IT201600081649A1 - Sensore di pressione piezoresistivo munito di resistore di calibrazione dell’offset - Google Patents
Sensore di pressione piezoresistivo munito di resistore di calibrazione dell’offsetInfo
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un sensore di pressione piezoresistivo piano.
E’ noto l’utilizzo in diversi settori applicativi, quali Tindustriale, il medicale e Γ automobilistico, di sensori di pressione piezoresistivi integrati in un trasduttore per la misurazione della pressione di un fluido.
Un sensore di pressione piezoresistivo piano comprende generalmente un supporto piano rigido in materiale ceramico, una membrana piana flessibile in materiale ceramico presentante una faccia piana esterna esposta alla pressione di un fluido ed una faccia piana interna delimitante in cooperazione con una faccia piana interna del supporto una camera accogliente la deformazione della membrana, un ponte resistivo di Wheatstone applicato sulla faccia piana interna della membrana per rilevarne la deformazione. Uno dei parametri critici di un sensore di pressione è l’offset, che deve rientrare in un intervallo di accettazione ben specificato.
Per offset si intende il segnale di uscita del ponte resistivo quando la membrana è assoggettata ad una pressione di riferimento.
L’offset è prevalentemente causato dalla tolleranza nell’esecuzione del ponte resistivo con la tecnica della stampa in serigrafia.
Per correggere l’offset così da diminuirne il più possibile il valore il ponte resistivo viene munito di un resistore di calibrazione applicato sulla faccia esterna del supporto e collegato al resto del ponte resistivo tramite appositi fori passanti attraverso lo spessore di parete del supporto rivestiti con materiale elettricamente conduttivo.
Il resistore di calibrazione in particolare viene inserito sul supporto in parallelo o in serie a un ramo del ponte e tagliato con il laser per la scelta del valore opportuno.
Un tale sensore di pressione presenta a causa della previsione del resistore di calibrazione un processo produttivo alquanto complesso e conseguentemente costoso specie per l’esecuzione del collegamento elettrico tra il resistore di calibrazione ed il resto del ponte resistivo.
Per di più la taratura del sensore di pressione risulta piuttosto complicata in quanto necessita una delicata scelta del punto del resistore di calibrazione in cui eseguire un preciso ed accurato taglio al laser.
Inoltre la necessità di tarare il sensore di pressione dopo il suo assemblaggio impone che il resistere di calibrazione rimanga in posizione accessibile e quindi anche esposta a rischio di danneggiamento.
Compito tecnico della presente invenzione è eliminare gli inconvenienti descritti della tecnica nota.
Nell’ ambito di questo compito tecnico, uno scopo dell’ invenzione è quello di fornire un sensore di pressione piezoresistivo producibile in modo semplice ed economico.
Altro scopo dell’ invenzione è quello di fornire un sensore di pressione piezoresistivo facile da calibrare.
Altro scopo dell’ invenzione è quello di fornire un sensore di pressione piezorestivo costruttivamente semplice, meccanicamente resistente, preciso ed accurato nella misurazione e minimizzando il suo deterioramento nel suo tempo di vita
Il compito tecnico, nonché questi ed altri scopi sono conseguiti da un sensore di pressione piezoresistivo comprendente un supporto piano rigido, una membrana piana flessibile presentante una faccia piana esterna esposta alla pressione di un fluido ed una faccia piana interna delimitante in cooperazione con una faccia piana interna di detto supporto una camera accogliente la deformazione della detta membrana, un circuito elettrico di misura comprendente un ponte resistivo di Wheatstone applicato sulla faccia piana interna di detta membrana per rilevare la deformazione di detta membrana, ed almeno un resistore elettrico di calibrazione del valore di detto segnale di uscita quando detto fluido si trova ad una pressione di riferimento, caratterizzato dal fatto che detto resistore di calibrazione è applicato su detta faccia piana interna di detta membrana.
Preferibilmente detto supporto presenta una prima coppia di fori ricavati passanti attraverso il suo spessore di parete, rivestiti di materiale elettricamente conduttivo e connessi elettricamente a due terminali di alimentazione di detto ponte resistivo, una seconda coppia di fori ricavati passanti attraverso il suo spessore di parete, rivestiti di materiale elettricamente conduttivo e connessi elettricamente a due terminali di misura di un segnale uscita di detto ponte resistivo, e su una sua faccia piana esterna una elettronica di condizionamento di detto segnale di uscita elettricamente connessa tramite detta seconda coppia di fori a detto circuito di misura.
Preferibilmente detto resistore di calibrazione è posto in serie o in parallelo a detti terminali di alimentazione e a detti terminali di misura.
Preferibilmente detto circuito elettrico di misura comprende un by pass di detto resistore di calibrazione.
Preferibilmente detto circuito elettrico di misura e detto resistore di calibrazione sono rivestiti da uno strato dielettrico di passivazione. Preferibilmente detto circuito elettrico di misura e detto resistore di calibrazione sono serigrafati su detta faccia piana interna di detta membrana.
Preferibilmente detto resistore di calibrazione è formato da una serie di compartimenti selettivamente escludibili per la variazione discreta del valore di resistenza di calibrazione fornito.
Preferibilmente per la ripartizione del detto resistore di calibrazione è prevista una serie di piste elettricamente conduttive di compartimentazione che intersecano trasversalmente detto resistore di calibrazione ad una distanza progressivamente crescente da una estremità di quest’ultimo e si proiettano trasversalmente oltre detto resistore di calibrazione fino ad intersecare detto by pass.
La presente invenzione rivela anche un metodo di calibrazione di tale sensore di pressione piezoresistivo in cui per la calibrazione vengono eseguiti uno o più tagli al laser del detto by pass per escludere uno o più compartimenti di detto resistore.
Secondo Γ invenzione vantaggiosamente il resistore di calibrazione viene stampato assieme al resto del ponte resistivo.
Inoltre il resistere di calibrazione, grazie al bypass, può non essere percepito dal ponte resistivo nel caso in cui non si proceda al taglio del by pass.
Per la taratura, una volta finito il processo di stampa serigrafica del ponte resistivo, la membrana passa alla taratura laser.
In questa fase il laser va a misurare tramite dei puntali lo squilibrio del ponte resistivo e tramite un programma dedicato va a tagliare, se necessario, la pista elettricamente conduttiva che forma il by pass in modo da aggiungere o togliere uno o più comparti al resistere di calibrazione.
Il laser può tagliare il by pass in punti collocati tra le piste di compartimentazione, ed il numero di tagli può variare da prodotto a prodotto così da quantizzare il valore della resistenza che può essere aggiunta in serie ad entrambi i rami del ponte resistivo.
Il by pass può essere tagliato a partire da entrambe le sue estremità in modo da variare in modo scorrelato la resistenza e tarare indipendentemente i rami del ponte resistivo.
Vantaggiosamente il resistore di calibrazione, essendo sulla membrana, poi coperta dal vetro di accoppiamento meccanico e dal supporto, viene protetto dagli agenti esterni che potrebbero portarne al deterioramento, quindi alla modifica del suo valore iniziale, e rende più robusto il sensore, inoltre tagliando le piste conduttive del by pass e non il resistore, lo si rende più stabile a futuri deterioramenti.
Vantaggiosamente il sensore di pressione presenta un numero ridotto al minimo di fori passanti attraverso lo spessore del supporto.
Vantaggiosamente il layout circuitale del sensore di pressione sul supporto è estremamente semplificato essendo sul supporto inseriti solo i componenti strettamente necessari.
Vantaggiosamente il resistore di calibrazione non è più in posizione scoperta sul supporto e conseguentemente può essere completamente coperto con lo strato dielettrico di passivazione. Vantaggiosamente il processo di taratura da origine a una regolazione discreta dei valori di taratura, perché il laser va a tagliare solo in precisi punti, quindi dando valori precisi e discreti alla resistenza.
A tal proposito generalmente non serve una taratura precisa dell’ offset, ma basta farlo rientrare in un intervallo di accettazione prestabilito.
Questi ed altri aspetti verranno chiariti dalle descrizione che segue di un modo di realizzazione dell’ invenzione che deve essere inteso a titolo esemplificativo ma non limitativo.
La descrizione fa riferimento alle tavole da disegno allegate in cui: -fig. la mostra un esempio di layout del ponte resistivo serigrafato sulla faccia piana interna della membrana, con il by pass non tagliato che esclude quindi il resistore di calibrazione;
fig. lb mostra il ponte resistivo di figura la con un solo taglio del by pass e quindi con sei dei sette comparti del resistore di calibrazione esclusi;
fig. le mostra il ponte resistivo di figura la con due tagli del by pass e quindi con cinque dei sette comparti del resistore di calibrazione esclusi;
fig. 2a e 2b mostrano una vista in pianta della faccia interna del supporto e della membrana, prima dell’ accoppiamento;
la figura 3 a mostra una vista in alzato laterale del sensore di pressione sezionato, con la membrana deformata dalla pressione del fluido; e
la figura 3b mostra una vista in alzato laterale del sensore di pressione sezionato, con la membrana indeformata.
Con riferimento alle figure allegate, è illustrato un sensore di pressione piezoresistivo indicato genericamente con il riferimento numerico 1.
Il sensore di pressione 1 comprende un supporto piano rigido 2, formato in particolare ma non necessariamente da una lastra in materiale ceramico di forma circolare, rettangolare o anche di altra forma, ed una membrana piana flessibile 3, formata in particolare ma non necessariamente da una lastra in materiale ceramico più sottile della precedente e di forma circolare o anche di altra forma. La membrana 3 presenta una faccia piana esterna 4 esposta alla pressione da misurare di un fluido ed una faccia piana interna 5. Il supporto 2 presenta una faccia esterna 6 ed una faccia interna 7. La faccia interna 7 del supporto 2 e la faccia interna 5 della membrana 3 sono affacciate Luna all’altra ed in cooperazione tra di loro e con uno strato in vetro 8 perimetralmente interposto tra di loro per la reciproca connessione delimitano una camera 9 accogliente la deformazione della parte attiva per effetto della pressione del fluido.
Sulla faccia piana interna 5 della membrana 3 è applicato un circuito elettrico di misura comprendente un ponte resistivo di Wheatstone 10 per rilevare la deformazione della membrana 3. Attraverso lo spessore di parete del supporto 7 è ricavata una prima coppia di fori passanti 11, 12 rivestiti di materiale elettricamente conduttivo 13, 14 e connessi elettricamente a due terminali V<+>e V di alimentazione del ponte resistivo 10, ed una seconda coppia di fori passanti 15, 16 rivestiti di materiale elettricamente conduttivo 17, 18 e connessi elettricamente a due terminali 0<+>e 0<'>di misura di un segnale uscita del ponte resistivo 10.
Il supporto 7 presenta inoltre sulla sua faccia piana esterna 6 una elettronica (non mostrata) di condizionamento del segnale di uscita connessa al circuito di misura tramite la seconda coppia di fori 15, 16 elettricamente conduttivi.
Il ponte resistivo 10 di Wheatstone comprende quattro resistori primari RI, R2, R3 ed R4.
Il sensore di pressione 1 presenta inoltre un resistere elettrico Re di calibrazione del valore del segnale di uscita quando il fluido si trova ad una pressione di riferimento.
Vantaggiosamente il resistere di calibrazione Re, elettricamente collegato al circuito elettrico di misura, è applicato sulla faccia piana interna 5 della membrana 3.
Il resistere di calibrazione Re è in particolare posto in serie ai terminali di alimentazione V<+>e V<">e ai terminali di misura 0<+>e 0<">.
Il circuito elettrico di misura comprende inoltre un by pass 19 del resistere di calibrazione Re, formato in particolare da una pista elettricamente conduttiva.
Il circuito elettrico di misura ed il resistore di calibrazione Re sono applicati per stampa serigrafica sulla faccia piana interna 5 della membrana 3 e sono rivestiti da uno strato dielettrico di passivazione (non mostrato).
Lo strato 8 in vetro delimita la camera 9 e circoscrive sia le resistenze RI, R2, R3, R4 del ponte resistivo 10, che delimita l’area attiva del sensore, sia la resistenza di calibrazione Re che viene quindi completamente protetta.
Il resistore di calibrazione Re è formato da un elemento longitudinale ripartito in una serie di compartimenti 20 selettivamente escludibili per una variazione discreta del valore di resistenza di calibrazione fornito.
Per la ripartizione del resistore di calibrazione Re è prevista una serie di piste elettricamente conduttive di compartimentazione 21 che intersecano trasversalmente il resistore di calibrazione Re ad una distanza progressivamente crescente da una estremità di quest’ultimo e si proiettano trasversalmente oltre il resistore di calibrazione Re fino ad intersecare il by pass 19.
Per la calibrazione si eseguono uno o più tagli al laser del by pass 19 così da escludere uno o più compartimenti 20 del resistore di calibrazione Re.
Per esempio, nel caso illustrato, si possono effettuare fino a sette tagli del by pass 19 per modificare il valore di resistenza aggiunta in serie al ramo del ponte 10.
Il procedimento di fabbricazione del sensore di pressione avviene nel modo seguente.
In un primo passaggio si stampa con metodo serigrafico una pasta elettricamente conduttiva sulla faccia piana interna del supporto 2. Tale pasta viene aspirata in modo da creare i depositi conduttivi 11, 12, 15, 16 nei fori passanti 13, 14, 17, 18 e viene eseguita una prima cottura.
Si procede quindi a stampare le piste elettricamente conduttive necessarie sulla faccia piana esterna del supporto 2 e ad una seconda cottura in forno.
Successivamente vengono stampati dei fiducial con la tracciabilità del processo di serigrafia con del dielettrico di protezione.
A questo punto si stampa sulla faccia piana interna del supporto 2 parte del vetro adesivo 8 che, con la restante parte del vetro adesivo 8 che sarà stampata sulla faccia piana interna della membrana 3, servirà per collegare il supporto 2 alla membrana 3 e definire l’area flessibile della membrana 3.
Quindi si sinterizza in forno il supporto 2.
Si stampa quindi, sempre sulla faccia piana interna del supporto 2, sopra alla pasta conduttiva stampata nel primo passaggio di serigrafia, del vetro conduttivo, e si procede quindi ad una nuova sinterizzazione in forno.
Il supporto 2 è a questo punto pronto per Γ accoppiamento.
Sulla faccia piana interna della membrana 3 prima si stampano con metodo serigrafico le piste conduttive necessarie, e poi, dopo una prima cottura in forno, si stampano sia i resistori RI, R2, R3, R4 del ponte sia il resistore di calibrazione Re.
Si esegue un ulteriore passaggio in forno per sinterizzare i resistori. A questo punto si esegue la calibrazione dell’ offset eseguendo eventualmente uno o più tagli al laser del by pass 19 affinchè la resistenza fornita dal resistore di calibrazione RC assuma un valore adeguato.
Si riveste poi il circuito di misura e il resistore di calibrazione con lo strato di passivazione e viene cotto il tutto.
Si procede quindi a stampare sulla faccia piana interna della membrana 3 il resto del vetro adesivo 8 per Γ incollaggio al supporto e si passa la membrana 3 nuovamente in forno per sinterizzare il vetro adesivo 8.
Si stampa a questo punto, sopra i terminali, del vetro conduttivo per il collegamento elettrico ai fori conduttivi 11, 12, 15, 16, e si procede quindi ad una nuova sinterizzazione in forno.
A questo punto la membrana è pronta per Γ accoppiamento.
L’accoppiamento avviene sovrapponendo le facce interne piane del supporto 2 e della membrana 3 in modo che le zone in vetro conduttivo vadano a sovrapporsi e le zone del vetro di connessione vadano a sovrapporsi, e sinterizzando in forno finché i vetri adesivi 8 si fondono diventando un tutt’uno e i vetri conduttivi si fondono formando le connessioni elettriche.
A questo punto si passa al montaggio dell’ elettronica di condizionamento sulla faccia esterna del supporto 2.
Ovviamente è possibile produrre contemporaneamente una moltitudine di sensori di pressione, prevedendo una estesa lastra spessa da cui si ricavano i supporti 2 ed una estesa lastra più sottile da cui si ricavano le membrane 3.
In pratica si eseguono le medesime operazioni sopra descritte contemporaneamente su una serie di zone prefissate della lastra spessa e della lastra sottile, poi si uniscono tra di loro la lastra spessa e la lastra sottile e infine si procede a ritagliare i singoli sensori di pressione dall’assieme delle due lastre.
Il sensore di pressione così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.
In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a secondo delle esigenze e dello stato della tecnica.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Sensore di pressione piezoresistivo (1) comprendente un supporto piano rigido (2), una membrana piana flessibile (3) presentante una faccia piana esterna (4) esposta alla pressione di un fluido ed una faccia piana interna (5) delimitante in cooperazione con una faccia piana interna (7) di detto supporto (2) una camera (9) accogliente la deformazione della detta membrana (3), un circuito elettrico di misura comprendente un ponte resistivo di Wheatstone (10) applicato sulla faccia piana interna (5) di detta membrana (3) per rilevare la deformazione di detta membrana (3), ed almeno un resistore elettrico (Re) di compensazione del valore di detto segnale di uscita quando detto fluido si trova ad una pressione di riferimento, caratterizzato dal fatto che detto resistore di calibrazione (Re) è applicato su detta faccia piana interna (5) di detta membrana (3).
- 2. Sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto supporto (2) presenta una prima coppia di fori (11, 12) ricavati passanti attraverso il suo spessore di parete, rivestiti di materiale elettricamente conduttivo (13, 14) e connessi elettricamente a due terminali di alimentazione (V<+>, V) di detto ponte resistivo (10), una seconda coppia di fori (15, 16) ricavati passanti attraverso il suo spessore di parete, rivestiti di materiale elettricamente conduttivo (17, 18) e connessi elettricamente a due terminali di misura (0<+>, 0<'>) di un segnale uscita di detto ponte resistivo (10), e su una sua faccia piana esterna (6) una elettronica di condizionamento di detto segnale di uscita elettricamente connessa tramite detta seconda coppia di fori (15, 16) a detto circuito di misura.
- 3. Sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto resistore di calibrazione (Re) è posto in serie o in parallelo a detti terminali di alimentazione (V<+>, V) e a detti terminali di misura (0<+>, 0<'>).
- 4. Sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettrico di misura comprende un by pass(19) o un taglio della resistenza di detto resistore di calibrazione (Re).
- 5. Sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettrico di misura e detto resistore di calibrazione (Re) sono rivestiti da uno strato dielettrico di passivazione.
- 6. Sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettrico di misura e detto resistore di calibrazione (Re) sono serigrafati su detta faccia piana interna (5) di detta membrana (3).
- 7. Sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto resistore di calibrazione (Re) è formato da una serie di compartimenti (20) selettivamente escludibili per la variazione discreta del valore di resistenza di calibrazione fornito.
- 8. Sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che per la ripartizione del detto resistore di calibrazione (Re) è prevista una serie di piste elettricamente conduttive di compartimentazione (21) che intersecano trasversalmente detto resistore di calibrazione (Re) ad una distanza progressivamente crescente da una estremità di quest’ultimo e si proiettano trasversalmente oltre detto resistore di calibrazione (Re) fino ad intersecare detto by pass (19).
- 9. Metodo di calibrazione di un sensore di pressione piezoresistivo (1) conforme ad una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di eseguire la calibrazione prima dell’ accoppiamento meccanico ed elettrico tra detto supporto (2) e detta membrana (3).
- 10. Metodo di calibrazione di un sensore di pressione piezoresistivo (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che per la calibrazione vengono eseguiti uno o più tagli al laser del detto by pass (19) per escludere uno o più compartimenti (20) di detto resistere di calibrazione (Re).
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