CN102472680B

CN102472680B - 相对压力传感器

Info

Publication number: CN102472680B
Application number: CN201080035251.3A
Authority: CN
Inventors: 奥拉夫·克鲁泽马克; 诺伯特·吉尔
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: US8770032B2; US20120137784A1; EP2464955B1; CN102472680A; EP2464955A1; WO2011018311A1; DE102009028488A1

Abstract

一种相对压力传感器，包括：压力测量变换器11，该压力测量变换器具有半导体芯片12的测量膜和平台13，其中，在测量膜和平台二者之间形成基准压力腔；支撑主体14，其中平台借助承压粘附体9与该支撑主体相连接，其中基准压力路径延伸穿过两个前述元件进入到基准压力腔中；传感器外部主体20，在该传感器外部主体中形成变换器腔21，该变换器腔21具有第一开口和第二开口23，其中通过该第一开口将压力测量变换器11带入到变换器腔中并且借助支撑主体将所述压力测量变换器11保持在该变换器腔21中，其中支撑主体压密地密封第一开口，并且其中测量膜的背离基准压力腔的一侧通过第二开口与介质压力可接触；其中基准压力路径具有充气的密封段，该充气的密封段从基准压力腔延伸至少穿过承压粘附体9，其中密封段借助柔性镀金属塑料箔19气密地密封。

Description

相对压力传感器

技术领域

本发明涉及一种用于记录介质压力和大气压力之间的差的相对压力传感器。

本发明的领域的相对压力传感器包括：

压力测量变换器，其中该压力测量变换器具有测量膜和平台，其中，在测量膜和平台之间形成基准压力腔，

支撑主体，其中平台借助承压粘附体与该支撑主体相连接。

其中基准压力路径延伸穿过平台和支撑主体，使得将基准压力引入到基准压力腔中。

传感器外部主体，在该传感器外部主体中形成变换器腔，

其中传感器腔具有第一开口和第二开口，

其中经第一开口将压力测量变换器带入到变换器腔中，并且借助支撑主体将压力测量变换器保持在变换器腔中，

其中支撑主体压密地密封第一开口，并且

其中测量膜的背离基准压力腔的一侧经第二开口与介质压力可接触。

背景技术

在本发明的领域的相对压力传感器的情况下，出现的问题是，承压粘附体是潮湿敏感的。这导致压力测量变换器中的机械应力，这种机械应力最终引起测量误差。在这点上，德国专利申请102008043175描述了改变承压粘附体的结构的方法，通过这种方法，在该发明的压力传感器的情况下，基准压力路径延伸使得承压粘附体通过防潮层免受基准空气。

尽管这些方法取得了改进，但是由于这些类型的屏蔽——例如，粘附体上的硅树脂层或粘附体与基准空气路径之间的橡胶软管——未被气封，它们不是根本解决办法，并且因此，所需努力和实现的改进的比例仍留有很多期待。

欧洲专利申请EP 1065488A1公开了一种电容性陶瓷相对压力传感器，该相对压力传感器包括：充气的测量腔，该测量腔用陶瓷测量膜封闭，在操作期间待测量的压力作用在该测量膜的外侧上；充气可压缩的弹簧弹性膜盒，在操作期间基准压力外部地作用在膜盒上，并且膜盒的内部容积依赖于其基准压力，以及为了使存在于测量腔内的内部压力与基准压力相匹配，膜盒与测量腔连通；以及变换器，用于将依赖于压力的测量膜的变形转换成电的测量变量。在详细的描述中公开了弹簧弹性膜盒可特别具有金属膜，例如，波形膜或弹簧弹性塑料膜，其中，弹性在这里明显具有重要作用。因此，弹性意味着回弹力的存在，这绝对不可避免地导致基准压力被破坏，并且随后导致测量误差。

发明内容

因此，本发明的目的是提供相对压力传感器，这种相对压力传感器克服先前技术的缺点，确保对在支撑主体上的平台的粘附体的可靠的潮气防护，而不降低测量精度。

根据本发明的这个目的是通过如独立专利权利要求1中限定的相对压力传感器来实现的。

因此，本发明的相对压力传感器包括：压力测量变换器，其中该压力测量变换器具有测量膜和平台，其中，在测量膜和平台之间形成基准压力腔；支撑主体，其中平台借助承压粘附体与支撑主体相连接，其中基准压力路径延伸穿过平台和支撑主体，使得把基准压力引入到基准压力腔中；传感器外部主体，在该传感器外部主体中形成变换器腔，其中该变换器腔具有第一开口和第二开口，其中通过第一开口将压力测量变换器带入到变换器腔中，并且借助支撑主体将压力测量变换器保持在变换器腔中，其中支撑主体压密地密封第一开口，并且其中测量膜的背离基准压力腔的一侧经第二开口与介质压力可接触；该相对压力传感器的特征在于：基准压力路径具有充气的密封段，该充气的密封段从基准压力腔延伸至少穿过承压粘附体，其中密封段借助柔性镀金属塑料箔气密地密封。

在本发明的进一步发展中，充气的密封段延伸至少穿过支撑主体。

在本发明的进一步发展的实施例中，充气的密封段包括小管，该小管固定到支撑主体。

塑料箔能够例如沿着周边密封表面与小管气密地相连接，其中周边密封表面围绕的面积大于小管的横截面积。

在这点上，例如，小管能够在其背离基准压力腔的一端具有端表面，该端表面的表面法线相对于小管的纵向轴线倾斜，以便实现较大的面积，或可把形状保持箔支承主体连接到小管，其中，基准压力路径的充气的密封段延伸穿过这个箔支承主体，其中塑料箔沿着周边密封表面与箔支承主体气密地相连接，其中周边密封表面围绕的面积大于小管的横截面积。

箔与小管或与箔支承主体的连接能够例如经由粘合剂、焊接、或卷边或者经由小管或箔支承主体与具有环状夹紧表面的夹紧主体之间的夹紧形成。

在基准压力路径的密封的充气的段中的气体的压力在理想情况下应当等于在箔的外侧作用在箔上的大气压力。这意味着柔性箔的封闭气体的体积波动应当被吸收。封闭气体的体积波动由其温度波动和由大气压力的波动引起，并且实质上与封闭气体的量成正比。例如应当选择封闭气体的量使得在平均温度和平均大气压力的情况下，箔被保持在中间位置。在箔在中间位置的情况下，气体的量由此通过基准压力路径的密封段的容积预先确定。在这方面，如果箔的最大行程应当被限制到最小量，那么最小化密封段的容积是必要的。

在本发明的实施例中，变换器腔的第一开口具有内横截面积A₁，通过该第一开口将测量膜带入到变换器腔中，其中在测量膜和箔之间的基准压力路径的密封段具有长度L，其中：L/(A₁/π)^1/2＜4，优选地，L/(A₁/π)^1/2＜3。以这种方式，由于垂直于开口平面的延伸的密封段的容积受到限制。

在本发明的实施例中，变换器腔的第一开口具有内横截面积A₁，其中箔在横截面积A₁上的垂直投影形成投影表面A₂，其中：A2/A1＜1，特别地，A2/A1＜0.9，优选地，A2/A1＜0.8。在这种尺寸的情况下，选择是环绕该箔从变换器腔延伸出电馈通，其中这些电馈通围绕基准压力路径。

根据本发明的实施例，压力测量变换器可以是具有至少两个电阻元件的(压电式)电阻性压力测量变换器，或具有至少两个电极的电容性压力测量变换器，其中相对压力传感器还具有电子电路，该电子电路的输入端连接到到压力测量变换器的电阻元件或电极，其中基准压力路径的密封段空间地布置在压力测量变换器和电子电路之间。

与本发明相关，术语“承压”是指这样的性质：由于变换器腔中压力测量变换器的压力载荷而引起的这些力作用在粘附体上，几乎没有导致粘附体的不可逆的变形，该变形对传感器的零点和测量范围可能有影响。

在压力测量变换器的压力载荷中，粘附体中的剪切应力例如不大于E/500，优选地，不大于E/1000，其中E是粘附体所使用的材料的弹性模量。

很显然，实际上发生的剪应力包括三个变量，即，第一、材料的性质，第二、粘附体的有效面积，和第三、施加的压力，或规定的最大压力。

作为粘附体的材料，尤其是弹性模量例如为2GPa至4GPa的环氧粘合剂是适合的。

在本发明的进一步的发展中，与平台的基部相比，粘附体的有效面积减小了，以这种方式在平台和支撑主体之间提供收缩或瓶颈。这种收缩使得与粘附体横跨平台的整个基部表面的实施例相比，由于平台和支撑主体的不同的热膨胀系数所引起的平台中的机械应力减小了。在本发明的进一步的发展中，由粘附体的周边所包围的面积总计小于平台的基部表面的18％，优选地小于12％，更优选地小于6％。

附图说明

现在将根据附图更详细地解释本发明，本发明的附图如下所示：

图1本发明的压力测量变换器的实施例的第一实例的透视图；

图2本发明的压力测量变换器的实施例的第二实例的透视图；以及

图3本发明的相对压力传感器的实施例的实例的纵截面。

具体实施方式

图1中所示的压力测量变换器1包括带有测量膜的硅片2，该硅片借助阳极接合固定到实质上矩形体形状的平台3上，该平台包括硼硅酸盐玻璃(派热克斯玻璃)，并且基准压力孔穿过该平台。平台3借助环形承压粘附体9固定到板形支撑主体4上。基准空气管5连接到支撑主体4，该基准空气管5与穿过支撑主体4、穿过承压粘附体9的中心孔对准，并且与穿过平台3的基准压力孔对准。基准压力管5具有倾斜的端表面6，在该端表面上的边缘上固定有镀金属塑料箔(未示出)，从而压密地密封通过基准管5的基准压力路径。以这种方式形成的基准压力路径的密封段从镀金属塑料箔延伸到半导体芯片2的测量膜的下面，其中该密封段延伸穿过基准压力管5、穿过支撑板4的孔、支撑主体4和平台3之间的环形承压粘附体9、以及穿过平台3的基准压力孔，进入到在半导体芯片2的测量膜下方的基准压力腔中。电馈通7布置在环绕基准压力管5的支撑主体4的周边上，从而借助电馈通7和半导体芯片2之间的接合线接触半导体芯片2的压阻式电阻元件(此处未示出)。

此外，填充管8延伸穿过支撑主体4，在将压力测量变换器安装到壳体的变换器腔中之后，通过该填充管8能够对变换器腔填充液压传送液体。

由于基准压力管5的倾斜切断的面积6，其上固定有镀金属箔的端表面大于基准压力管5的平直切断的情况。这使得箔的更大容积行程成为可能，从而使封闭在基准压力路径中的气体的体积波动均衡。基准压力路径的密封部分的容积可以介于例如5μl和20μl之间，使得在±25％的体积波动的情况下，镀金属塑料箔必须吸收±1.25微升到±5μl的容积行程。为了扩大可用容积行程，这是很可能的，尤其是当箔具有压印的波型时。

图2示出了在半导体芯片12借助阳极接合固定到平台13上的情况下的压力测量变换器11。平台13借助环形承压粘附体固定到支撑主体14上，其中基准压力路径穿过平台13、承压粘附体和穿过支撑主体14与该承压粘附体对齐的中心孔延伸，并在基准压力管15中延续，该基准压力管15固定到支撑主体14。箔支承主体16安装在基准压力管15上，基准压力路径穿过该箔支承主体16延续。箔支承主体16实质上为圆柱形，其中选择其半径使得箔支承主体16装配在电馈通17之间，该电馈通17布置在环绕支撑主体14的中心的圆弧上并且延伸穿过该支撑主体14。此外，填充管18延伸穿过支撑主体14，从而在将压力测量变换器安装到相对压力传感器的变换器腔中之后，允许对变换器腔填充液压传送液体。镀金属塑料箔19沿着周边焊缝压密地固定在箔支撑主体16的背离基准压力管15的端面上，从而压密地密封一段基准压力路径。箔支承主体16的半径大于基准压力管15的半径，并且因此使得比箔直接固定在基准压力管15的情况大的容积行程成为可能。在任何情况下，镀金属塑料箔19的容积行程在具有波型的给定的情况下足以均衡箔的平衡位置附近的若干μl的体积波动。示出的具有仍定位在电馈通的区域中的基准压力路径的密封段的压力测量变换器的紧凑结构使得能够在不付出较大的适应性努力的情况下实现本发明，因为例如箔支承主体16和镀金属箔19能够安置在支撑主体14和预处理电路(此处未示出)之间，该预处理电路连接电馈通17。

图3示意性地示出了如何将图2的压力测量变换器布置在传感器外部主体中，从而完成本发明的相对压力传感器。除了压力变换器11之外，相对压力传感器包括传感器外部主体20，在该传感器外部主体20中形成有变换器腔21。压力供应线24从传感器外部主体20的背离变换器腔21的外部表面22延伸到变换器腔21的端面23。该压力供应线优选满足火焰穿透屏蔽的要求。隔膜床25形成在外部表面22上，该隔膜床25由隔离隔膜27密封从而形成压力引导腔26，其中隔离隔膜27的边缘压密地焊接到外部表面22。压力测量变换器11与在前面的硅芯片12一起插入到变换器腔21中，其中支撑主体14通过硬钎焊或焊接与传感器外部主体20压密地连接。对在变换器腔21中的剩余自由容积、在压力供应线24和在压力引导腔26中填充压力传送液体，尤其是压力传送油，从而将作用在隔离隔膜27上的压力传送到压力测量变换器的测量膜。压力测量变换器的测量膜的挠度取决于引入的介质压力和通过箔19引入到基准压力路径的密封段中的大气压力之间的差。半导体芯片12的压阻式电阻元件(未示出)通过接触垫和接合线与电馈通17相连接，该电馈通17进而连接到处理电路30，通过该处理电路30对电阻元件馈电。

通过将基准压力路径的密封段限制在半导体芯片12和处理电路30之间的非常短的区域，这个段的容积很小，使得能够提供镀金属塑料箔的需要的容积行程，而不破坏引入到基准压力路径的密封段中的大气压力。以这种方式，有效地使平台13和支撑主体14之间的承压粘附体9免受潮湿，而不降低压力测量质量。

能够例如以在专利申请102009001133中所陈述的方式发生变换器电路的接触。另外，在该专利申请中所陈述的填充元件能够设置在变换器腔中，从而最小化剩余的油体积。出于简明目的，在本申请中省略对接触方式和填充元件的陈述。

Claims

1.相对压力传感器，包括：

压力测量变换器(11)，其中所述压力测量变换器具有半导体芯片(12)的测量膜和平台(13)，其中，在所述测量膜和所述平台(13)之间形成基准压力腔；

支撑主体(14)，其中所述平台借助承压粘附体(9)与所述支撑主体相连接；

其中基准压力路径延伸穿过所述平台(13)和所述支撑主体(14)，使得把基准压力引入到所述基准压力腔中；

传感器外部主体(20)，在所述传感器外部主体中形成变换器腔，

其中所述变换器腔具有第一开口和第二开口(23)，

其中经所述第一开口把所述压力测量变换器(11)带入到所述变换器腔中，并且借助所述支撑主体把所述压力测量变换器保持在所述变换器腔中，

其中所述支撑主体(14)压密地密封所述第一开口，并且

其中所述测量膜的背离所述基准压力腔的一侧经所述第二开口与介质压力可接触，

所述相对压力传感器的特征在于：

所述基准压力路径具有充气的密封段，所述充气的密封段从所述基准压力腔延伸至少穿过所述承压粘附体(9)，

其中该密封段借助柔性镀金属塑料箔(19)气密地密封。

2.如权利要求1所述的相对压力传感器，其中所述充气的密封段延伸至少穿过所述支撑主体。

3.如权利要求2所述的相对压力传感器，其中所述充气的密封段包括小管，所述小管固定到所述支撑主体。

4.如权利要求3所述的相对压力传感器，其中所述塑料箔沿着周边密封表面与所述小管气密地相连接，其中所述周边密封表面围绕的面积大于所述小管的横截面积。

5.如权利要求4所述的相对压力传感器，其中所述小管在其背离所述基准压力腔的一端具有端表面，所述端表面的表面法线相对于所述小管的纵向轴线倾斜。

6.如权利要求3所述的相对压力传感器，其中形状保持箔支承主体连接到所述小管，其中所述基准压力路径的所述充气的密封段延伸穿过所述形状保持箔支承主体，其中所述塑料箔沿着周边密封表面与所述小管气密地相连接，其中所述周边密封表面围绕的面积大于所述小管的横截面积。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的相对压力传感器，其中所述变换器腔的所述第一开口具有内横截面积A₁，其中在所述测量膜和所述箔之间的所述基准压力路径的所述密封段具有长度L，其中：L/(A₁/π)^1/2<4。

8.如权利要求7所述的相对压力传感器，其中L/(A₁/π)^1/2<3。

9.如权利要求1-6中任意一项所述的相对压力传感器，其中所述变换器腔的所述第一开口具有内横截面积A₁，其中所述箔在所述横截面积A₁上的垂直投影形成投影表面A₂，其中：A₂/A₁<1。

10.如权利要求9所述的相对压力传感器，其中A₂/A₁<0.8。

11.如权利要求7所述的相对压力传感器，其中所述变换器腔的所述第一开口具有内横截面积A₁，其中所述箔在所述横截面积A₁上的垂直投影形成投影表面A₂，其中：A₂/A₁<1。

12.如权利要求11所述的相对压力传感器，其中A₂/A₁<0.8。

13.如权利要求1-6中任意一项所述的相对压力传感器，其中所述压力测量变换器是具有至少两个电阻元件的压电式电阻性压力测量变换器，或具有至少两个电极的电容性压力测量变换器，其中所述相对压力传感器还具有电子电路，所述电子电路的输入连接到所述压力测量变换器的所述电阻元件或所述电极，其中所述基准压力路径的所述密封段空间上布置在所述压力测量变换器和所述电子电路之间。

14.如权利要求7所述的相对压力传感器，其中所述压力测量变换器是具有至少两个电阻元件的压电式电阻性压力测量变换器，或具有至少两个电极的电容性压力测量变换器，其中所述相对压力传感器还具有电子电路，所述电子电路的输入连接到所述压力测量变换器的所述电阻元件或所述电极，其中所述基准压力路径的所述密封段空间上布置在所述压力测量变换器和所述电子电路之间。

15.权利要求9所述的相对压力传感器，其中所述压力测量变换器是具有至少两个电阻元件的压电式电阻性压力测量变换器，或具有至少两个电极的电容性压力测量变换器，其中所述相对压力传感器还具有电子电路，所述电子电路的输入连接到所述压力测量变换器的所述电阻元件或所述电极，其中所述基准压力路径的所述密封段空间上布置在所述压力测量变换器和所述电子电路之间。