CN105899924A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器(1)，包括可根据压力变形的测量隔膜(2)和以压密方式相互连接并且形成测量腔(5)的配合体(3)，在测量腔(5)中提供参考压力，其中压力可以施加到测量隔膜(2)的外侧，其中压力传感器(1)具有电容变送器，电容变送器具有至少一个配合体电极(8，9)和至少一个隔膜电极(7)，其中对压力限制值以上的压力，至少所述测量隔膜(2)的中心表面部分以接触面积(A(p))抵靠配合体，该接触面积的尺寸依赖于所述压力，其中压力传感器还具有电阻变送器，用于当在高于压力限制值的数值范围内压下时，使用依赖于所述测量隔膜(2)在所述配合体(3)上的接触面积的电阻值，将所述测量隔膜的压力相关变形转换为电信号。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器——特别是多级压力传感器。电容压力传感器通常包括测量隔膜和配合体，其中测量隔膜与配合体沿着圆周边缘以压密方式连接，在配合体和测量隔膜之间形成测量腔，在其中提供参考压力。其中待测压力可以施加到背对测量腔的测量隔膜的外侧，其中测量隔膜根据压力会发生变形。其中压力传感器具有电容变送器，电容变送器具有至少一个配合体电极和至少一个隔膜电极，其中配合体电极和隔膜电极之间的电容依赖于测量隔膜的压力相关变形。并且其中测量隔膜中心表面部分在过载的情况下以抵靠面积抵靠配合体，抵靠面积的尺寸依赖于压力。

背景技术

由于被安置在配合体上，测量隔膜被另外的过载压力范围支撑，这防止测量隔膜达到断裂应力。一方面，这保护传感器不会受损，然而另一方面，高压力范围的电容压力测量由此变得不可能。

尽管如此，为了使得其成为可能，有一个选择，即增加测量隔膜和配合体之间的距离，使得仅当压力较高的时候测量隔膜抵靠在配合体上。然而，出于两个原因这是不利的。首先，随着电极之间距离的增加，dC/dp动态性能降低，其次，达到断裂应力并因此损坏压力传感器变得更为可能。另一方面，使用较坚硬的测量隔膜，这反过来会引起dC/dp动态性能的损失。

然而，真空过程期间，必须以高精度来测量低压力的测量任务是已知的，在所述真空过程中，在制炼厂的连续饱和蒸汽消毒过程中捕获现行气体压力。如果必要的话，后者可以采用较低的测量精度来完成。

发明内容

本发明的目的由此在于解决上述问题。

根据本发明，通过根据独立权利要求1的压力传感器完成该任务。

根据本发明的压力传感器包括测量隔膜和配合体，其中测量隔膜与配合体沿着圆周边缘以压密方式连接，其中在配合体和测量隔膜之间形成测量腔，在其中提供参考压力，其中待测压力可以施加到背对测量腔的测量隔膜的外侧，其中测量隔膜根据压力会发生变形，其中压力传感器具有电容变送器，电容变送器具有至少一个配合体电极和至少一个隔膜电极，其中配合体电极和隔膜电极之间的电容依赖于测量隔膜的压力相关变形，其中，对压力限制值以上的压力，至少测量电极的中心表面部分以尺寸依赖于该压力的接触面积抵靠配合体，并且其中压力传感器还具有电阻变送器，用于在压力限制值以上，根据依赖于测量隔膜在配合体上的接触面积的电阻，将测量隔膜的压力相关变形转换为电信号。

绝对压力传感器内的参考值为真空压力，例如，小于10^-3hPa(10^-3mbar)，和/或在相对压力传感器情况下为环境大气压力。

本发明的另一个发展中，电阻变送器具有至少两个电极，其中，必须在至少两个电极之间确定电阻，变送器根据该电阻提供电信号。

本发明的另一个发展中，电阻变送器具有至少一个电阻器层，其中电阻变送器的至少一个电极被涂敷，其中在压力在压力限制值之上时，依赖于测量隔膜在配合体上的抵靠面积，电阻变送器的第一电极的电阻器层与第二电极和/或第二电极的电阻器层具有接触面积。

本发明的另一个发展中，接触面积基本等于抵靠面积。

本发明的另一个发展中，电容变送器的隔膜电极形成电阻变送器的第一电极，电容变送器的配合体电极形成电阻变送器的第二电极。

本发明的另一个发展中，电容变送器包括至少两个配合体电极，其中第一配合体电极布置在第一径向区域内，第二配合体电极布置在第二径向区域内，较之第二径向区域，第一径向区域包括较小的半径，对压力限制值之上的第一压力范围，仅在第一径向区域内形成抵靠面积，并且设计电阻变送器使得提供依赖于第一配合体电极和隔膜电极之间的电阻的信号。

根据本发明的一个实施例，两个配合体电极被布线成差动电容器，与处于抵靠位置的测量隔膜的隔膜电极相比，电容相同。对这些差动电容器经常使用的转换函数形式为：p＝p((cp-cr)/cr)。

本发明的另一个发展中，压力传感器还包括评估电路，其被设计为对压力限制值之下的压力提供依赖于电容的压力测量值，电阻变送器的信号成为确定压力限制值以上的值范围内的压力测量值的一部分。

本发明的另一个发展中，评估电路被设计成，针对压力限制值后紧接着的第一压力范围的至少一部分，根据隔膜电极和第二配合体电极之间的电容，确定压力测量值。

本发明的另一发展中，评估电路被设计为当电阻降至低于电阻限制值时，根据来自电容变送器的信号确定压力测量值。

本发明的另一发展中，隔膜电极和第二配合体电极之间的电容的压力测量值同样在朝着较低压力范围跟随第一压力范围的第二压力范围内被确定，第二压力范围具有较低的阈值，例如，不小于压力限制值的75％，优选，不小于压力限制值的90％。

在低于压力限制值的第二区域内仅基于外部配合体电极的电容确定压力允许在内部配合体电极的电容与增加的压力有差异的范围内的稳定的测量压力，因此，将可靠的变换合并为依赖于电容的信号。类似的，接触面积在压力限制值之上的压力处仍然小，使得来自电阻变送器的信号同样会承受强的扰动。在此外部电极的电容给出了可以提供稳定信号的机会，该信号正好适于覆盖压力限制值周围的关键过渡范围，尽管外部配合体电极的电容的dcr/dp动态性能自然会受限。

本发明的另一个发展中，电阻层包括SiC或TiO₂。

本发明的另一个发展中，测量隔膜和配合体包括陶瓷材料，特别是刚玉，其中电容变送器的电极包括金属。

本发明的另一个发展中，测量隔膜的特征在于是半导体-特别是硅。

附图说明

如下将基于附图中所示的示例性实施例进一步解释本发明的细节，其中：

图1：通过根据本发明的压力传感器的示例性实施例的纵向视图。

图2：电容压力传感器的示例性实施例的电容的视图，具有以纯电容模式在压力范围内被评估的差动电容器。

图3：由图2的差动电容器的电容确定的转换函数图；以及

图4：表征差动电容器电容以及压力限制值周围的压力范围内的差动电容器的内部电极和隔膜电极之间接触面积的视图。

具体实施方式

如图1所示的压力传感器1包括盘状陶瓷测量隔膜2，沿着圆周接头4与较坚硬的盘状陶瓷配合体3压密地连接，由此在配合体3和测量隔膜2之间产生测量腔5。测量隔膜和配合体特别的包含刚玉(corundum)。接头特别包括活性硬焊料，如Zr-Ni-Ti活性硬焊料或玻璃。

测量隔膜在横跨其整个配合体表面具有隔膜电极7，例如，包括金属层，特别是Ta层，其中电极直径2R，R为测量隔膜柔性区域的半径，与接头的内半径对应。在测量隔膜一侧的配合体表面上，布置中心盘状测量电极8，被盘状参考电极9包围，电极9的电容基本上与处于测量隔膜2的抵靠位置的隔膜电极7的电容相同。参考电极9到测量电极8和接头4的距离每个大约为0.1R。参考电极9和测量电极8经由金属转接10、11通过基体电接触。隔膜电极7例如经由接头4放置在切换接地(switching ground)上。

测量电极8覆盖有电阻层18，例如是厚度为10-100μm的SiC。该层的特定电阻例如接近1kΩ·m到10kΩ·m。

本发明的另一个实施例中，电阻层包括TiO₂钛氧化物(tandioxyde)或者掺杂的TiO₂，其中邻接接头的TiO₂具有阻焊(solder resist)预制的特性，防止在测量隔膜与基底连接的过程中，任何硬焊料流入测量腔5。由于在连接点和阻焊之间建立了流电(galvanic)接触，阻焊必须与外部的配合体电极绝缘。为此目的，最简单的方式是将电阻层施加到隔膜电极上。如果要在配合体上制备具有阻焊功能的TiO₂电阻层，则其必须相应地结构化，从而使得配合体电极与连接点相互绝缘。

当在压力限制值之上测量隔膜2发生偏转，偏转的程度使得其中心抵靠在配合体3上，那么隔膜电极7和测量电极8之间存在电接触，和/或在甚至更高压力下并且在测量隔膜和配合体之间足够小的平衡距离下-也可能在隔膜电极7和参考电极9之间存在电接触。由于电极上的电阻层18、19，使得没有短路，但有限定的电阻，该电阻的值随着接触面积的增加而降低。这里的电阻例如是在隔膜电极7抵靠的切换接地和测量电极8和/或参考电极9的转接10和/或11之间被获得。所示的示例性实施例中，隔膜电极7抵靠在包括活性硬焊料的导电连接点4上的切换接地上。如果测量隔膜需要借助于玻璃焊料与配合体一同形成，则隔膜电极例如可以通过配合体和连接点与电转变(未示出)相接触。

如图2所示，上述差动电容器的电容主要遵循如下的依赖压力过程。在测量隔膜的抵靠位置上，压力p＝0，测量电极的电容等于参考电极的电容。随着压力增加，实线表示的测量电极电容cp增加到超过虚线表示的参考电极电容cr。图3进而表示基于附图2所示的电容的典型的转换函数(cp-cr)/cr，其中电容变送器发射根据转换函数而定的信号。该转换函数通常应用的范围例如扩展到整个压力范围为p＝-0.3到p＝0.3和/或p＝-0.5到p＝0.5，其中p＝1为测量隔膜的中心接触配合体的压力。如图2所示，对p＞0.5，测量电极电容cp急速增加，例如导致针对小的压力范围，使用AD变送器的相对大数值范围的必要性，这通常也在最关注的测量范围的周边区域内被发现。如果压力继续接近p＝1，测量电极电容理论上接近无穷大，由此使得它和/或由它推导出来的转换函数不再适于确定压力测量值。为了更好地说明这个问题，图4再次对p＝0.5和p＝2之间的压力范围示出测量电极电容cp(采用实线)和参考电极电容cr(采用虚线)。图4还示出测量电极和隔膜电极(采用虚线)之间的接触面积。对p＞0.8和/或0.9，测量电极电容增加，使得对于相应信号的任何评估需要耗费巨大劳动才能完成。测量电极电容还会在p＝1的时候失灵，因为所牵涉的电极相互接触。另一方面，电阻变送器捕获的接触面积在p＝1处仍然非常小，从而相对小的压力波动会导致不稳定的电阻信号。电阻变送器捕获电阻由此仅用于可靠确定p＞1.05和/或p＞1.1情况下的接触面积和/或压力。对于p＝1附近过渡范围的压力范围，例如0.9＜p＜1.05和/或0.8＜p＜1.1，根据参考电极电容确定压力是合适的，这实际上仅表示该过渡范围内dc/dp＞0的最小动态特性，但是相比于上述数值具有稳定和持续的过程，基于此可以执行和/或支持在过渡区域中的压力测量。

Claims (12)

1.一种压力传感器(1)，包括：

测量隔膜(2)；以及

配合体(3)，

其中所述测量隔膜(2)与所述配合体(3)沿着圆周边缘压密连接，

其中在所述配合体(3)和所述测量隔膜(2)之间形成测量腔(5)，在其中应用参考值，

其中待测压力被施加到背对所述测量腔(5)的测量隔膜(2)的外侧，

其中所述测量隔膜(2)根据压力变形，其中所述压力传感器(1)具有电容变送器，所述电容变送器具有至少一个配合体电极(8，9)和至少一个隔膜电极(7)，其中所述至少一个配合体电极(8，9)和所述隔膜电极(7)之间的电容依赖于所述测量隔膜(2)的压力相关变形，其中对压力限制值以上的压力，至少所述测量隔膜(2)的中心表面部分以尺寸依赖于该压力的抵靠面积(A(p))抵靠配合体，其中所述压力传感器进一步特征在于电阻变送器，用于根据依赖于所述测量隔膜(2)在所述配合体(3)上的抵靠面积的电阻，把压力限制值以上的数值范围内的压力下的所述测量隔膜的压力相关变形转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述电阻变送器具有至少两个电极(7，8，9)，其中，必须在所述至少两个电极之间确定电阻，所述电阻变送器根据该电阻提供所述电信号。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中所述电阻变送器具有至少一个电阻器层(18，19)，在该电阻器层中所述电阻变送器的电极(7，8，9)的至少一个被涂敷，其中在大于所述压力限制值的压力下，依赖于所述测量隔膜(2)在所述配合体(3)上的抵靠面积，所述电阻变送器的第一电极(7)的电阻器层具有到第二电极(8)和/或到第二电极(8，9)的电阻器层(18，19)的接触面积(A(p))。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中所述接触面积(A(p))基本上等于所述抵靠面积。

5.根据权利要求2或者从属于权利要求2的权利要求所述的压力传感器，其中所述电容变送器的所述隔膜电极(7)形成所述电阻变送器的第一电极，并且其中所述电容变送器的所述至少一个配合体电极(8，9)形成所述电阻变送器的第二电极。

6.根据前述任意一个权利要求所述的压力传感器，其中所述电容变送器包括至少两个配合体电极(8，9)，其中第一配合体电极(8)布置在第一径向区域内，第二配合体电极(9)布置在第二径向区域内，其中较之所述第二径向区域，所述第一径向区域包括较小的半径，其中仅在所述第一径向区域内针对所述压力限制值之上的第一压力范围形成所述抵靠面积，其中设计所述电阻变送器使得提供依赖于所述第一配合体电极(8)和所述隔膜电极(7)之间的电阻的信号。

7.根据前述任意一个权利要求所述的压力传感器，还包括评估电路，其被设计成对所述压力限制值之下的压力提供依赖于电容的压力测量值，所述电阻变送器的信号成为确定所述压力限制值以上的压力测量值的一部分。

8.根据权利要求6和7所述的压力传感器，其中所述评估电路被设计成，在所述压力限制值后紧接着的第一压力范围的至少一部分内，根据隔膜电极和所述第二配合体电极之间的电容，确定压力测量值。

9.根据权利要求7或8所述的压力传感器，其中所述评估电路被设计成，当所述电阻降至低于电阻限制值时，根据来自所述电容变送器的信号，确定压力测量值。

10.根据权利要求3或从属于权利要求3的权利要求所述的压力传感器，其中所述电阻层包括SiC或TiO₂。

11.根据前述任意一个权利要求所述的压力传感器，其中所述测量隔膜和所述配合体包括陶瓷材料——特别是刚玉，其中所述电容变送器的电极包括金属。

12.根据前述任意一个权利要求所述的压力传感器，其中所述测量隔膜包括半导体——特别是硅。