CN108474703B

CN108474703B - 压力传感器和压力传感器的操作方法

Info

Publication number: CN108474703B
Application number: CN201680073747.7A
Authority: CN
Inventors: 马克斯·耶勒; 马克·安德烈亚斯·施拉赫特尔; 达维德·帕罗托
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: EP3391001A1; WO2017102210A1; DE102015121859A1; US20180372571A1; CN108474703A

Abstract

本发明涉及用于测定压力测量变量的压力传感器(1)，包括至少一个壳体(2)、布置在壳体(2)中的压力传感器元件(3)、同样布置在壳体(2)中的照明装置(4)和控制/分析单元(8)。压力传感器元件(3)具有半导体材料和测量膜，并且第一压力(p₁)施加到测量膜(5)的第一面，第二压力(p₂)施加到测量膜(5)的第二面，使得测量膜(5)经历压力相关的偏转。测量膜(5)包括至少一个集成的电阻元件(6)，并且控制/分析单元(8)借助于集成的电阻元件(6)检测电信号(10)，以测定压力测量变量。照明装置(4)光学激发压力传感器元件(3)，控制/分析单元(8)利用光学激发产生的电信号(10)的变化确定第一和/或第二压力固有的统计压力值，并且借助统计压力值实现对压力测量变量的校正或补偿。

Description

压力传感器和压力传感器的操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于测定压力测量变量的压力传感器以及一种用于操作这种压力传感器的方法。

背景技术

压力传感器用于记录压力并且广泛用在工业测量技术中，例如用于填充水平测量或流量测量。在这种情况下，根据应用领域使用压力传感器的不同特性。因此，压力传感器可以例如被构造为绝对压力传感器、相对压力传感器或者甚至压差传感器。然而，基本上所有的压力传感器的构造是相同的，并且通常包括其中布置有压力传感器元件的壳体。在压力测量技术中，半导体压力传感器元件例如硅基压力传感器元件被广泛应用。在这种情况下，半导体压力传感器元件包括测量膜，在测量膜的边缘区域通常集成有四个电阻元件。在测量膜的第一侧上供应第一压力，在测量膜的第二侧上供应第二压力，并且将两个压力中的较大值减去较小值，以产生测量膜的净偏转。通过集成的电阻元件记录测量膜的压力相关的偏转并且进行评估，从而可以输出压力测量变量。根据压力传感器是相对压力传感器、绝对压力传感器还是压差传感器，向测量膜供应适当的两个压力。

在压力传感器被构造为绝对压力传感器的情况下，将测量膜的两侧中的一侧暴露于真空，并且向测量膜的另一侧馈送待测量的介质压力。绝对压力传感器因此测量绝对压力，即待测量的介质压力是相对于作为参考压力的真空而言的。

在压力传感器被构造为相对压力传感器的情况下，将测量膜的两侧之一暴露于作为参考压力的大气压力，并且向测量膜的另一侧馈送待测量的介质压力。相对压力传感器因此测量出相对压力，即相对于大气压力而言的待测量的介质压力。

在压力传感器被构造为压差传感器的情况下，向测量膜的两侧之一馈送待测量的第一介质压力，并且向测量膜的另一侧馈送待测量的第二介质压力。压差传感器因此测量压力差，即测量两种介质压力间的差异。

所有压力传感器的共同之处在于所确定的压力测量变量可能包含测量误差。在压力传感器的说明书中通过公差范围给出这些测量误差，在该公差范围内确定的压力测量变量应该以确定的概率出现。这种测量误差可能是由于介质压力中存在的统计压力变化引起的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于减少这种测量误差的机会。

该目的通过一种压力传感器和一种用于操作这种压力传感器的方法来实现。

关于压力传感器，该目的是通过用于测定压力测量变量的压力传感器实现的，该压力传感器包括至少一个壳体，布置在壳体中的压力传感器元件，同样布置在壳体中的照明装置，以及控制/评估单元，其中所述压力传感器元件具有半导体材料和测量膜，其中将第一压力供应给测量膜的第一侧，将第二压力供应给测量膜的第二侧，并且测量膜经历压力相关的偏转，其中测量膜具有至少一个集成的电阻元件，并且控制/评估单元借助于集成的电阻元件确定用于压力测量变量测定的电信号，其中照明装置提供压力传感器元件的光学激发，并且控制/评估单元基于由光学激发引起的电信号变化确定第一和/或第二压力中存在的统计压力值，并借助于统计压力值执行压力测量变量的校正或补偿。

根据本发明，利用被称为光导的效应获得关于统计压力的信息。统计压力存在于至少作用在测量膜的两侧中的一侧上的介质压力中。

通常，光导是在半导体材料的导电性由于在照射面上形成未结合的电子空穴对而增加的情况下与内部光电效应相关的效应。由于对包括至少一种半导体材料和测量膜的压力传感器元件的照射，电信号例如桥电压信号发生改变。可以基于这种变化确定统计压力值。借助于该统计压力值对由压力传感器确定的压力测量变量进行校正或补偿。

本发明的压力传感器的一种有利实施例提供了光学激发包括多个单独的光学脉冲。

本发明的压力传感器的另一种有利实施例提供了测量膜具有附加的集成电阻元件，并且为每个附加的电阻元件提供照明装置。

本发明压力传感器的另一有利实施例提供照明装置是发光二极管。

本发明的压力传感器的另一种有利实施例提供了周期性地进行光学激发，并且其中在两个循环期间，控制/评估单元使用最后确定的统计压力值来进行校正或补偿。

关于所述方法，其目的是通过一种用于操作压力传感器的方法来实现的，所述压力传感器尤其是根据前述实施例之一构造的，其中压力传感器包括具有半导体材料和测量膜的压力传感器元件，在测量膜的第一侧上供应第一压力，并且在测量膜的第二侧上供应第二压力，其中该方法包括如下步骤：

光学地激发压力传感器元件：

记录由光学激发引起的电信号的变化；

基于电信号的变化确定统计压力值；

基于统计压力值校正或补偿压力传感器确定的压力测量变量。

本发明的方法的实施例的一种有利形式提供了多个单独的光学脉冲用于进行光学激发，并且为了记录电信号的变化而记录多个单独的电信号值。特别地，这种形式的实施例提供了通过对记录的多个单独的电信号值求平均值来确定电信号的变化。

本发明的方法的实施例的另一有利形式提供了在测量操作期间周期性地执行光学激发。

本发明的方法的实施例的最后一个有利形式提供了通过查找表和/或数学公式来执行校正或补偿。

附图说明

现在将基于附图更加详细地解释本发明，附图如下：

图1是本发明的压力传感器的示意图，

图2是本发明的压力传感器的示意性方框图，

图3是用于调查效果的实验装置，

图4是从实验装置实验确定的一条或多条第一测量曲线，

图5是从实验装置实验确定的一条或多条第二测量曲线，

图6(a)是光电二极管的放大器电路，

图6(b)是放大器电路的输出信号，

图7是从实验装置实验确定的一条或多条第三测量曲线，

图8以举例的方式示出适用于校正或补偿压力传感器的压力测量变量的校正函数，以及

图9是本发明方法的方法步骤的示意图。

具体实施方式

图1示出本发明的压力传感器1的示意图。该传感器包括壳体2、布置在壳体2中的压力传感器元件3和同样布置在壳体中的照明装置4。

引入壳体2中的压力传感器元件3包括优选硅的半导体材料。在压力传感器元件3中例如通过蚀刻工艺形成测量膜5。为了确定压力测量变量，例如当压力传感器1被构造为相对压力传感器时，测量膜5在第一侧上被馈送第一压力p₁，例如大气压，并且在第二侧上被馈送第二压力p₂，例如包含统计压力的待测量的介质压力。

为了记录通过施加压力p₁和p₂而产生的压力相关的偏转，测量膜依次包括四个例如通过掺杂半导体材料而产生的电阻元件6。以这种方式集成到测量膜5中的电阻元件6通常被布置在测量膜5的边缘区域中，使得以电阻变化的形式记录测量膜5的压力相关的偏转。基于电阻元件6的电阻变化，压力传感器1可以确定并输出压力测量变量。

图1示出了一种相对压力传感器。然而，本发明同样适用于绝对压力传感器或压差传感器。

图2示出了本发明的压力传感器1的示意性方框图，除了包括具有相应的照明装置控制单元7的照明装置4和电阻元件6之外，该压力传感器还补充地包括控制/评估单元8。电阻元件6互连以形成惠斯通电桥9，并且控制/评估单元8通常用于记录代表电信号10的电阻值之一，例如桥电压信号U_B。控制/评估单元8基于记录的电信号10，在所示的情况下是桥电压U_B，确定压力测量变量。

图3示出了一个用于调查效果的实验装置。该实验装置包括通过液压室互连件13而连接在一起的第一组件11和第二组件12。第一组件11包括位于类型8的晶体管轮廓支架(TO-8)上的发光二极管4(LED)，并且第二组件包括同样位于TO-8支架上的压力传感器元件。液压室互连件13包括用于利用压力传递液体例如硅油来填充液压室互连件13的填充喷嘴14。

压力传感器元件与尤其包括控制/评估单元的传感器电子器件电连接。通过传感器电子器件，由惠斯登电桥9的电阻元件6的电阻变化产生的电信号被转换成压力测量变量。

图4示出了基于上述实验装置实验确定的多个第一测量曲线。为此，通过液压室互连件同时为LED以及压力传感器元件供应统计压力。另外，压力传感器元件被LED光学激发。准确地说，相对压力传感器在不同的统计压力(p＝0-40bar)和不同的温度(T＝-20℃至70℃)下运行。在相应的压力和温度下，利用多个单独的光学脉冲进行光激发。通过对单独的信号值的记录数求平均来记录电信号的改变或偏差，其中该改变或偏差是具有光激发的电信号与没有光激发的电信号之间的差异。

从图4中可以明显看出，压力传感器元件示出了桥电压形式的电信号随着电压以及温度的变化，从而通过利用光电效应来确定用于校正或补偿压力测量变量的静压值在原则上是可能的。

图5示出了基于上述实验装置实验确定的多个第二测量曲线。在这种情况下，在所描述的实验装置中，压力传感器元件被作为接收器的光电二极管所代替，并且LED和光电二极管均被暴露于统计压力，其中液压室互连件未被填充压力传递液体。线性偏差归因于在光电二极管和LED两者上的效应叠加。为了评估光电二极管，使用了图6(a)中所示的放大器电路，其将0到15μA的光子电流映射到0到15V的输出信号。例如，在图6(b)中示出了这种输出信号。

图7示出了基于实验装置实验确定的多个第三测量曲线。在这种情况下，在所描述的实验装置中，压力传感器元件再次被作为接收器的光电二极管所代替，并且LED和光电二极管均被暴露于统计压力，其中液压室互连件一次被填充压力传递液体，一次未被填充。从图7中可以看出产生了压力传递装置的温度相关吸收系数，该系数在校正或补偿时同样将要被考虑在内。

从第一至第三测量曲线可以看出，光电效应可用于估计压力传感器中的统计压力，从而借助于数学模型可以减小压力传感器的测量误差。为此，例如可以使用诸如图8所示的校正函数。

为了进行校正或补偿，控制/评估单元8被设计成执行在图9中示意性地示出并且根据如下方法步骤在下面进行描述的本发明的方法：

-100通过至少一个例如发光二极管形式的照明装置来光学激发压力传感器元件。在这种情况下，可以通过单个或者选择性地经由多个照明装置优选每个电阻元件采用一个照明装置进行光学激发。已证明当照明装置是脉冲式的、即光学激发是通过直接相继的多个单独光学脉冲进行时是优选的。此外，已证明优选的是在测量操作期间周期性地进行光学激发。

-101记录由光学激发引起的电信号的变化，其中在每个电阻元件6具有其自己的照明装置4，并因此发生电阻元件6的选择性光学激发的情况下，优选在每种情况下记录每个电阻元件6的电信号10。在利用多个单独脉冲产生光学激发的情况下，通过对记录的单独信号值求平均值来确定电信号的变化是优选的。

-102基于电信号的变化确定统计压力值。

-103基于统计压力值来校正或补偿由压力传感器确定的压力测量参数。

附图标记列表

1 压力传感器

2 壳体

3 压力传感器元件

4 照明装置

5 测量膜

6 电阻元件

7 照明装置控制单元

8 控制/评估单元

9 惠斯登电桥

10 电信号

11 第一组件

12 第二组件

13 液压室互连件

14 填充喷嘴

15 TO-8壳体

16 传感器电子器件

17 光电二极管

P₁ 第一压力

P₂ 第二压力

U_B 桥电压

Claims

1.一种用于测定压力测量变量的压力传感器(1)，包括至少一个壳体(2)、布置在所述壳体(2)中的压力传感器元件(3)、同样布置在所述壳体(2)中的照明装置(4)和控制/评估单元(8)，其中所述压力传感器元件(3)具有半导体材料和测量膜，其中第一压力(p₁)供应到所述测量膜(5)的第一侧，并且第二压力(p₂)供应到所述测量膜(5)的第二侧，所述测量膜(5)经历压力相关的偏转，其中所述测量膜(5)具有至少一个集成的电阻元件(6)，并且所述控制/评估单元(8)借助于所述集成的电阻元件(6)确定用于压力测量变量测定的电信号(10)，其中，所述照明装置(4)提供压力传感器元件(3)的光学激发，并且所述控制/评估单元(8)被布置为基于由所述光学激发引起的所述电信号(10)的变化来确定存在于所述第一和/或第二压力中的统计压力值，所述变化表示有所述光学激发的电信号和没有所述光学激发的电信号之间的差异，并且所述控制/评估单元(8)进一步被布置为借助于所确定的统计压力值执行所述压力测量变量的校正或补偿。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述光学激发包括多个单独的光学脉冲。

3.根据前述权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述测量膜(5)具有附加的集成电阻元件(6)，并且为每个附加的电阻元件(6)提供照明装置(4)。

4.根据前述权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述照明装置(4)是发光二极管。

5.根据前述权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述光学激发周期性地发生，并且其中，在两个周期期间，所述控制/评估单元(8)使用最后确定的统计压力值来校正或补偿。

6.一种用于操作压力传感器(1)的方法，该压力传感器是在前述权利要求之一所述的压力传感器，其中，所述压力传感器(1)包括具有半导体材料和测量膜(5)的压力传感器元件(3)，在所述测量膜的第一侧上供应第一压力(p₁)，并且在所述测量膜的第二侧上供应第二压力(p₂)，其中，所述方法包括如下步骤：

-对所述压力传感器元件进行光学激发(100)；

-记录由所述光学激发引起的电信号的变化(101)，所述变化表示有所述光学激发的电信号和没有所述光学激发的电信号之间的差异；

-基于所述电信号的所述变化确定统计压力值(102)；

-基于所述统计压力值来校正或补偿压力传感器所确定的压力测量变量(103)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，多个单独的光脉冲被用于进行光学激发(100)，并且为了记录电信号的变化而记录多个单独的电信号值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过对记录的多个单独的电信号值求平均值来确定电信号(10)的变化。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的方法，其中，在测量操作期间周期性地执行所述光学激发(100)。

10.根据权利要求6至8中的任一项所述的方法，其中通过查找表和/或数学公式来执行所述校正或补偿。