CN101743462A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

描述了一种具有至少一个压力感测元件(3、4)的压力传感器(16)，通过利用至少一个光源(1)的照亮(2)来评估压力感测元件的光学特性中的压力导致的变化。所述压力传感器的特征在于，所述压力传感器(16)包括被定位在单独的压力舱(5、6)中的至少两个基于半导体的压力感测元件(3、4)，所述感测元件(3、4)被布置成基本上彼此相邻并且所述感测元件(3、4)由相同的光源(1)照射，其中使用至少两个对应的检测器(7、8)来检测透射通过所述感测元件(3、4)的光，并且其中基于这些检测器(7、8)的输出评估在所述两个压力舱(5、6)中的差动压力。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及基于压力传感器单元的压力感测元件的领域，通过利用光源照亮来读出该压力感测元件的光学特性中的压力导致的变化。更进一步地，本发明涉及用于操作这样的压力感测元件的方法以及对这样的压力感测元件的使用。

背景技术

根据专利文献并且根据其它技术公开物，已公知利用半导体材料中的光致发光或吸收特性来测量诸如温度和压力之类的参数。

一些作者已提出使用用于压力感测的体(bulk)GaAs的吸收边缘的位移。然而，他们报道了一些困难，例如热稳定和温度串扰效应。报道了在补偿之后剩余的温度误差是1.5bar/K。而不补偿的话它可能是40bar/K。

其他作者证实例如GaAs/Al(x)Ga(1-x)As、InGaAs/GaAs系统的发光光谱和吸收对压力校准是有益的。他们还报道特别地对于高压力体系(几GPs)使用AlGaAs和InGaAs/GaAs量子阱激光器结构的激光线的位移。对于后者来说，主要的问题涉及模式跳变和滞后。除了对于光学压力感测使用带隙位移之外，带隙位移还可以被用于调谐半导体激光器二极管的激光器波长。已报道调谐范围大于200nm。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供一种压力传感器组件，其中即便没有被抵消，也减少了根据现有技术的组件的至少一些上述缺点。特别地，改进了具有至少一个基于半导体的压力感测元件的压力传感器，通过利用至少一个光源的照亮来读出该压力感测元件的光学特性中的压力导致的变化。目的是获得一种具有高精度的和低的由温度效应引起误差的差动压力传感器。

这样的和其它的目标得以实现，因为压力传感器包括被定位在单独的压力舱中的至少两个基于半导体的压力感测元件，感测元件被定位成基本上彼此相邻并且感测元件由相同的光源照射，其中使用至少两个对应的检测器来检测透射通过所述感测元件的光，并且其中基于这些检测器的输出评估在所述两个压力舱中的差动压力。

因此，提出了一种基于半导体光学滤波器的差动压力传感器。施加于半导体材料的压力改变它们的光学特性，尤其是光谱吸收边缘频率。我们提出使用半导体作为光学滤波器，并且特别地当暴露于液体静压力时采用它们吸收边缘的蓝移。优选地通过检测来自光源的总透射光功率来监控滤波器边缘的压力导致的光谱位移。为了避免温度效应，我们使用彼此靠近定位的两个压力舱，以避免两个压力舱之间的温度差并且评估透射通过两个滤波器的差信号。本发明的新颖性在于使用两个压力舱用于测量差动压力。另外，优选地可以通过使用另外分离的四象限传感器来实现温度补偿。评估单个光源的透射光的差信号的概念使得能够实现线性传感器响应和通常由静态压力和/或温度产生的零点误差的补偿。

本概念采用压力对半导体的内在晶格变形，这导致其带隙能量以及由此的光学特性的变化。较高的压力导致发射器的光学输出频率的增加，或者对于无源器件(例如滤波器)来说，它导致其吸收边缘的蓝移。因此，提出使用半导体作为光学滤波器，并且当暴露于液体静压力时采用它们吸收边缘的蓝移。使用光源来在透射中测量该光谱位移。下面描述该发明的可能的实施例：在该系统中的光由从发光二极管发射的两个同样的光束来描述。光束透射通过放置在不同的压力舱中的两个滤波器。在随后的检测器二极管中检测光束幅度或功率。在两个检测器中测量强度之间的差，并且由适当的电子器件来评估强度之间的差。作为滤波器，提出一种由嵌入在玻璃基体中的半导体纳米晶体构成的材料。该系统的优点是其提供高度的自由度以适应(tailor)所期望的边缘位置并且它廉价且商业上可获得(例如SCHOTT、光学滤波器)。可替换地，滤波器还可以由体半导体晶体制成或包括体半导体晶体，该体半导体晶体例如是GaAs。GaAs的优点是比SCHOTT玻璃的压力系数高两倍。传感器尤其适于测量粗糙环境条件下的大压力。

本发明的新颖性还在于使用两个压力舱来测量施加于这两个舱的差动压力。所提出的评估单个光源的透射光的差信号的概念使得能够实现准线性传感器响应和通常由静态压力和/或温度产生的零点误差的补偿。使用两个不同半导体的改进的概念允许甚至更好的误差补偿。

根据本发明的第一个实施例，两个压力感测元件被布置成彼此靠近或者甚至要么在一个平面中要么在处于小于180°的角度(所述角度适合于光源的光发射特性)并且优选地处于大于或等于90°的情况下边缘对边缘，其中光源被布置成在压力感测元件的一个侧面上，并且在可比较的、优选对称的并且更优选同样的光学条件的情况下照射压力感应元件，即以基本上同样/对称的方式，即在可比较的或对称的或同样的光强以及光强分布的情况下，包括例如可比较的或者对称的或者同样的入射角、聚焦等等。有利地，光源以基本上垂直的入射照射压力感测元件。

非常接近的压力感测元件基本上降低了温度梯度以及在差动信号中得到的误差。为了实现单个光源的最佳照射，两个压力感测元件可以被布置在一个单一的平面中，单个光源被定位在两个压力感测元件的上面，在基本上与这两个压力感测元件的平面正交的平面中，或者所述两个压力感测元件可以随着它们朝向光源的外部边缘倾斜，以使得落到压力感测元件上的照射尽可能的正交，正交的光入射由光源的(多个)光束的发散限制。在该后面的情况下，两个压力感测元件被说成部分包围光源。

在这点上，如果压力传感器包括对称平面(镜面)，光源基本上被放置在对称平面中并且压力感测元件被放置在由所述对称平面限定或分隔的对应半空间中，则两个传感器有可能具有高度的相似或优选地相同的照射。在矩形压力感测元件的情况下，该对称平面将包括线，在该线处感测元件或压力舱基本上彼此相邻。优选地，压力感测元件被放置任一个半空间中，在互相对称的位置。

为了尽可能高的光源和传感器的相对定向的稳定性，并且为了避免由相对移位或位置位移导致的误差，有可能在光源和传感器元件之间提供光学透明元件并且使光源和/或传感器元件附接到该透明元件上或集成到该透明元件中。因此，根据本发明的另一个优选实施例，在压力感测元件和光源之间提供光学上基本透明的块(优选玻璃块)，通过所述玻璃块将照明从光源传送到压力感测元件，其中所述光源被固定在所述块上或者集成到所述块中，并且其中所述压力感测元件和/或压力舱被固定到所述块上或者集成到所述块中。

根据另一个优选的实施例，每个压力舱包括支撑至少两个光学上基本透明的间隔的(优选平行的)窗口的至少一个框架元件，所述两个窗口之一面向光源并且另一个面向检测器，其中所述两个窗口之间的间隙形成压力舱的腔，所述基于半导体的压力感测元件被定位在所述腔中。优选地，所述腔被填充有油(例如使用硅油)。窗口例如可以是蓝宝石窗口，并且两个压力舱通常被布置在相同的平面中。

如上面所提到的那样，压力感测元件优选地是具有吸收边缘的滤波器元件，所述吸收边缘在外部压力的影响下位移。所述滤波器元件或者被提供为具有嵌入其中的半导体纳米晶体的玻璃基体，优选硼硅酸盐玻璃基体，或者被提供为体半导体晶体，或者基于光子晶体。

为了进一步避免例如由温度差等而引起的误差，有可能在没有通过任何压力检测元件的衰减的情况下另外提供用于测量光源的强度的强度检测器，以及/或者提供温度感测检测器，并且通过考虑这些检测器的一个或二者的输出来补偿扰乱压力测量或差动压力测量的所导致的光谱位移。

如果所述相同的光源照射至少两对压力感测元件(每一对都包括相同类型的压力感测元件)，则所提出的装备的进一步改进是有可能的。在这种情况下，优选的是两对压力感测元件具有不同的滤波器吸收边缘。优选地，在该配置中，在相同压力舱中提供不同吸收边缘以及由此的不同(差动)压力灵敏度的两个感测元件。

有可能对于透射比的评估来实际上详细地测量全光谱。然而，优选提供测量特定光谱范围(通常检测器的检测窗口)内的总积分强度(integrated intensity)的检测器。优选地，检测器是可以电子连接的检测器二极管，以使得两个检测器二极管的组合输出是它们的差信号。

如上面所提到的那样，光源是宽带光源，意味着其光谱宽度约为滤波器吸收边缘的光谱宽度或更小。光源优选为发光二极管。

本发明还涉及一种用于使用具有至少一个基于半导体的压力感测元件的压力传感器来检测压力的方法，所述压力感测元件的光学特性中的压力导致的变化由至少一个光源的照亮而评估/读出，其中使用被布置在单独的压力舱中并且基本上彼此相邻的至少两个基于半导体的压力感测元件，所述感测元件由相同的光源照射，其中使用至少两个对应的检测器来检测透射通过所述感测元件的光，并且其中基于这些检测器的差动输出、基于这些检测器的和输出、基于这些检测器的输出的比值或者基于其组合来评估这两个压力舱中的差动压力。

此外，本发明涉及使用上面给出的压力传感器来测量超过500bar(优选地超过800bar直到20000bar)的压力差。在这些压力差的范围内，可以实现非常高的灵敏度和对温度影响的无关性。

在从属权利要求中概述本发明的其他实施例。

附图说明

在附图中示出了支持本发明的优选实施例和/或书面证明，其中：

图1示出了光源的光谱特性(L)和滤波器的光谱特性(F)，其中所述滤波器特性(F)由右边的轴给出，典型的LED光谱(L)在左边的轴上给出，传感器测量透射的光谱曲线(Tr)的积分(integral)；

图2示出了根据本发明的第一个实施例的半导体差动压力传感器的装备；

图3示出了根据本发明的第二个实施例的半导体差动压力传感器的装备，在侧视图(a)和俯视图(b)中具有近似的尺度，其中因为对称性所以仅示出了压力舱的左半部分；

图4示出了拟合到纳米晶体掺杂的玻璃滤波器(RG630，d＝1.8mm)的特性的滤波器函数；

图5示出了各种厚度的滤波器玻璃(Schott，OG590)的透射；

图6示出了作为差动压力Δp(单位为帕斯卡)的函数的(归一化)信号I₁-I₂的典型曲线，指示可能的测量范围；

图7示出了对于参考条件的作为差动压力(单位为帕斯卡)的函数的压力分辨率Res(单位为帕斯卡)；以及

图8是根据本发明的第三个实施例的半导体差动压力传感器的装备，其中在两个压力舱的每一个中都存在两个不同的压力感测元件F_A、F_B。

具体实施方式

传感器概念：

物理原理：所提出的传感器概念基于在其上施加压力的半导体或光子晶体材料的光学特性的变化。液体静压力(hydrostatic pressure)导致晶格变形并且因此导致材料的电子带结构(或光子带隙结构)的变化。改变电子和光学特性，例如能量带隙、吸收、发光等等。当暴露于液体静压力时，用作光学滤波器的半导体展示出它们的吸收边缘的蓝移。典型的波长位移在0.0025nm/bar的范围内。

可以使用宽带(或单色)光源(例如发光二极管(LED)或激光器)通过滤波器的透射来测量该光谱位移。LED的峰值波长和光谱宽度必须符合滤波器的吸收边缘的位置和宽度。图1示出了这样的配置的光谱特性和所计算的透射曲线。在该图中，给出了光源的光谱特性L和滤波器的光谱特性F。根据右边的轴来定标滤波器特性，根据左边的轴来定标典型的LED光谱。还给出了通过滤波器的LED光透射Tr；传感器测量该光谱曲线的积分。压力将滤波器曲线F位移到较低的波长(箭头15)，因此改变了光谱透射。

在图2中简略绘出了基于该原理的压力传感器16的可能的方案。感测元件3、4是包括嵌入在硼硅酸盐玻璃基体中的分散半导体纳米晶体的标准彩色玻璃滤波器。这些感测元件被定位在单独的压力舱5、6中，所述压力舱5、6彼此靠近地定位在相同平面中并且由相同的光束2照射。通过检测从LED 1发射的总透射光功率来监控滤波器边缘的压力导致的光谱位移。可以使用检测器7、8来以相对低的成本实现强度测量；还可能进行光强度的光谱评估。

温度变化导致半导体中的带隙的相似的位移(见下面的表1，大约0.15nm/K，符号相反)。对于传感器的性能来说，消除温度影响是决定性的。为了避免由温度变化引起的零点压力信号的变化，根据本发明建议使用两个压力舱5、6并且评估透射通过两个滤波器3、4的差信号(见图2)。

传感器模型和信号：为了根据上述原理来评估所建立的传感器的性能，使用了用于估计传感器信号以及其对微扰的灵敏度等等的物理传感器的简化模型。下面给出了该传感器的说明书。传感器16的性能允许以良好的精度估计微扰效应和测量的数量级。

在模型中由从LED 1发射的两个同样的光束描述了该系统中的光2。光束透射通过分别暴露于压力p1和p2的两个滤波器3、4。在随后的检测器二极管7、8中分别检测光束幅度或功率或强度I₁、I₂。为了获得该传感器的简单的数学模型，LED光谱可以近似于高斯型，并且滤波器吸收由误差函数表征。这些近似非常好地符合真实LED的和滤波器的数据。温度和压力的变化导致滤波器的边缘频率的线性位移，温度还线性地移动LED的峰值频率。通常可以忽略滤波器特性的宽度和LED峰值的变化。假设滤波器和LED的温度一样。

这些近似允许获得系统对差动压力的灵敏度的分析等式。在两个检测器部件7、8中测量的强度(分别为I₁和I₂)之间的差被用作基本信号。概括起来，信号I₁-I₂具有下面的特性：

(i)对于独立于传感器的静态压力和温度的零差动压力Δp，I₁-I₂变为零：对于Δp＝0，I₁-I₂＝0，Δp被定义为p 1-p2。差测量允许消除由绝对压力变化导致的零点误差。根据本发明的装备是优良的，因为以其他方式很难实现零点误差或变化的补偿。

(ii)信号I₁-I₂在差动压力Δp内是单调的，这是测量信号所期望的。

(iii)I₁-I₂对差动压力Δp的依赖性基本上是线性的：I₁-I₂～S(∑_p，T)Δp，其中S指定传感器对差动压力的灵敏度，∑_p是静态压力，并且T是传感器温度。静态压力∑_p＝(p1+p2)/2。对于此处所述的以及下面研究的示例性系统，偏离线性的偏差低于0.3％。对于单调明确的函数，非线性可以被补偿；然而，对于几乎线性的函数，补偿是更简单的并且更不复杂。注意，差动压力灵敏度依赖于静态压力∑_p和温度T；优选地校正这些依赖性。

在这些假设下，传感器对差动压力Δp的灵敏度S可以被计算。通过考虑光幅度、检测器效率(基于可用的设备数据)以及所需的压力分辨率，系统的压力范围和典型误差可以被确定。

系统评估

系统说明：图3示出了所研究的传感器配置。因为滤波器玻璃3、4(而不是LED 1)被定位在相应的压力舱5、6的内部，所以不用将电连接馈送到加压的区域中。两个压力舱5、6是测量差动压力所必需的。然而，即使对于可能的绝对压力传感器，也建议建立类似于图3的结构。图3给出了具有近似尺度的所提出的传感器装备，其中将w选为近似15mm，将d选为近似17mm，将1选为近似14mm并且将h选为近似5mm。

使用单个LED 1来照亮该系统。这使得消除了如果使用两个LED将会出现的不同LED之间的可能的强度位移。

该装备具有下面的特性

1.稳定性与压力的关系：蓝宝石窗口9被用于它们对压力的大耐力(resistance)。因为压力设计标准，推荐400MPa的抗张强度。通过硬焊接将窗口9固定到不锈钢外壳10上。加压舱5、6足够小以使得所得到的压力也保持得足够小。舱5、6主要填充有滤波器3、4，并且仅在滤波器周围留下用于硅油12的小的油体积。因为不存在膜或其他精密的部件，所以该装备不需要额外的过压保护。

2.总尺度：该传感器被设计成尽可能得小。这最小化了对传感器性能至关重要的温度梯度。此外，它可以降低成本(尤其对于检测器系统来说)并且导致例如由杂散光引起的光损耗变小。此处选择的尺度使得容易生产传感器。

3.光路径的稳定性：关键的是LED 1、滤波器3、4和检测器7、8的相对位置在空间上彼此相对固定并且不随温度或其它环境条件改变。这在差动压力舱配置中甚至更重要，因为两个光路径的对称性不应该被扰动(见图3中所指示的对称轴13)。光路径的稳定性优选地通过将LED 1附接到滤波器外壳顶部上的固体玻璃块14来实现。因为几何结构的原因(例如光锥2的开口角度和传感器封装的中间的死区)，在LED 1和滤波器3、4之间应该维持一定的距离。为了该目的，LED 1被选择成具有适当的角度光发射特性。

原则上，部件或传感器元件的其它布置也是可能的。例如，可以使用镜子，其允许增强测量效应并且允许将传感器和检测器放置在滤波器外壳的同一侧或面上。这具有使所有电子部件都被布置在滤波器外壳的侧面上的优点。这样的不同装备的优点应该与传感器的复杂性权衡。为了当前的目的，图3中示出的示例性装备是优选的。

滤波器3、4可以是具有嵌入的半导体纳米晶体的玻璃基体(SchottRG滤波器系列)。对于任意边缘频率来说，这样的滤波器都是可用的；此处，我们已选择了特定的频率以便于最小化由静态压力效应引起的误差。此外，LED和滤波器已被选择成分别具有相似的作为温度的函数的峰值位置和边缘频率的位移。对于这些滤波器的可替换方式，可以使用体半导体材料。不同材料的压力和温度灵敏度是相似的并且不期望性能优势。可替换方式是具有特制特性的光子晶体，所述特制特性例如是作为(差动)压力的函数的吸收边缘的适当的光谱位移以及作为扰动(例如绝对压力变化和/或温度)的函数的很少的或可补偿的误差光谱位移。

在表1中给出了光学和电子组件的说明

表1

假定检测器具有10^-6的信噪比(最佳估计)。通过平均信号噪声除以压力灵敏度或差动压力灵敏度(即信号随差动压力的变化)来在图7中给出压力分辨率，被称为Res(单位为帕斯卡)。该分辨率必须与通常所需的分辨率进行比较，该通常所需的分辨率即是差动压力上限的10^-5倍。在该分析中，任何人发现对于817bar到15700bar之间的压力范围，可以在所提出的装备中满足需求。因此，此处描述的技术特别适用于大压力的测量；如果许可较不严格的精度需求，它还可以用于测量大约bar的压力。在下面，假设具有900bar的压力上限的传感器用于估计因温度、静态压力等等引起的信号误差。在该压力范围内，传感器信号是(差动)压力的几乎完全线性的函数。偏离线性的偏差低于信号的0.32％并且如果需要的话可以容易地校正。

误差：如上所解释的那样，所提出的装备的优点是由温度和静态压力变化引起的差动压力的零点误差由传感器的构造来消除。因此，只有信号的灵敏度依赖于这些量。因此，静态压力和温度导致与所测量的值成比例的误差；它们可以被给成所测量的值的百分比。两个滤波器之间的温度梯度或温度差可以是更关键的：它们导致不能与差动压力信号区别的信号；因此，灵敏度和零点的位移可以在差动压力信号中出现。

平均温度变化影响传感器的灵敏度，因为LED峰值和滤波器边缘具有稍稍不同的温度系数(见表1)。如果温度不被补偿，则在85℃的温度处最大误差等于所测量的值的0.5％。需要小于0.03％的温度滞后。类似地，静态压力导致误差，因为相对于LED峰值移动了滤波器边缘。在这种情况下，如果静态压力等于差动压力上限(900bar)，则我们得到大约0.8％的误差。已经精确地计算了所有误差，即在误差计算中没有进行线性化。

如果进行了附加的测量和信号校正，则可以降低误差。以1K精度测量温度，允许将温度误差从所测量的值的0.5％减小到大约0.01％(因此满足了0.03％的需求)。甚至更感兴趣的是，通过测量LED光强度来同时进行温度和静态压力误差的校正：如果已知了入射到两个滤波器上的光功率，则因滤波器和LED频率的相对位移而引起的误差可以被有效地校正：归一化成光输入的和信号I₁+I₂的变化是滤波器吸收边缘和LED之间的频率差的量度。对于最坏的情况(同时达到85℃和900bar)，任何人得到比传感器的估计的分辨率小的线性化误差。

如果作为对每个压力舱具有单个滤波器和检测器试场(detectorfield)的系统的代替，使用了具有稍稍不同的滤波器特性的两个滤波器和两个检测器试场(即不同的边缘频率，还见在下面进一步讨论的图8)，则得到类似的效应。而且，使用信号的和以及差允许估计滤波器和LED之间的频移。此外，差动压力的冗余测量(两次使用两个滤波器之间的差)可以被用来增强传感器的压力分辨率。

这两个滤波器之间的温度差应该是相当小的以便可以被忽略。对于当前的传感器结构，滤波器之间的温度差引起大约62bar/K的信号。这暗示滤波器之间的平均温度差应该是大约10^-3K以便保证所需的低于(差动)压力上限的0.03％的误差。然而，典型的温度差通常是更大的数量级。因此，传感器封装和/或传感器设计应该被改进以便于使温度差最小化，以及/或者温度差应该被测量并且用于与这些情况相应的信号校正。

LED的光分布中的变化具有相似的效应，它们可以通过机械结构的热运动而被引起。0.1°的小倾斜就会导致15bar的信号误差，这对应于测量范围的1.6％。这暗示LED的固定应该相当稳定。滤波器外壳和LED之间的固体玻璃块14使得实现所需的传感器的机械稳定性。

表2给出了压力信号中所估计的误差的概括，其中URL表示差动压力范围的上限，即在现在的情况下为900bar。

表2

详细的分析

设计考虑：首先，考虑可替换传感器设计的想法。描述了不同类型的装备和测量可能性。

(i)光谱位移的直接测量：传感器概念基于半导体材料的吸收特性的光学位移。原则上可以通过许多方式来测量光学位移。使用光谱仪既耗时且非常昂贵。干涉测量的方法将需要大功率光源例如激光器或超发光LED。

(ii)将激光器二极管或激光器用作光源：使用单色光源可以增加设备的精度。根据计算，精度依赖于滤波器和光源的宽度。因此，减小光源的宽度仅对精度有有限的影响(最大为2倍)。另一方面，单色激光器很昂贵。

(iii)压力舱中的二极管：还有可能在压力舱中具有两个LED(使用单个滤波器)来代替在那里放置两个滤波器玻璃。从物理观点来看，任何人可以利用压力或滤波器边缘的位移来测量LED光谱峰值的位移，结果将是相同的。因为两个测量点之间的严格对称是必须的，所以看起来使用两个可能具有稍稍不同特性的LED更具挑战性(即使在它们标称上相等)。此外，对LED到压力舱内部电源的连接的要求更严格。

(iv)压力舱的分隔：将有可能将两个压力舱在空间上分隔开并且经由光纤光学仪器将它们连接到光源和检测器。然而，需要温度补偿：在这两个压力舱中的不同温度将导致需要补偿的误差。此外，光纤之间的连接的长期稳定性以及将输入的光强度精确地分成两个光束需要高精度的光学仪器。

(v)滤波器玻璃作为窗口：有可能直接制造滤波器玻璃的压力舱的窗口(而不使用如在所提出的装备中的蓝宝石窗口)。则该窗口会经受比液体静压力下的张力更复杂的张力；张力状态的精确计算是必须的。可能假设与在液体静压力中的行为相似，在压力舱内部施加压力将产生边缘波长的位移。如果镜面涂层将光从内部反射回来，则仅需要一个窗口。这样的装备的稳定性与压力的关系更关键：玻璃会在其表面的小张力的作用下破裂。因此，对于这样的构造，8MPa是合理的限度。

与这些可替换的设计相比，在此处描述的图2的本优选实施例所具有的优点是更简化并且对于温度变化具有更高的稳定性。

所提出的实施例的描述：图2中示出了可能的实验装备。LED 1的光2被用于通过测量通过滤波器边缘的透射来监控滤波器边缘的光谱位置。两个滤波器3、4分别被放置在暴露于压力p1和p2的分隔的压力舱5、6中。照亮是完全对称的，即理想地相同量的光2进入每个滤波器3、4。通过在检测器7和8处得到透射信号的差来测量差动压力。为了补偿由温度和静态压力引起的误差，可以另外获得参考信号(例如LED强度)。用于参考信号的检测器没有在图2中示出。该装备优选地被构造成尽可能得小以将由温度梯度引起的误差保持在最小。

传感器装备、传感器封装以及几何结构：在图3a)和b)中示出了该装备的侧视图和俯视图的略图。因为对称性，所以仅画出了传感器封装的几个部件。仅该图画的相对尺度是重要的。传感器还可以被按比例缩小以保持小的温度梯度误差。

如上所指出的那样，传感器包括两个独立的压力舱5、6，每一个都包含感测滤波器板(slab)3、4。稳定性和应力考虑建议通过具有蓝宝石窗口9的金属外壳来最好地实现压力舱5、6。蓝宝石9和金属10之间的连接可以通过硬焊接来完成。压力转换液体是硅油12，它可以通过在压力舱的侧面的小钻孔12进入压力舱。根据信号-噪声的考虑，期望从LED 1得到尽可能多的光照射到检测器上。因此，LED的角度辐射图样(pattern)(对于不同类型的二极管来说，LED的角度辐射图样是不同的)、到窗口9的距离、和检测器面积应该被最优化以便获得大信号。此外，实现LED 1相对压力舱5、6的限定的固定位置很重要，因为信号分别由LED的辐射图样的左半部分和右半部分的透射的差给出。在所提出的封装中，LED隔板是固定在压力舱外壳10上的玻璃块14。LED 1可以被粘合在玻璃主体14上。

光源：此处选择传统的发光二极管(LED)来监控吸收的压力导致的光谱位移。关键参数是：峰值波长、光谱宽度、温度系数以及角度发射图样。LED应该被选择以使得实现与滤波器的最佳光谱重叠，并且温度系数与滤波器之一的温度系数接近。LED光谱的典型宽度是FWHM＝15-40nm。峰值波长的温度系数通常在0.10＜K_T＜0.14nm/K之间(OsramSemiconductor)。对于在文献中报道的某些LED，还得到了低两倍和高两倍的值。此外，根据传感器的几何结构设计，必须选择优化的角度辐射特性。为了符合我们的装备的尺度，我们已选择了具有60°全角的LED(Osram Semiconductor、LA E655)。

功耗：为了降低LED的功耗并且实现最佳的信号检测，由振荡器电路来调制LED 1。为了进一步的评定，使用了占空比为1∶10的10kHz振荡频率(操作电流：3V处10mA)。这导致3mW的平均功率。这允许对该设备使用双线4-20mA电源。

检测系统：检测单元的不同组件包含可以分别描述的不同噪声源。光电二极管贡献散射噪声(光电流和暗电流)、反馈电阻器约翰逊(热)噪声，并且放大器贡献有其输入电流噪声和输入电压噪声。

在下面，通过使用上述实际设备参数并且考虑传感器的近似几何结构布局，给出了具体实例的SNR。通过假定近似为20μW的光电二极管的光功率对应于光电流I_Ph＝10μA，总的(光学)噪声等效功率是5.1pW Hz^-1/2。通过以Δf＝1kHz的带宽进行测量，任何人可以得到SNR＝1.2.10⁵的信噪比。区别下面两个状况是值得的：对于低光电流，SNR与I_Ph成比例；而对于高光电流，SNR～I_Ph ^1/2。

传感器模型和性能估计，分析性的传感器模型：

光源特性：用高斯分布来逼近LED的光谱分布是合理的。

半导体纳米晶体滤波器：在各种应用中(例如在彩色滤波器中)使用纳米颗粒玻璃合成物。它们通常由嵌入在硼硅酸盐基体中的近似5nm尺度的CdS_1-xSe_x或CdTe粒子构成。例如，根据Schott的彩色滤波器由这样的材料(GG-、OG-、RG-滤波器)制成。可以通过改变纳米晶体材料的体积分数和纳米晶体的大小来特制光学特性，例如吸收边缘的位置。通过利用800-1300K之间的温度对滤波器玻璃进行简单的加热处理来控制大小。对于通过纳米晶体玻璃合成物的透射的计算，使用误差函数erf(x)来逼近滤波器函数。

图4示出了与商业上可获得的滤波器(Schott RG630，d＝1.8mm)的特性的相拟合的滤波器函数T(λ)。该滤波器函数与纳米晶体掺杂的玻璃滤波器(RG630，d＝1.8mm)的特性相拟合，并且拟合参数是λ₀＝625.5nm(σ_F＝19.08nm)。显然，误差函数17适合作为真实滤波器函数18的近似。滤波器的透射还依赖于滤波器厚度d。对于垂直入射和均匀吸收，布格朗伯定律(Bouguer and Lambert)确定透射(Schott玻璃滤波器清晰度)。图5说明了连同拟合(fit)的各种厚度的透射曲线。

压力范围和灵敏度，传感器信号和压力灵敏度

上述装备使用两个压力舱5、6，测量了两个强度I₁和I₂以便确定差动压力。可能看起来，该装备主要包括两个独立的绝对压力测量(每个舱一个)，并且利用单个加压传感器可以实现绝对压力传感器。情况不是这样的，甚至对于这样的传感器，第二舱也是必需的。

这可以通过下面的描述得出：信号的温度依赖性比压力依赖性要大(对于K_T，F＝0.15nm/K、T_max-T_ref＝65K、K_p＝0.0024nm/bar以及p_max＝900bar来说，(K_T，F(T_max-T_ref)＞K_p p_max，其中K_T，F′是滤波器的误差函数的温度系数，并且K_p是滤波器的误差函数的压力系数)。使用单个单元(cell)，温度效应将系统的零值移动，并且难于补偿该位移。因此温度补偿是必需的。

使用两个舱使得不使用各个强度，而是它们的差(或除以和的比率)作为被分析的信号。通过使用在检测器中测量的强度的等式并且假设在两个滤波器中的温度是相同的，容易得出对于差动压力Δp＝0来说，差I₁-I₂确实变为零。此外，差信号在Δp内是单调的。对于小的差动压力，可以对差动压力进行级数展开；对于第一级，得到：

$I_1-I_2\≈\exp \left(\frac{{\mathrm{\λ}}_T-K_p{\mathrm{\Σ}}_p}{{\mathrm{\σ}}_L^2+{\mathrm{\σ}}_F^2}\right)\frac{K_p}{\sqrt{\mathrm{\π}({\mathrm{\σ}}_L^2+{\mathrm{\σ}}_F^2)}}\·\mathrm{\Δp}$

$=S(T,{\mathrm{\Σ}}_p)\·\mathrm{\Δp}$

其中：

λ_T＝λ₀(T_ref)-λ₀(p_ref，T_ref)+(K_T1，L-K_T，F)(T-T_ref)

其中，λ_T＝(在参考压力处)作为传感器温度的线性函数的滤波器吸收边缘波长和LED峰值波长的差波长，K_p＝滤波器的误差函数的压力系数，∑_p＝静态压力，σ² _L＝高斯LED光谱的方差，σ² _F＝误差函数erf的宽度(＝描述滤波器光谱吸收的误差函数的第一阶导数的方差)，S＝传感器对差动压力的灵敏度，λ₀＝LED光谱的峰值波长位置，T_ref＝参考传感器温度，p_ref＝参考压力，λ₀(带短划线的)＝滤波器的吸收边缘波长，K_T1，L＝LED峰值波长的温度系数，K_T，F＝滤波器的吸收边缘(由误差函数的透射值的50％定义吸收边缘)的温度系数，T＝传感器温度(假定对于LED和滤波器是相同的)。

此处，关于差动压力来限定灵敏度S。使用上述说明，我们得到1.210^-4/bar的典型灵敏度。注意，灵敏度依赖于温度和静态压力；(如所期望的那样)信号的零值不依赖于这些量。

可替换地，可以将量(I₁-I₂)/(I₁+I₂)用作信号；对于这种情况，也可以导出限定对差动压力的灵敏度的相似等式。

在图6中绘出了对于典型的情况在参考条件下作为Δp的函数的信号(I₁-I₂)。如可以看出的那样，对于压力测量的典型范围，信号相当线性。对于非常大的压力(期望的范围之外)，信号的非线性变得清晰可见；在这种情况下线性近似不再有效。然而，因为对差动压力的信号依赖性是已知的，所以原则上对非线性的校正没有问题。

确定压力范围：

对于某些高度灵敏度应用的评定，假定差动压力所需的分辨率在参考条件下近似为10^-5(在图7中的v形曲线27)。我们假设滤波器和LED被理想地调整。由作为压力的函数的信号曲线的陡度(灵敏度)和检测器的信噪比来确定给定信号处的传感器的压力分辨率：在线性近似中，通过检测装备的信噪比乘灵敏度s的倒数来给出给定差动压力Δp处的压力分辨率Res或Δp_res。在图7中，由u形(准抛物线)曲线28绘出作为差动压力Δp(单位为帕斯卡)的函数的压力分辨率Res或Δp_res(单位为帕斯卡)。

在该高灵敏度的情况下，应该选择传感器的压力范围，以使得满足所需的相对分辨率，优选10^-5。为了得出压力范围，在图7中示出了表示10^-5的相对分辨率的目标的另外的曲线27。满足该需求的压力范围(即许可的压力上限的范围)必须满足两个条件：(i)对于压力上限，分辨率必须小于10^-5，即曲线28必须位于曲线27下面；这意味着可以在曲线27和28的两个交叉点之间选择压力上限，即在817bar和15700bar之间；(ii)对于小于该限制的所有压力，分辨率不超过该压力上限的10^-5倍。该第二个条件自动满足，因为随着差动压力Δp的减小，以帕斯卡给出的压力分辨率Res值自动减小。在该情况下，压力上限可以在817bar和15700bar之间选择。

使用分离(split)滤波器系统进行补偿：

作为对LED强度的直接测量的代替，还可能使用具有四个滤波器的系统：两个舱5、6中的每一个都分别包含两个不同的滤波器F_A和F_B，如图8所示。四象限检测器测量四个不同的强度(舱5的I₁和I₃，舱6的I₂和I₄)。由不同的边缘波长或吸收边缘来表征滤波器A和B。

一方面，该配置允许具有对信号差和由此的差动压力的两个独立的测量。这增加了分辨率，并且允许在较小的差动压力范围内使用传感器。另一方面，量(I₁+I₂)/(I₃+I₄)例如可以被用来以与上述强度测量的相似方式表征温度和静态压力变化。当使用单一(分离)检测器二极管时，附加的成本比用于上述装备的成本低。类似于在上面的段落中的计算的计算导致对差动压力的0.0035％的最大相对误差估计，其中误差还是波长位移的近似线性函数。

参考标记列表

1     光源、LED

2     光束

3     第一滤波器

4     第二滤波器

5     第一压力舱

6     第二压力舱

7     第一检测器

8     第二检测器

9     蓝宝石板

10    框架元件

11    10的脊

12    填充有硅油的压力开口

13    对称平面

14    玻璃块

15    滤波器的高频位移或蓝移

16    压力传感器

17    拟合曲线

18    RG 630的d＝1.8mm的测量曲线

19-24   分别对于厚度为0.1、0.3、1、3、10、30mm的测量曲线

25    典型的测量范围

26    最大测量范围

27    差动压力分辨率的目标值

28    计算的压力分辨率

30    压力舱的腔

p1    作用在第一压力舱上的压力

p2    作用在第二压力舱上的压力

L     光源的光谱

F     滤波器曲线

F_A、F_B  具有不同吸收边缘的滤波器类型A、B

Tr        透射曲线

I₁、I₂    在第一、第二检测器中测量的强度

θ₁、θ₂  光发射特性的边界角、光锥边界角

W、d、1   滤波器宽度、厚度、长度

h         压力舱的厚度

Claims (20)

1.具有至少一个压力感测元件(3、4)的压力传感器(16)，通过利用至少一个光源(1)的照亮(2)来读出压力感测元件的光学特性中的压力导致的变化，其中：

所述压力传感器(16)包括被定位在单独的压力舱(5、6)中的至少两个压力感测元件(3、4)，所述感测元件(3、4)被布置成基本上彼此靠近或相邻并且由相同的光源(1)照射，其中透射通过所述感测元件(3、4)的光依赖于压力并且使用至少两个对应的检测器(7、8)而被检测，并且其中基于这些检测器(7、8)的输出评估在所述两个压力舱(5、6)中的差动压力。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述两个压力感测元件(3、4)被布置成彼此靠近或者要么在一个平面中要么在朝着彼此倾斜的角度小于180°、优选地大于或等于90°的情况下边缘对边缘，所述角度适合于光源(1)的光发射特性，并且其中所述光源(1)被布置成在压力感测元件(3、4)的一个侧面上，并且在可比较的优选同样的光学条件下照射所述压力感应元件(3、4)。

3.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述压力传感器包括将空间分隔成两个半空间的对称平面(13)，所述光源(1)基本上被定位在所述对称平面(13)中，并且所述压力感测元件(3、4)被定位在任何一个所述半空间中，优选地被布置在任何一个所述半空间中的互相对称的位置。

4.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中在所述压力感测元件(3、4)和光源(1)之间提供光学上基本透明的块，优选玻璃块(14)，通过所述光学上基本透明的块将照明(2)从所述光源(1)传送到所述压力感测元件(3、4)，其中所述光源(1)被固定在所述块(14)上或者集成到所述块(14)中，并且其中所述压力感测元件(3、4)和/或压力舱(5、6)被固定到所述块(14)上或者集成到所述块(14)中。

5.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中每个压力舱(5、6)包括支撑至少两个光学上基本透明的间隔的窗口(9)的至少一个框架元件(10)，所述一个窗口面向所述光源(1)并且另一个面向所述检测器(7、8)，其中所述两个窗口(9)之间的间隙形成压力舱(5、6)的腔(30)，所述腔(30)除了压力感测开口(12)以外被保护不受周围压力的影响，并且其中所述基于半导体的压力感测元件(3、4)被布置在所述腔(30)中，并且其中优选地在所述腔中提供油。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其中所述窗口(9)是蓝宝石窗口，并且其中所述两个压力舱(5、6)被布置在相同的平面中。

7.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述压力感测元件(3、4)是具有吸收边缘的滤波器元件，所述吸收边缘在外部压力的影响下在光谱上位移。

8.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述压力感测元件(3、4)是包括嵌入的半导体纳米晶体的玻璃基体，优选地由硼硅酸盐玻璃制成，或者是体半导体晶体，或者基于光子晶体。

9.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中在没有通过压力检测元件(3、4)的衰减的情况下另外存在用于测量所述光源(1)的强度的强度检测器，以及/或者其中另外存在温度感测检测器，并且通过考虑这些检测器的一个或二者的输出来补偿扰乱差动压力测量的检测器(7、8)的输出中的那些光谱位移。

10.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中至少两对压力感测元件(3、4)由所述相同的光源(1)照射。

11.根据权利要求10所述的压力传感器，其中至少两对压力感测元件(3、4)具有不同的滤波器吸收边缘，其中优选地在相同的压力舱(5、6)中提供两个不同的压力感测元件。

12.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述检测器(7、8)测量特定光谱范围内的总积分强度，并且其中所述检测器(7、8)优选地是检测器二极管。

13.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述光源(1)具有大约为所述压力感测元件(3、4)的吸收边缘的宽度或者更小的光谱宽度。

14.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中评估压力测量的信号是两个检测器信号的差，所述差除以两个信号的和，或由别的信号例如温度测量信号校正的另一个比率。

15.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述光(2)由至少一个镜子反射，并且至少两次传播通过所述压力感测元件(3、4)，其中所述光源(1)和所述检测器(7、8)被定位在所述压力感测元件(3、4)的同一侧面上。

16.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述压力感测元件(3、4)被接合到所述压力舱(5、6)的窗口元件(9)或者是所述压力舱(5、6)的窗口元件(9)的集成部件。

17.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述光源(1)是发光二极管。

18.根据前述任一项权利要求所述的压力传感器，其中所述光源(1)是具有或者固定频率或优选地可调频率的单色光源以允许对所述压力感测元件(3、4)的吸收边缘进行光谱分析。

19.一种用于使用具有至少一个压力感测元件(3、4)的压力传感器(16)来检测压力的方法，所述压力感测元件的光学特性中的压力导致的变化由至少一个光源(1)的照亮而评估，其中使用被布置在单独的压力舱(5、6)中并且基本上彼此靠近或相邻布置的至少两个基于半导体的或基于光子晶体的压力感测元件(3、4)，所述感测元件(3、4)由相同的光源(1)照射，其中使用至少两个对应的检测器(7、8)来检测透射通过所述感测元件(3、4)的光，并且其中基于这些检测器(7、8)的差动输出、基于这些检测器(7、8)的和输出、基于这些检测器(7、8)的输出的比值或者基于其组合来评估这两个压力舱(5、6)中的差动压力。

20.对根据权利要求1-18的任一项所述的压力传感器的使用，用来测量超过500bar的压力差，优选地超过800bar直到20000bar的压力差。

Images