100与图7所示的压力传感壳体700之间提供附加强度。内螺纹1108可用于将本文所描述的带有电子数据表配置的压力传感器附接到压力源。
图12(a)和12(b)分别表示根据可选实施例的压力传感器部件1200的剖视图和顶视图。通常，焊接表面1202可附接到图11所示的压力传感器端口1100上。压力传感器部件1200包括压力传感器膜片1201，该压力传感器膜片1201作为力收集器，将所施加的压力转换成比例电压输出信号。应注意的是，压力传感器部件1200当然可根据设计考虑实施在ATF压力传感器膜片中。
基于前文所述，可以了解到的是，可配置压力传感器126，其通常包括压力传感膜片、压力端口和压力壳体。存储电路124可结合到压力壳体122内。还可提供高次多项式元件114。然后，一个或多个激发信号118，120可施加到压力传感器126或压力传感系统100，使得在多个预定的温度和压力下测量和记录其电压输出，以便产生压力传感器输出数据。然后将该输出数据自动地输入到高次多项式元件114，以便产生可用于改进压力传感器126的准确度的校正系数组。
压力传感膜片优选地基于先进厚膜(ATF)配置。校正系数组存储于存储电路123中，该存储电路123可被提供为EEPROM存储元件。因此，校正系数组存储于EEPROM存储元件124中。
此外，激发信号可提供在正信号118或负信号120中。还可提供读取器电路106来访问存储电路124和从存储电路124检索数据。该读取器电路106可例如被提供为EEPROM读取器。
可提供数学处理器116来实施高次多项式元件，同时可利用第一模拟-数字转换器108，该第一模拟-数字转换器108接收由数学处理器104所产生的数据。该第一模拟-数字转换器108通常连接至压力传感器126。还可提供第二模拟-数字转换器110，该第二模拟-数字转换器110接收由数学处理器104所产生的数据。最后，可提供温度传感器112，该温度传感器112连接至第二模拟-数字转换器110。
通常，可通过组合与压力端口相关的利用ATF技术制造的膜片与EEPROM存储IC芯片来建构高准确度的、低成本的压力传感器系统100。激发信号118和/或120被施加到压力传感器126，并且在各种预定的温度和压力下测量和记录压力传感器126的电压输出。然后将压力传感器输出数据输入到高次多项式内。多项式产生可用于改进压力传感器的准确度的校正系数组。这些系数可永久地存储于EEPROM的存储器中且可在任何时间访问。
应了解的是，上文所公开的变型和其它特征和功能或其替代可期望地组合成许多其它不同的系统或应用。此外，本发明的各种目前未预见或预期的可能会由本领域技术人员在以后做出的替代、修改、变化或改进也可由权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种压力传感系统，其包括：
压力传感器，其包括压力传感膜片和与所述压力传感膜片相关的压力端口；
存储电路，其结合到所述压力端口内；以及
高次多项式元件，其中，至少一个激发信号可施加到所述压力传感器，使得在多个预定的温度和压力下测量和记录所述压力传感器的电压输出，以便产生压力传感器输出数据，所述压力传感器输出数据自动地输入到所述高次多项式元件，以便产生可用于改进所述压力传感器的准确度的校正系数组。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力传感膜片包括先进厚膜(ATF)配置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述校正系数组存储于所述存储电路中。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述存储电路包括EEPROM存储元件。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述校正系数组存储于所述EEPROM存储元件中。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
读取器电路，其用于访问所述存储电路并且从所述存储电路检索数据，其中，所述读取器电路包括EEPROM读取器；
数学处理器，其用于实施所述高次多项式元件；
第一模拟-数字转换器，其接收由所述数学处理器所产生的数据，其中，所述第一模拟-数字转换器连接至所述压力传感器；
第二模拟-数字转换器，其接收由所述数学处理器所产生的数据；以及
温度传感器，其连接至所述第二模拟-数字转换器。
7.一种压力传感系统，其包括：
先进厚膜(ATF)压力传感器，其包括压力传感膜片和与所述压力传感膜片相关的压力端口；
EEPROM存储元件，其结合至所述压力端口内；以及
高次多项式元件，其中，所述校正系数组存储于所述EEPROM存储元件内，并且至少一个激发信号可施加到所述压力传感器，使得在多个预定的温度和压力下测量和记录所述压力传感器的电压输出，以便产生压力传感器输出数据，所述压力传感器输出数据自动地输入到所述高次多项式元件，以便产生可用于改进所述ATF压力传感器的准确度的校正系数组。
8.一种压力传感方法，其包括：
配置压力传感器以包括压力传感膜片和与所述压力传感膜片相关的压力端口；
将存储电路结合至所述压力端口内；以及
提供高次多项式元件，其中，至少一个激发信号可施加至所述压力传感器，使得在多个预定的温度和压力处测量和记录所述压力传感器的电压输出，以便产生压力传感器输出数据，所述压力传感器输出数据自动地输入到所述高次多项式元件，以便产生可用于改进所述压力传感器的准确度的校正系数组。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用先进厚膜(ATF)技术来配置所述压力传感膜片。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
提供数学处理器用于实施所述高次多项式元件；
将第一模拟-数字转换器连接至所述压力传感器，其中，所述第一模拟-数字转换器接收由所述数学处理器所产生的数据；
提供接收由所述数学处理器所产生的数据的第二模拟-数字转换器；以及
连接已连接至所述第二模拟-数字转换器的温度传感器。
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