CN111837021A

CN111837021A - 用于确定压差大小的压差传感器

Info

Publication number: CN111837021A
Application number: CN201980017855.6A
Authority: CN
Inventors: 帕特里克·多里亚
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-10-27
Also published as: WO2019174858A1; US20210010889A1; EP3765829A1; US11237069B2; DE102018105867A1

Abstract

用于确定压差大小的压差传感器(1)，包括：‑压差测量换能器(20)，该压差测量换能器具有测量膜(21)和用于将所述测量膜(21)的压力相关的变形转换为所述压差大小的电路(22)，‑膜密封件(30)，该膜密封件具有膜密封主体(31)，填充有传递流体(39)的压力室(32)位于所述膜密封主体中，其中具有凹部的压力室填充主体(33)布置在所述膜密封主体中，以便填充压力室(32)的壁与布置在凹部中的压差测量换能器(20)之间的空腔，其中第一压力在第一测量膜侧(21a)上被施加到压差测量换能器，并且第二压力(p2)被施加到第二测量膜侧(21b)，结果测量膜的变形表示第一压力(p1)与第二压力(p2)之间的压差大小，其中用于确定第一压力(p1)的绝对压力大小的压电层(40)设置在压力室(32)内部。

Description

用于确定压差大小的压差传感器

技术领域

本发明涉及一种用于确定压差大小的压差传感器。

背景技术

压差传感器用于检测压差，并用于工业测量技术中。在那里，它们例如用于水平测量或流量测量。对于水平测量，例如，测量容器的底部处的第一压力与填充材料上方的第二压力之间的差。该差与容器中的填充水平相关的流体静压力成比例，并且因此与填充水平成比例。对于流量测量，例如，在管线中使用流动阻力，并且借助于压差测量传感器来确定该阻力之前的第一高压侧压力与该阻力之后的第二低压侧压力之间的差。此压差是流动通过管线的流量的量度。

在压力测量技术中，所谓的半导体压差换能器(例如，具有掺杂电阻元件的硅芯片)通常用作压敏元件。对应压差换能器通常包括测量膜，在测量操作期间，该测量膜的一侧暴露于第一压力并且另一侧暴露于第二压力。所涉及的压力创建测量膜的偏转，该偏转对应于要测量的压差。半导体压力换能器通常非常灵敏，并且因此不直接暴露于要检测其压力的介质。相反，填充有传递流体的膜密封件被安装在上游。

为此，膜密封件经常具有实心的、通常为多部分的膜密封主体，在该膜密封主体上，两个分离膜在外部布置成彼此平行且相对。在这种情况下，分离膜中的一个分离膜关闭第一压力接收室，该第一压力接收室经由第一液压路径连接到压力室，压差换能器以使得作用在此分离膜上的压力被提供到测量膜的第一侧的方式布置在该压力室中。对应地，分离膜中的另一个分离膜关闭第二压力接收室，其中作用在此分离膜上的压力借助于第二液压路径经由该第二压力接收室被提供到测量膜的第二侧。因此，压差换能器可基于所提供的两个压力来确定压差大小。

然而，更经常的是，除了压差大小之外，还需要确定介质的所谓的静态压力。出于此目的，压差传感器被设计成使得除了用于确定压差的压差换能器之外，它们还具有用于确定作用在分离膜上的两个压力中的一个压力的绝对压力的绝对压力换能器。

这种变型的缺点在于，通过集成两个压力换能器，结构和连接技术变得复杂，并因此昂贵。在这种变型中，也需要增大的量的传递流体，因为对应压力必须被提供到两个压力换能器。增大的量的传递流体转而具有压力传感器的测量性能(特别是，关于压差确定)受损的缺点。

发明内容

因此，本发明的目标是提出一种压差传感器，该压差传感器可确定压差大小与绝对压力大小两者，并且可成本有效地生产。

根据本发明，该目标由根据权利要求1的压差传感器实现。

根据本发明的用于确定压差大小的压差传感器包括：

-压差换能器，该压差换能器具有测量膜和用于将测量膜的压力相关的变形转换为压差大小的电路，

-膜密封件，该膜密封件具有膜密封主体，填充有传递流体的压力室位于该膜密封主体中，并且具有凹部的填充主体布置在该膜密封主体中，以便填充压力室的壁与布置在凹部中的压差换能器之间的空腔，其中第一液压路径和第二液压路径各自在第一开口与第二开口之间延伸穿过膜密封主体，其中第一开口各自由第一分离膜关闭，第一分离膜可使第一压力或第二压力得以施加，以便将第一压力引入到第一液压路径中并将第二压力引入到第二液压路径中，其中第一液压路径在压力室中的第二开口处打开，使得第一压力在第一测量膜侧上被施加到压差换能器的测量膜，其中第二压力经由第二液压路径被施加到第二开口处的第二测量膜侧，使得测量膜的变形表示第一压力与第二压力之间的压差大小，其中压电层被设置在压力室内以确定第一压力的绝对压力大小。

根据本发明，因此提出，在压力室内引入压电层，使得可以确定压力室中占优势的第一压力的绝对压力大小或介质的所谓的静态压力。通常，第一压力被理解为高压侧的压力，其绝对压力大小也相应地被确定。然而，本发明不受第一压力现在表示高压侧的压力还是低压侧的压力的限制。

与从现有技术所知的变型相比，压电层具有优点在于，它们较容易集成，并且因为这些材料当今也可通过半导体工艺来生产，所以同时也较经济。虽然当今还不能实现精确测量(例如利用为此专门生产的绝对压力换能器是可能的)，但当前已实现的借助于压电层来确定静态压力或绝对压力大小的精度仍是足够的。因为不需要额外压力换能器，所以根据本发明的压差传感器还提供了用较少的传递流体进行管理的优点。此外，利用根据本发明的压差传感器，与从现有技术所知的双芯片变型相比，可以减小大小。

根据本发明的压差传感器的有利实施例提出，压电层至少部分被施加到压力室和/或填充主体的至少一个壁。

根据本发明的压差传感器的又一有利实施例提出，用于导出压电层的第一侧的第一电信号的第一导电层被施加在压力室或填充主体的壁与压电层之间，其中压电层被施加到导电层，并且导电层至少局部地暴露，使得压电层的第一侧的第一电信号可经由至少一个接触表面被导出。

根据本发明的压差传感器的又一有利实施例提出，用于导出压电层的第二侧的第二电信号的第二电层被施加到压电层，其中第二电信号经由固定在第二电层上的接合线被导出。

根据本发明的压差传感器的又一有利实施例提出，填充主体包括非导电材料，特别是，玻璃、塑料、陶瓷。

根据本发明的压差传感器的又一有利实施例提出，压电层基本上完全覆盖压力室或填充主体的壁。

根据本发明的压差传感器的又一有利实施例设置评估单元，第一电信号和第二电信号被提供到该评估单元，并且该评估单元被配置成基于第一电信号和第二电信号来确定第一压力的绝对压力大小。

根据本发明的压差传感器的又一有利实施例提出，在压电层至少部分地覆盖压力室的侧壁或被施加到压力室的侧壁的情形下，在壁与压电层之间设置绝缘层。

附图说明

基于以下附图来更详细地解释本发明。如下所示：

图1是从现有技术所知的压差传感器的结构的截面，

图2是根据本发明的压差传感器的载体主体的第一示例性实施例，

图3是根据本发明的压差传感器的载体主体的第二示例性实施例，以及

图4是根据本发明的压差传感器的示例性部分层结构。

具体实施方式

图1示出从现有技术所知的压差传感器的结构的截面。此压差传感器包括具有由多个部件构成的膜密封主体31a、31b、31c的膜密封件30以及压差换能器20和绝对压力换能器70，压差换能器20和绝对压力换能器70两者被设计为半导体压力换能器。

在图1所示的实例中，膜密封主体31包括由金属、特别是钢或不锈钢制成的基本上实心的块31a，以及充当两个压力换能器20、70的载体的载体主体31b。实心块31a在一个侧表面上具有第一分离膜37a并且在与第一侧表面相对的侧表面上具有第一分离膜37b。两个第一分离膜37a和37b各自封闭在外部集成到实心块中的第一压力接收室38a、38b。在实际测量操作期间，第一压力p1作用在第一分离膜37a背离实心块31a的一侧上，或者第二压力p2作用在另一第一分离膜37b背离实心块31a的一侧上。压力p1与p2两者例如在图1中由箭头表示。两个压力p1和p2分别经由第一液压路径34a和第二液压路径34b而被导引到两个压力换能器20、70。出于此目的，第一液压路径34a从第一压力接收室38a的第一开口35a经由毛细管系统31c穿过实心块31a延伸到载体主体31b中的第二开口36a。因此，第一液压路径34a经由第二开口36a通向压力室32，该压力室被集成在载体主体31b中，并将第一压力p1提供到压差换能器20的测量膜21的前侧21a。压力室32与第一液压路径34a两者填充有用于传输对应压力的传递流体39。

为了保持压力室32中的传递流体39的体积尽可能小，压差传感器1还具有被引入到压力室32中的填充主体33。填充主体33填充压力室的壁与各自嵌入在填充主体33的凹部中的压力换能器20、70之间的空腔。

第二液压路径34b从第一压力接收室38b的第一开口35b经由毛细管系统31c依次穿过实心块31a延伸到载体主体31b中的第二开口36b。第二开口36b设置在载体主体31b中，以使得经由第二液压路径34b传输的第二压力p2被提供到压差换能器20的测量膜21的后侧21b。出于此目的，第二液压路径34b同样填充有传递流体39。

由于作用在测量膜21的前侧21a上的第一压力p1和作用在测量膜21的后侧21b上的第二压力p2，测量膜21经历压力相关的偏转。压力相关的偏转可转而例如由集成在测量膜21中的压阻元件计量地检测，使得压差大小可由用于转换压力相关偏转的电路22来确定。或者，代替压阻元件，电容元件也可用于计量地测量压力相关的偏转。

此外，第一压力p1也经由压力室32被导引到绝对压力换能器的测量膜71的前侧71a，使得测量膜71也经历偏转，该偏转取决于第一压力p1并且转而可以被计量地检测，以便确定绝对压力测量大小。

图1所示的结构指示，结构和连接技术方面的增加的费用对于集成两个压力换能器20、70是必要的。因此，通常被设计为半导体压力换能器的两个压力换能器必须被引入到填充主体中。这意味它们必须被对应地放置、对齐，并且随后被固定，例如，胶合。特别地，当将压力换能器相对于彼此放置时，还必须遵守关于防爆措施的潜在间隙规格。

然而，不仅结构和连接技术受到这种结构的影响，压力室的尺寸也必须足够大，以使两个压力换能器在其中具有空间。这意味相对大的体积必须填充有传递流体，这转而导致压差传感器(特别是，压差换能器)从计量角度遭受性能损失。

图2示出根据本发明的压差传感器的载体主体31b的第一示例性实施例。与图1所示的示例相反，压差传感器没有半导体组件的形式的绝对压力换能器。相反，集成在载体主体的压力室中的填充主体具有用于确定第一压力p1的压电层40。在图2所示的示例中，压电层40基本上被施加到填充主体的侧表面或壁的整个区。

为了电接触压电层40，设置第一导电层50，该第一导电层在施加压电层40之前被施加到填充主体33的侧表面或壁。为了能够从压电层40分接第一电信号，第一导电层50具有被局部地限定为接触表面51的至少一个突出部。如图2所示，突出部可以以两层被设计成基本上圆形的方式设计，其中压电层40具有比第一导电层50小的直径，使得边缘区域被形成为突出部并因此形成为接触表面51。边缘区域例如在图2中由虚线圆示出。附加地或替代地，第一导电层50可具有又一突出部，该又一突出部局部地暴露并被设计成使得该又一突出部不像圆形突出部的情况那样在所有侧上突出超过压电层，而是仅在局部有限区域中突出。

例如，用于电接触的接合线可以被固定到接触表面51，例如使得压电层40的第一侧(后侧)的第一电信号可被分接。

例如，第二电信号可通过将接合线附接到第二导电层53来导出，该第二导电层充当电极并且布置在压电层40的第二侧(前侧)上。

第一电信号和第二电信号被提供到评估单元70(特别是，对应地配置的微处理器)，该评估单元被配置成基于第一电信号和第二电信号确定介质的第一压力p1或所谓的静态压力pstat的绝对压力大小。评估单元70可被设计为例如用于转换测量膜的压力相关的变形的电路22的一部分或者与其分开设计。

图3示出根据本发明的压差传感器的载体主体的第二示例性实施例，其中与图2所示的示例相反，压电层40基本上被施加到不在整个区上方的填充主体的侧表面或壁，而是仅局部地或部分覆盖填充主体的侧表面或壁。图2和图3各自示出填充主体33的壁的覆盖。然而，也可想到，压电层40至少部分覆盖压力室32的侧壁，该侧壁不是填充主体33的壁。在压电层覆盖压力室的侧壁的情形下，绝缘层可设置在侧壁与压电层之间。此外，本发明也不排除压电层部分覆盖压力室32的壁并部分覆盖填充主体33的壁。

关于第二示例性实施例的又一设计(特别是，电接触压电层40的可能性)，参考第一示例性实施例。

图4示出根据本发明的压差传感器的示例性部分层结构，以用于阐明电接触压电层40的可能性。图4所示的层结构包括充当第一电极并且布置在载体主体31b的壁上的第一导电层50、布置在其上的压电层40以及充当第二电极的第二导电层53。为了能够从压电层40分接第一电信号，第一导电层50具有被局部地限定并充当接触表面51的至少一个突出部。与图2所示的示例相反，突出部被设计成使得压电层和第二导电层具有对应凹部54，使得第一导电层50至少局部地暴露。图4中未示出的用于局部地暴露第一导电层的其它变型是例如位于两个层40、53中的孔。

附图标记列表

1 压差传感器

20 压差换能器

21 测量膜

21a 测量膜的第一侧

21b 测量膜的第二侧

22 用于转换测量膜的压力相关的变形的电路

30 膜密封件

31 膜密封主体

31a 膜密封主体的实心块

31b 载体主体

31c 毛细管系统

32 压力室

33 填充主体

34a 第一液压路径

34b 第二液压路径

35a、35b 第一开口

36a、36b 第二开口

37a、37b 第一分离膜

38a、38b 第一压力接收室

39 压力传递流体

40 压电层

40a 压电层的第一侧

40b 压电层的第二侧

50 第一导电层

51 接触表面

52 用于电接触的接合线

53 第二导电层

60 评估单元

70 绝对压力换能器

71 测量膜

71a 测量膜的第一侧

p1 第一压力

p2 第二压力

Claims

1.一种用于确定压差大小的压差传感器(1)，包括：

-压差换能器(20)，所述压差换能器具有测量膜(21)和用于将所述测量膜(21)的压力相关的变形转换为所述压差大小的电路(22)，

-膜密封件(30)，所述膜密封件具有膜密封主体(31)，填充有传递流体(39)的压力室(32)位于所述膜密封主体中，并且具有凹部的填充主体(33)布置在所述膜密封主体中，以便填充所述压力室(32)的壁与布置在所述凹部中的所述压差换能器(20)之间的空腔，其中第一液压路径(34a)和第二液压路径(34b)各自在第一开口(35a、35b)与第二开口(36a、36b)之间延伸穿过所述膜密封主体(31)，其中所述第一开口(35a、35b)各自由第一分离膜(37a、37b)关闭，所述第一分离膜可使第一压力(p1)或第二压力(p2)被施加，以便将所述第一压力(p1)引入到所述第一液压路径(34a)中并将所述第二压力(p2)引入到所述第二液压路径(34b)中，其中所述第一液压路径(34a)在所述压力室(32)中的所述第二开口(36a)处打开，使得所述第一压力在第一测量膜侧(21a)上被施加到所述压差换能器的所述测量膜(21)，其中所述第二压力(p2)经由所述第二液压路径(34b)被施加到所述第二开口(36b)处的第二测量膜侧(21b)，使得所述测量膜的所述变形表示所述第一压力(p1)与所述第二压力(p2)之间的所述压差大小，其中压电层(40)设置在所述压力室(32)内以确定所述第一压力(p1)的绝对压力大小。

2.根据权利要求1所述的压差传感器，其中，所述压电层(40)至少部分地被施加到所述压力室(32)和/或所述填充主体(33)的至少一个壁。

3.根据权利要求1或2所述的压差传感器，其中，第一导电层(50)被施加在所述压力室(32)或所述填充主体(33)的所述壁与所述压电层(40)之间，以导出所述压电层(40a)的第一侧的第一电信号，其中所述压电层(40)被施加到所述导电层(50)，并且所述第一导电层(50)至少局部地暴露，使得所述压电层(40a)的所述第一侧的所述第一电信号可经由至少一个接触表面(51)被导出。

4.根据前述权利要求中中一项或多项所述的压差传感器，其中，用于导出所述压电层(40b)的第二侧的第二电信号的第二电层(53)被施加到所述压电层，其中，所述第二电信号经由固定在所述第二电层上的接合线(52)被导出。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的压差传感器，其中，所述填充主体(33)包括非导电材料，特别是，玻璃、塑料、陶瓷。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的压差传感器，其中，所述压电层基本上完全覆盖所述压力室(32)或所述填充主体(33)的所述壁。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的压差传感器，其中，设置评估单元(60)，所述第一电信号和所述第二电信号被提供到所述评估单元，并且所述评估单元被配置成基于所述第一电信号和所述第二电信号来确定所述第一压力(p1)的所述绝对压力大小。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的压差传感器，其中，在所述压电层至少部分地覆盖所述压力室的所述壁或被施加到所述压力室的所述壁的情形下，在所述壁与所述压电层之间设置绝缘层。