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CN108291847A - 用于压力传感器的传感器元件 - Google Patents

用于压力传感器的传感器元件 Download PDF

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CN108291847A CN201680067483.4A CN201680067483A CN108291847A CN 108291847 A CN108291847 A CN 108291847A CN 201680067483 A CN201680067483 A CN 201680067483A CN 108291847 A CN108291847 A CN 108291847A
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Abstract

本发明涉及一种用于压力传感器的传感器元件(100)，具有：‑传感器膜片(10)，在该传感器膜片上布置有限定数量的压阻(R1...Rn)，其中，所述压阻(R1...Rn)这样布置在电路中，使得在压力变化的情况下能够产生电压变化；‑至少两个温度测量元件(T1...Tn)，所述温度测量元件关于所述传感器膜片(10)这样布置，使得通过所述温度测量元件(T1...Tn)能够测量所述传感器膜片(10)在所述压阻(R1...Rn)的位置处的温度，其中，由于温度梯度而作用在所述压阻(R1...Rn)的电路上的电压能够通过所测量的温度在计算方面补偿。

Description

用于压力传感器的传感器元件
技术领域
本发明涉及一种用于压力传感器的传感器元件。本发明还涉及一种用于制造用于压力传感器的传感器元件的方法。
背景技术
压阻式压力传感器通常由具有膜片的传感器元件(英语为sensor-die)组成。例如四个应力敏感的压阻位于该膜片上，所述压阻连接为桥式电路。
温度梯度作用在传感器元件上，这意味着，压阻由于不同的温度而具有不同的阻值。这可以导致桥式电压由于温度梯度的变化，该变化不能与桥式电压由于作用压力的变化区分开。在此，若干毫开尔文已经可以导致桥式电压的偏差，该偏差相应于几帕斯卡的压力变化。
发明内容
本发明的任务是，提供针对温度变化改进的用于压力传感器的传感器元件。
根据第一方面，所述任务通过用于压力传感器的传感器元件解决，该传感器元件具有：
-传感器膜片，在该传感器膜片上布置有限定数量的压阻，其中，压阻在电路中这样布置，使得在压力变化的情况下可以产生电压变化；
-至少两个温度测量元件，所述温度测量元件关于传感器膜片这样布置，使得通过温度测量元件可以测量传感器膜片在压阻的位置处的温度，其中，由于温度梯度而作用在压阻的电路上的电压可以通过所测量的温度在计算方面补偿。
由此有利地能够在具有气压式压力传感器的装置(例如移动电话)中补偿温度梯度作用到压力传感器上的影响。结果是，由此有利地促进更精确的压力测量。
根据第二方面，所述任务通过用于制造用于压力传感器的传感器元件的方法解决，所述方法具有以下步骤：
-提供传感器膜片；
-提供限定数量的压阻并且将所述压阻在传感器膜片上这样布置在电路中，使得在压力变化的情况下能够产生电压变化；
-提供至少两个温度测量元件并且将所述至少两个温度测量元件关于传感器膜片这样布置，使得通过温度测量元件可以测量传感器膜片在压阻的位置处的温度，其中，由于温度梯度而作用在压阻的电路上的电压可以借助于所测量的温度在计算方面补偿。
传感器元件的优选实施方式是从属权利要求的主题。
传感器元件的优选扩展方案的特征在于，至少一个温度测量元件布置在传感器膜片上。
传感器元件的另一有利的扩展方案的特征在于，至少一个温度测量元件布置在传感器膜片旁边。
传感器元件的另一有利的扩展方案的特征在于，温度测量元件布置在传感器膜片的每个角区域中。
传感器元件的另一有利的扩展方案的特征在于，在每个压阻处以限定的间距分别布置有温度测量元件。
传感器元件的另一有利的扩展方案的特征在于，两个温度测量元件基本上沿着传感器膜片的温度梯度的走向布置。
通过所提到的用于温度测量元件的、也可以适合地组合的不同布置准则或数量准则，可以特定地进行温度测量元件在传感器元件上的安置，其中，所述安置尤其可以取决于，存在于传感器膜片上的温度梯度是否至少部分是已知的。例如在电子分析处理电路存在于传感器元件上时是这种情况，该传感器元件的加热特性通常是已知的。以该方式，能够求得传感器膜片在压阻的位置处的温度值，由此促进好的补偿作用。
传感器元件的其他有利的扩展方案的特征在于，温度测量元件是二极管或者压电不敏感的电阻。由此提供不同类型的温度测量元件，所述温度测量元件可以有利地与压阻在同一个工艺步骤中制造。有利地，由此可以优化用于传感器元件的制造过程。
附图说明
下面结合其他特征和优点参照多个附图详细说明本发明。在此，所有公开的特征与它们在专利权利要求书中的引用关系无关地以及与它们在说明书和附图中的描述无关地形成本发明的主题。相同的或功能相同的元件具有相同的参考标记。附图尤其被考虑用于阐明发明的基本原理并且不一定按正确比例示出。
公开的方法特征类似地由相应的公开的装置特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造传感器元件的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由传感器元件的相应的实施方案、特征和优点得出，反之亦然。
在附图中示出：
图1传统的压阻式传感器元件的原理示图；
图2根据本发明的传感器元件的第一实施方式的原理示图；
图3根据本发明的传感器元件的另一实施方式的原理示图；
图4补偿效应的原理示图，该补偿效应可以通过温度测量元件实现；
图5具有传感器元件的传感器装置的原理示图；和
图6根据本发明的方法的实施方式的原理流程。
具体实施方式
本发明的基本思想在于，补偿压阻式传感器元件的压阻由于在传感器元件的传感器膜片上走向的温度梯度的作用而产生的不同阻值。在传感器膜片上的若干毫开尔文的温度梯度可以导致桥式电压的偏差，该偏差相应于几帕斯卡并且由此导致不精确的压力测量。
借助于至少两个用于温度测量的元件(例如呈温度敏感的二极管、温度敏感的电阻等形式)可以确定在传感器膜片上的或在传感器元件上的温度梯度。在了解该温度梯度的情况下能够在计算方面通过已知的方法补偿所提到的桥式电压的偏差。
图1示意性地示出传统的具有传感器膜片10的传感器元件100，在该传感器膜片上布置有四个压电敏感的电阻或压阻R1...R4，其中，各个压阻R1...R4布置在传感器膜片10的相应侧边区段上，其中，压阻R1...R4相互电连接成桥式电路(未示出)。由于作用到传感器膜片10上的压力的变化(例如由于海底(Meeresgrund)高度改变)，该传感器膜片偏移，由此在压阻R1...R4的位置上产生机械应力。这导致压阻R1...R4的阻值的变化，其中，在压阻R1...R4在传感器膜片10上适合地取向或布置的情况下，产生与压力有关的输出电压，该输出电压可以被分析处理并且是作用到传感器膜片10上的压力的量度。
然而传统的压阻不仅显示出机械应力相关性(压电敏感性)，而且也显示出温度相关性。为了补偿这种以不期望的电阻变化所表现出的不期望的温度相关性，在压阻式压力传感器中温度传感器或温度测量元件T经常也存在于传感器元件上。在图1的布置中，所提到的温度传感器T构造为二极管，该二极管用于感测传感器元件100的温度。
图2示出根据本发明的传感器元件100的第一实施方式的原理示图。可看出布置在传感器膜片10上的四个压阻R1...R4，其中，压阻R1...R4分别布置在传感器膜片10的侧边区段上。压电电阻R1...R4呈桥式电路形式地相互电连接。借助于不同的阴影线画出在传感器膜片10上的从上向下走向的温度梯度。构造为二极管或构造为基本上压电不敏感或应力不敏感的电阻的两个温度测量元件T1、T2这样布置在传感器膜片10旁边，使得所述温度测量元件基本上完全地量取传感器膜片10的温度梯度。通过两个温度测量元件T1、T2测量两个温度测量元件T1、T2之间的温差。
温度测量元件或者说温度传感器T1、T2被安置在传感器膜片10外部或紧挨着该传感器膜片旁边的部位上，与整个传感器膜片10上类似的温度梯度作用在或者占据在所述部位上。在其他应用中可以有意义的是，尽可能靠近压阻R1...R4地安置温度测量元件T1、T2，由此以该方式能够尽可能精确地测量传感器膜片10的压阻R1...R4的位置处的温度。
对于在应用中温度梯度作用在所有四个压阻R1...R4之间的情况，也可以在变型方案中将四个或更多个温度测量元件T1...Tn安置在传感器元件100上。替代于安置在传感器膜片10旁边，这些温度测量元件也可以布置在传感器膜片10上，例如相对于传感器膜片10的侧边区段呈45°地定向，以便由此使压力敏感性最小化，如在图3中示出的具有压阻R1...R4和温度测量元件T1...T4的传感器元件100的变型方案。
如果已知在温度测量元件T1...Tn之间的温度梯度，那么能够以该方式补偿由压阻R1...R4之间的温度梯度引起的电信号。所述补偿例如可以借助于电子分析处理电路(例如ASIC，未示出)实现，该电子分析处理电路通过与压阻R1...Rn的电压相比较的方式处理所感测的温度电压。例如借助于二次回归可以计算压阻R1...R4之间的实际温差。
对于不同过程变化所存在的剩余误差在图4中通过在压阻R1和R4之间作用的实际作用的温差示出。在x轴上示出在所述补偿前的单位为mK的温度梯度，在y轴上示出在所述补偿后的温度梯度。可看出，剩余误差从大约±5mK减小到大约±1mK。
图5示出具有根据本发明的传感器元件100的传感器装置200的原理方框图。传感器装置200可以构造为所谓的环境传感器(英文，environmental sensor)，该环境传感器表现为传感器模块，通过该传感器模块可以感测环境的不同参数，例如温度、空气压力、湿度、空气质量等。有利地，通过传感器元件100的布置能够在很大程度上消除温度对压力测量元件的影响。
图6示出根据本发明的方法的实施方式的原理流程。
在步骤300中提供传感器膜片10。
在步骤310中提供限定数量的压阻R1...Rn，所述压阻在传感器膜片10上这样布置在电路中，使得在压力变化的情况下可以产生电压变化。
最后在步骤320中这样实施至少两个温度测量元件T1...Tn的提供和所述至少两个温度测量元件T1...Tn关于传感器膜片10的布置，使得通过温度测量元件T1...Tn可以测量传感器膜片10在压阻的位置处的温度，其中，由于温度梯度而作用在压阻R1...Rn的电路上的电压可以借助于所测量的温度在计算方面补偿。
要提到的是，用于制造传感器元件100的方法步骤也可以以其他顺序实施。
总结而言，通过本发明提出一种用于压力传感器的传感器元件和一种用于制造这类传感器元件的方法，通过该传感器元件能够在很大程度上消除作用到压阻式压力传感器上的温度影响或者使该温度影响最小化。有利地，可以通过所提出的传感器元件在很大程度上补偿温度梯度的温度影响并且由此显著地提高压力测量精确性。
结果是，由此通过具有传感器元件的压力传感器能够实现压力的更精确的测量。有利地，温度补偿既能够在已知温度梯度的情况下(例如在传感器上存在加热电子构件的情况下)实现，也能够在不知道温度梯度的情况下实现。
通过适合数量的温度测量元件的适合定位可以特定地消除温度梯度的影响。在此，取决于在传感器膜片上的温度走向的不均匀性的程度，改变温度测量元件的数量。
显然，本发明也可以应用到其他类似构造的传感器元件上。
尽管前面已经参照具体应用示例描述本发明，本领域技术人员也可以实现上面未公开或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于压力传感器的传感器元件(100)，具有：
-传感器膜片(10)，在该传感器膜片上布置有限定数量的压阻(R1...Rn)，其中，所述压阻(R1...Rn)这样布置在桥式电路中，使得在压力变化的情况下能够产生电压变化；
-至少两个温度测量元件(T1...Tn)，所述温度测量元件关于所述传感器膜片(10)这样布置，使得通过所述温度测量元件(T1...Tn)能够测量所述传感器膜片(10)在所述压阻(R1...Rn)的位置处的温度，其中，借助于所述温度测量该元件确定在所述传感器膜片上的温度梯度，并且所述桥式电路的桥式电压的由于温度梯度而作用在所述压阻(R1...Rn)的所述桥式电路上的偏差通过所确定的温度梯度在计算方面补偿。
2.根据权利要求1所述的传感器元件(100)，其特征在于，至少一个温度测量元件(T1...Tn)布置在所述传感器膜片(10)上。
3.根据权利要求1所述的传感器元件(100)，其特征在于，至少一个温度测量元件(T1...Tn)布置在所述传感器膜片(10)旁边。
4.根据权利要求1或2所述的传感器元件(100)，其特征在于，温度测量元件(T1...Tn)布置在所述传感器膜片(10)的每个角区域中。
5.根据权利要求4所述的传感器元件(100)，其特征在于，在每个压阻(R1...Rn)处以限定的间距分别布置有一个温度测量元件(T1...Tn)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(100)，其特征在于，两个温度测量元件(T1、T2)基本上沿着所述传感器膜片(10)的温度梯度的走向布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(100)，其特征在于，所述温度测量元件(T1...Tn)是温度敏感的二极管。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器元件(100)，其特征在于，所述温度测量元件(T1...Tn)是温度敏感的电阻。
9.传感器装置(200)，所述传感器装置具有根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(100)。
10.用于制造用于压力传感器的传感器元件(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供传感器膜片(10)；
-提供限定数量的压阻(R1...Rn)并且将所述压阻(R1...Rn)在所述传感器膜片(10)上这样布置在桥式电路中，使得在压力变化的情况下能够产生电压变化；
-提供至少两个温度测量元件(T1...Tn)并且将所述至少两个温度测量元件(T1...Tn)关于所述传感器膜片(10)这样布置，使得通过所述温度测量元件(T1...Tn)能够测量所述传感器膜片(10)在所述压阻(R1...Rn)的位置处的温度，其中，借助于所述温度测量元件确定在所述传感器膜片上的温度梯度，并且桥式电压的由于温度梯度而作用在所述压阻(R1...Rn)的所述桥式电路上的偏差借助于所确定的温度梯度在计算方面补偿。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，作为温度测量元件(T1...Tn)使用温度敏感的二极管或者温度敏感的电阻。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述温度测量元件(T1...Tn)这样布置在所述传感器膜片(10)上或者在所述传感器膜片(10)旁边，使得通过所述温度测量元件能够测量在所述压阻(R1...R4)的位置处的温度。
13.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器元件(100)在具有压力传感器的传感器装置(200)中的应用。

Claims (13)

1.用于压力传感器的传感器元件(100)，具有：
-传感器膜片(10)，在该传感器膜片上布置有限定数量的压阻(R1...Rn)，其中，所述压阻(R1...Rn)这样布置在电路中，使得在压力变化的情况下能够产生电压变化；
-至少两个温度测量元件(T1...Tn)，所述温度测量元件关于所述传感器膜片(10)这样布置，使得通过所述温度测量元件(T1...Tn)能够测量所述传感器膜片(10)在所述压阻(R1...Rn)的位置处的温度，其中，由于温度梯度而作用在所述压阻(R1...Rn)的电路上的电压能够通过所测量的温度在计算方面补偿。
2.根据权利要求1所述的传感器元件(100)，其特征在于，至少一个温度测量元件(T1...Tn)布置在所述传感器膜片(10)上。
3.根据权利要求1所述的传感器元件(100)，其特征在于，至少一个温度测量元件(T1...Tn)布置在所述传感器膜片(10)旁边。
4.根据权利要求1或2所述的传感器元件(100)，其特征在于，温度测量元件(T1...Tn)布置在所述传感器膜片(10)的每个角区域中。
5.根据权利要求4所述的传感器元件(100)，其特征在于，在每个压阻(R1...Rn)处以限定的间距分别布置有一个温度测量元件(T1...Tn)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(100)，其特征在于，两个温度测量元件(T1、T2)基本上沿着所述传感器膜片(10)的温度梯度的走向布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(100)，其特征在于，所述温度测量元件(T1...Tn)是二极管。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器元件(100)，其特征在于，所述温度测量元件(T1...Tn)是压电不敏感的电阻。
9.传感器装置(200)，所述传感器装置具有根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(100)。
10.用于制造用于压力传感器的传感器元件(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供传感器膜片(10)；
-提供限定数量的压阻(R1...Rn)并且将所述压阻(R1...Rn)在所述传感器膜片(10)上这样布置在电路中，使得在压力变化的情况下能够产生电压变化；
-提供至少两个温度测量元件(T1...Tn)并且将所述至少两个温度测量元件(T1...Tn)关于所述传感器膜片(10)这样布置，使得通过所述温度测量元件(T1...Tn)能够测量所述传感器膜片(10)在所述压阻(R1...Rn)的位置处的温度，其中，由于温度梯度而作用在所述压阻(R1...Rn)的电路上的电压能够借助于所测量的温度在计算方面补偿。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，作为温度测量元件(T1...Tn)使用二极管或者压电不敏感的电阻。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述温度测量元件(T1...Tn)这样布置在所述传感器膜片(10)上或者在所述传感器膜片(10)旁边，使得通过所述温度测量元件能够测量在所述压阻(R1...R4)的位置处的温度。
13.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器元件(100)在具有压力传感器的传感器装置(200)中的应用。
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