DE69715928T2

DE69715928T2 - Fehlerkompensierter druckwandler

Info

Publication number: DE69715928T2
Application number: DE69715928T
Authority: DE
Inventors: Alexander Breitenbach; Dale Dauenhauer; Dennis Dauenhauer; Herman Erichsen
Original assignee: Honeywell Data Instruments Inc
Current assignee: Honeywell Data Instruments Inc
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: JP2001511884A; WO1998001731A1; US6023978A; DE69715928D1; EP1009986A1; DE1009986T1; EP1009986B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwandler und insbesondere einen Druckwandler mit Fehlerkompensation.

2. Erörterung des Stands der Technik

In der Technik sind Druckwandler wohlbekannt, die Dehnungsmeßstreifen in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration verwenden. Derartige Druckwandler sind gegenüber verschiedenen Störungen wie etwa Temperaturänderungen empfindlich, die, falls sie nicht kompensiert werden, bei dem Druckmeßwert zu Fehlern führen. Temperatur induzierte Fehler können als eine Änderung der Ausgabe des Wandlers beobachtet werden, wenn die Temperatur variiert, ohne daß Druck angelegt wird, und als eine Änderung der Differenz zwischen der Ausgabe bei Vollausschlag und der Ausgabe bei keinem Druck, wenn die Temperatur variiert, wobei ein zu einem Vollausschlag führender Druck angelegt ist. Diese Fehler sind als "Temperatureffekt auf Nullpunkt (oder Offset)" bzw. "Temperatureffekt auf den Meßbereich" bekannt.
Verfahren zum Kompensieren derartiger Fehler sind in der Technik wohlbekannt und erfordern anfänglich eine Charakterisierung des Wandlers, um etwaige Fehler zu definieren. In der Regel werden mindestens zwei Punkte aus dem Ausgangssignal des Wandlers aufgezeichnet, wenn die Temperatur sowohl ohne angelegten Druck und mit einem gewissen angelegten Druck über einen gewünschten Bereich hinweg variiert wird. Der angelegte Druck ist in der Regel, aber nicht notwendigerweise, der Druck bei Vollausschlag, und die Ausgabe wird bei den gleichen Temperaturpunkten mit einem Druck von Null und mit dem angelegten Druck aufgezeichnet. Auf der Basis der Ausgangssignale werden die unkompensierten Temperatureffekte berechnet und zum Ableiten des erforderlichen Ausmaßes an Kompensation verwendet.
Es kann ein beliebiges von mehreren Verfahren zur Bereitstellung von Fehlerkompensation in einem Druckwandler verwendet werden. Ein - übliches Verfahren besteht darin, Widerstände in Reihe mit der Brückenversorgungsspannung und in Reihe mit und/oder parallel zu den einzelnen Brückenwiderständen hinzuzufügen. Die Widerstände werden auf der Basis der jeweiligen thermischen Eigenschaften gewählt, die erforderlich sind, um die beobachteten Temperatureffekte aufzuheben, und ihre Werte werden auf der Basis der unkompensensierten thermischen Messungen berechnet. Eine Fehlerkompensation kann man auch durch Laserabgleichwiderstände oder -thermistoren erreichen, um am Sensor Spannungsänderungen zu erzwingen. Bei einem anderen, als digitale Kompensation bekannten Verfahren werden mit gespeicherten Daten Fehlerkorrektursignale erzeugt, die zu der unkompensierten Ausgabe der Brücke addiert oder von dieser subtrahiert werden.
Die Fehlerkompensation, um präzise Druckmessungen zu erhalten, kann jedoch ein aufwendiger und zeitraubender Prozeß sein. Der Prozeß des Charakterisierens des Wandlers, Addieren von Kompensation, Neucharakterisieren und Nachstellen der Kompensation muß meist mehrere Male wiederholt werden, um die gewünschte Präzision zu erhalten. Bei bestimmten Wandlerdesigns kann dies schwieriger sein, beispielsweise bei mikrobearbeiteten Siliziumsensoren mit Vollausschlagdrücken von 1 Zoll (1") H&sub2;O oder weniger.
Beschleunigung und Erdanziehung sind weitere Faktoren, die die Empfindlichkeit von Druckwandlern beeinflussen können, insbesondere bei Verwendung in Tiefdruckanwendungen aufgrund der relativ großen Masse ihrer Membranen in Beziehung zu der geringen Kraft, die zu ihrer Auslenkung erforderlich ist. Wenngleich Beschleunigungskräfte möglicherweise nicht bei allen Anwendungen einen Faktor darstellen, liegt die Erdanziehung überall vor und kann dazu führen, daß Wandler hinsichtlich ihrer Befestigungsposition empfindlich sind. Die Fehlerkompensation für Beschleunigung und Erdanziehung erfordert in der Regel die Verwendung komplexer Strukturen, die aufwendig und schwer herzustellen sind.
Aufwärmfehler und Drift sind ebenfalls Faktoren, die die Empfindlichkeit sogar eines gut kompensierten Wandlers beeinflussen. Es kommt zu Aufwärmfehlern und Drift bei erstmaligem Einschalten eines Wandlers aufgrund einer thermischen Verzögerung zwischen Komponenten. Dies kann durch existierende Kompensationsverfahren im allgemeinen nicht reduziert werden, erfordert aber höchst stabile oder gut angepaßte Komponenten, was die Produktkosten wesentlich erhöhen kann.
Es ist außerdem bekannt, einen Druckwandler unter Verwendung eines dünnen Siliziumchips herzustellen, auf dem eine Reihe von Widerständen ausgebildet worden sind, die als Dehnungsstreifen fungieren. Mit dem Sinken der Kosten dieser Siliziumdehnungsstreifen wurde vorgeschlagen, zwei dieser Siliziumtransistoren miteinander zu verbinden, so daß mit einem Sensor verbundene Fehler die Fehler im anderen Sensor aufheben. Insbesondere ist aus dem US-Patent Nr. 4,565,097 ein Paar verbundener Sensoren mit Wheatstone-Brücke bekannt. Bei dem '097-Patent sind die Widerstände eines Sensors im gleichen Teil der Brücke mit einem entgegengesetzten Element des anderen Sensors verbunden, so daß Offsets und Drifts denen des anderen Sensors entgegengesetzt sind und durch diese im wesentlichen aufgehoben werden. Da der relevante Druck in dem Sensorpaar nur auf einen der Sensoren ausgeübt wird, erzeugt der Druckwandler eine Ausgabe, die vom anderen Sensor nicht aufgehoben wird.
Obwohl der in dem '097-Patent dargestellte Druckwandler zur Aufhebung von Temperatureffekten, Drifts und Offsets führen kann, erfordert er weiterhin, daß die Fehler jedes der Sensoren, die den Druckwandler bilden, so charakterisiert werden, daß Sensoren mit entgegengesetzten Fehlereffekten paarweise zusammengegeben werden. Falls beispielsweise der erste Sensor im Druckwandler einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, sollte der zur Aufhebung des positiven Temperaturkoeffizienten verwendete zweite Sensor einen negativen Koeffizienten aufweisen, so daß, wenn die Sensoren zur Bildung des Druckwandlers miteinander verbunden werden, der positive und der negative Temperaturkoeffizient einander aufheben.
Außerdem werden bei dem '097-Patent die beiden Sensoren miteinander verdrahtet, so daß die jeden Zweig der Wheatstone-Brücke bildenden Widerstände in Reihe miteinander angeordnet sind. Augrund dieser Reihenschaltung der Widerstände erfordert das '097-Patent, daß die Verbindungen zwischen den Widerständen der Brücke von außen zugänglich sind. Wenn man mit Siliziumdehnungsmeßstreifen arbeitet, die in einem bestimmten Chip bereits vollständig konstruiert worden sind, kann dies etwas unzweckmäßig sein. Außerdem erfordert die Reihenschaltung von Widerständen in dem '097-Patent, daß die beiden Sensoren, die paarweise zusammengegeben werden sollen, entgegengesetzte Fehlerkennlinien aufweisen, so daß die Fehler sich aufheben, wenn die Brücken miteinander verdrahtet werden.
Das US-Patent Nr. 4,895,026 betrifft einen Halbleiterdrucksensor, der eine erste und eine zweite identische Druckmeßmembran umfaßt, die jeweils eine erste und zweite Druckempfangsfläche aufweisen und so unterstützt sind, daß sie in der gleichen Orientierung in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sind. An zwei Druckmeßmembranen sind aus piezoelektrischen Elementen hergestellte ähnliche Brückenschaltungen zum Erzeugen von elektrischen Signalen angeschlossen, die den Fluiddruck anzeigen, der auf die Druckmeßmembranen wirkt. Ein an eine erste Druckquelle anschließbarer erster Fluiddurchgang steht mit der ersten Druckempfangsfläche der ersten Membran und der zweiten Druckempfangsfläche der zweiten Membran in Verbindung, und ein zweiter Fluiddurchgang steht mit einer zweiten Druckempfangsfläche der ersten Membran und der ersten Druckempfangsfläche der zweiten Membran in Verbindung. Die beiden elektrischen Signale werden einem Differenzverstärker zugeführt, wo zwei Signale subtrahiert und ein zur Größe des Ergebnisses der Subtraktion zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal proportionales elektrisches Ausgangssignal wird.
Das US-Patent Nr. 4,695,817 betrifft einen Wandler, der zwei getrennte Druckeingangsports verwendet. Jeder Port ist einer getrennten Metallmembran zugeordnet, hinter der eine Wandlerstruktur mit einer topfförmigen Silizumdruckmembran befestigt ist, die in einer ölgefüllten Vertiefung des Wandlers gehalten wird. Eine Wandlerstruktur ist ein Halbbrückenarray und überwacht den an den positiven Port angelegten Hauptdruck. Eine Vollbrücke wird durch zwei dem positiven Port zugeordnete Widerstände und zwei Widerstände in einem Array gebildet, die dem anderen Port zugeordnet sind, der der negative Port ist. Die Widerstände in dem Array am negativen Port sind so ausgewählt, daß sie größer sind als jene am positiven Port, und zeigen pro angelegter Druckeinheit eine größere Empfindlichkeit. Durch Auswahl der Größen der jedem Port zugeordneten Widerstände sowie der Empfindlichkeit bewirkt das Nebenschließen der Widerstände an jedem Port, daß der zusammengesetzte Wandler eine Ausgabe liefert, die den an dem positiven Port angelegten Druck nach Modifikation oder Korrektur durch den an dem negativen Port angelegten Druck anzeigt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung liefert einen Druckwandler wie in Anspruch 1 definiert.
Der Wandler kann die Merkmale eines oder mehrerer beliebiger der abhängigen Ansprüche 2 bis 28 und 39 enthalten.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren wie in Anspruch 29 definiert bereit.
Das Verfahren kann die Merkmale eines oder mehrerer beliebiger der abhängigen Ansprüche 30 bis 38 und 40 enthalten.
Die vorliegende Erfindung verbessert den Stand der Technik durch Bereitstellen eines Druckwandlers, der mindestens zwei Sensoren mit im wesentlichen ähnlichen oder im wesentlichen identischen Fehlerkennlinien enthält, wobei jeder Sensor so angeordnet ist, daß er einem angelegten Druck ausgesetzt wird und die Sensoren elektrisch kreuzgekoppelt sind, so daß einem Sensor zugeordnete Fehler durch dem anderen Sensor zugeordnete Fehler kompensiert oder im wesentlichen aufgehoben werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Druckwandler ein Paar Sensoren mit im wesentlichen ähnlichen oder im wesentlichen identischen Fehlerkennlinien. Jeder Sensor ist so angeordnet, daß er einem ersten Druck und einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Sensoren sind elektrisch kreuzgekoppelt, so daß ein Fehler bei einem der Sensoren mit einem im wesentlichen ähnlichen oder im wesentlichen identischen Fehler in dem anderen der Sensoren kompensiert wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt der Druckwandler ein erstes Basisglied, ein zweites Basisglied und einen ersten und einen zweiten Sensor mit im wesentlichen gleichen Fehlerkennlinien. Der erste Sensor ist an dem ersten Basisglied und der zweite Sensor an dem zweiten Basisglied angeordnet. Der Wandler enthält außerdem ein Schnittstellenglied, das zwischen dem ersten Basisglied und dem zweiten Basisglied angeordnet ist, um um den ersten Sensor herum einen ersten Hohlraum zu definieren, und eine an dem zweiten Basisglied angeordnete Abdeckung, um um den zweiten Sensor herum einen zweiten Hohlraum zu definieren. Der erste und zweite Sensor sind fluidisch und elektrisch gekoppelt, so daß ein Fehler im ersten Sensor mit einem im wesentlichen identischen Fehler im zweiten Sensor kompensiert wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt ein Verfahren zum Ausbilden eines Druckwandlers mit Fehlerkompensation die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Paars von Sensoren mit im wesentlichen identischen Fehlerkennlinien, fluidisches Ankoppeln der Sensoren, so daß jeder Sensor so angeordnet ist, daß er einem ersten Druck und einem zweiten Druck ausgesetzt wird, und Verbinden der Sensoren, so daß ein Fehler in einem Sensor mit einem im wesentlichen identischen Fehler in dem anderen Sensor kompensiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es verseht sich, daß die Zeichnungen nur zum Zweck der Veranschaulichung bereitgestellt werden und nicht die Grenzen der Erfindung definieren sollen. Die obigen und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels eines Druckwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht der Sensormodule des Druckwandlers von Fig. 1,
Fig. 3 eine Perspektivansicht der Sensormodule für den Druckwandler von Fig. 1 vor dem endgültigen Zusammenbau,
Fig. 4 eine schematische Seitenquerschnittsansicht des in einem Gehäuse befestigten Druckwandlers von Fig. 1, die eine Ausführungsform der Fluidverbindungen zwischen den Drucksensoren veranschaulicht,
Fig. 5 eine schematische Seitenquerschnittsansicht des in einem Gehäuse befestigten Druckwandlers von Fig. 1, die eine andere Ausführungsform der Fluidverbindungen zwischen den Drucksensoren veranschaulicht,
Fig. 6 eine schematische Seitenquerschnittsansicht des in einem Gehäuse befestigten Druckwandlers von Fig. 1, die eine andere Ausführungsform der Fluidverbindungen zwischen den Drucksensoren veranschaulicht,
Fig. 7 ein Schemadiagramm, das die elektrischen Verbindungen zwischen den Sensoren der in Fig. 1-6 dargestellten Druckwandler veranschaulichen, und
Fig. 8 ein ausführlicheres Schemadiagramm der in Fig. 7 dargestellten Schaltung.

Ausführliche Beschreibung

Ein Druckwandler kann zwei oder mehr Drucksensoren mit im wesentlichen ähnlichen oder im wesentlichen identischen Fehlerkennlinien enthalten. Die Sensoren können elektrisch so miteinander verbunden sein, daß die jedem Sensor zugeordneten Fehler einander kompensieren oder aufheben, um präzise Druckmessungen zu liefern. Obwohl die Fehlerkompensationstechniken der Erfindung theoretisch mit jeder Art von Sensor erreicht werden können, verwendet der Druckwandler bevorzugt mikrobearbeitete Siliziumsensoren oder -chips, die auf einem Siliziumwafer ausgebildet sind.
Siliziumsensoren sind klein und preiswert und können gut angepaßt werden, um mit minimaler zusätzlicher Bearbeitung einen hohen Kompensationsgrad zu liefern. Da Fehlerkennlinien vorwiegend prozeßbezogen sind, weisen auf dem gleichen Siliziumwafer verarbeitete Sensoren im allgemeinen sehr ähnliche Fehler auf, wobei der Siliziumwafer mehrere hundert bis mehrere tausend Sensorchips enthalten kann. Da die relative Position der Sensorchips auf dem Wafer näher aneinander rücken, werden die Fehlerkennlinien jedes Chips im allgemeinen noch ähnlicher. Der Wandler kann dementsprechend Sensoren mit im wesentlichen identischen Fehlerkennlinien verwenden, indem einfach Sensoren gewählt werden, die auf dem gleichen Wafer in unmittelbarer Nähe zueinander ausgebildet sind. Sensorchips, die auf dem Wafer benachbart oder nebeneinander ausgebildet worden sind, werden bevorzugt so gewählt, daß die Wahrscheinlichkeit wesentlich ansteigt, daß sie im wesentlichen die gleichen Fehlerkennlinien aufweisen. Indem in unmittelbarer Nähe zueinander ausgebildete Sensoren in der Anordnung der Erfindung verwendet werden, kann eine Fehlercharakterisierung und -anpassung vorteilhafterweise vermieden werden, wodurch man einen präzisen Druckwandler bei relativ geringen Kosten erhält.
Die Fig. 1-3 veranschaulichen eine Ausführungsform eines Druckwandlers 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Druckwandler 20 kann ein erstes Sensormodul 22 und ein zweites Sensormodul 24 enthalten, die so miteinander verbunden sind, daß man eine präzise Meßeinrichtung mit Fehlerkompensation erhält. Das zweite Sensormodul 24 kann auf dem ersten Sensormodul 22 befestigt sein, damit man einen kompakten Druckwandler erhält, der zum Bilden sowohl der fluidischen als auch elektrischen Verbindungen leicht zusammengebaut werden kann.
Das erste Sensormodul 22 kann ein erstes Basisglied 26, einen ersten Sensor 28 und eine erste Abdeckung 30 enthalten. Analog kann das zweite Sensormodul 24 ein zweites Basisglied 32, einen zweiten Sensor 34 und eine zweite Abdeckung 36 enthalten. Jeder Sensor 28, 34 ist an seinem Basisglied 26, 32 angebracht und von seiner Abdeckung 30, 36 umgeben, um den Sensor zu schützen und auch die Fluidverbindungen zwischen den Modulen zu bilden. Der Druckwandler 20 kann auch mehrere elektrische Kontakte 38 zum elektrischen Verbinden des ersten und zweiten Moduls 22, 24 und folglich des ersten und zweiten Sensors 28, 34 enthalten, die auf eine dem Fachmann offensichtliche Weise elektrisch an die Kontakte 38 gekoppelt sein können.
Bei einer Ausführungsform kann jedes Basisglied 26, 32 eine Verbindungseinrichtung sein, die zweckmäßig die elektrischen Verbindungen zwischen den Sensoren 28, 34 und den elektrischen Kontakten 38 bildet. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist jedes Basisglied 26, 32 bevorzugt eine Leiterplatte, die leitende Schaltungen 40 beinhaltet, die unter Verwendung von in der Technik wohlbekannten Herstellungsverfahren auf einem isolierenden Material ausgebildet sind. Jede Leiterplatte 26, 32, kann eine nichtgezeigte Isolierschicht enthalten, um die Schaltung 40 zu schützen und die Möglichkeit elektrischer Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterbahnen zu reduzieren. Durch die Verwendung von Leiterplatten wird der Zusammenbau des Wandlers bei relativ geringen Kosten wesentlich verbessert.
Der Montageprozeß des Wandlers 20 kann dadurch weiter verbessert werden, daß die einzelnen Leiterplatten 26, 32 für das erste und zweite Sensormodul 22, 24 in eine Leiterplatte vereinigt werden, die die Schaltungen für das erste und zweite Sensormodul enthält. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, können das erste und zweite Sensormodul 22, 24 vorteilhafterweise als ein Paar zusammengebaut werden, wodurch sichergestellt wird, daß während des Montageprozesses die im wesentlichen identischen ersten und zweiten Sensoren 28, 34 zusammenbleiben. In den Endstufen des Wandlermontageprozesses können die ersten und zweiten Sensormodule 22, 24 voneinander getrennt werden, indem die Leiterplatte entlang einer Trennlinie 42 geteilt wird, so daß das zweite Sensormodul 24 dann an dem ersten Sensormodul 22 befestigt ist, um den Druckwandler 20 zu bilden, wie in Fig. 1 gezeigt.
Die elektrischen Kontakte 38 können längliche leitende Glieder mit einem mit der Schaltung auf dem ersten Basisglied 26 verbundenen unteren Ende und einem mit der Schaltung auf dem zweiten Basisglied 32 verbundenen oberen Ende sein. Bei einer Ausführungsform kann das untere Ende jedes Kontakts 38 elektrisch mit einem Schaltungspad 44 (Fig. 4) entlang einer Kante des ersten Basisglieds 26 verbunden sein. Das zweite Basisglied 32 kann entsprechende elektrische Durchführungen, wie etwa plattierte Löcher 46, enthalten, die das obere Ende des elektrischen Kontakts 38 dorthindurch aufnehmen, so daß die Kontakte elektrisch mit den Durchführungen verbunden sein können. Die elektrischen Kontakte 38 können an das erste und zweite Basisglied 26, 32 gelötet sein, um die elektrischen Verbindungen zwischen den Sensormodulen zu bilden. Jeder Sensor 28, 34 kann unter Verwendung herkömmlicher Techniken, wie etwa Drahtbondungen 48 (Fig. 2), die durch Ultraschall zwischen die Pads 50 am Sensor und die Pads 52 an der Schaltung geschweißt sein können, elektrisch mit der Schaltung 40 verbunden werden. Es ist zu verstehen, daß andere elektrische Verbindungstechniken verwendet werden können, wie für den Fachmann offensichtlich ist.
Wie später ausführlicher erläutert wird, sind die die Sensoren 28 und 34 umfassenden Wheatstone-Brücken parallel zueinander angeschlossen. Somit ist die gezeigte Anordnung aus elektrischen Kontakten 38, Durchgangslöchern 46 und der Schaltung 40 besonders vorteilhaft, da sie die schnelle und leichte Herstellung der parallelen elektrischen Verbindung zwischen den Sensoren 28 und 34 gestattet.
Die erste und zweite Abdeckung 30, 36 sind an ihren jeweiligen Basisgliedern 26, 32 angebracht, um die Sensoren 28, 34 zu umgeben und zu schützen. Die Abdeckungen sind weiterhin so aufgebaut, daß sie das erste und zweite Sensormodul 22, 24 auf gewünschte Weise fluidisch miteinander verbinden, um Prozeßfehler bei den Sensoren 28, 34 zu kompensieren. Die Abdeckungen 30, 36 können Hohlräume und Mündungen enthalten, die miteinander und auch mit Mündungen in den Basisgliedern in Verbindung stehen, um Druckmedien selektiv zu der oberen und unteren Seite der Sensoren zu kanalisieren. Die Abdeckungen sollten so an den Basisgliedern befestigt sein, daß die Sensormodule gegenüber einer Undichtigkeit abgedichtet sind, um den Druck darin aufrechtzuerhalten. Die Abdeckungen können aus einem Material wie etwa Kunststoff, Metall oder dergleichen ausgebildet sein, wie es für den Fachmann offensichtlich ist.
Bei einer Ausführungsform können die Abdeckungen 30, 36 unter Verwendung eines Klebematerials, das die Abdeckungen mechanisch an den Basisgliedern sichert und fluidisch abdichtet, an ihre jeweiligen Basisglieder 26, 32 geklebt sein. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann auf jedes Basisglied 26, 32 ein Streifen aus Klebstoff 54, 56 in einem Muster aufgetragen sein, das die unteren Flächen jeder Abdeckung 30, 36 an das Basisglied kleben. Analog kann, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Streifen aus Klebstoff 58 auf die obere Fläche der ersten Abdeckung 30 aufgetragen sein, um das zweite Sensormodul 24 an das erste Sensormodul 22 zu kleben, so daß die erste Abdeckung wie ein Schnittstellenglied zwischen dem ersten und zweiten Sensormodul wirkt. Auf gleiche Weise kann der Umfang jedes Sensors 28, 34 an sein jeweiliges Basenglied 26, 32 geklebt sein, um den Sensor mechanisch zu sichern und die gegenüberliegenden Seiten des Sensors fluidisch voneinander zu trennen. Die Abdeckungen und Sensoren können mit einem Klebstoff wie etwa einem RTV-Silikon, einem Epoxid oder einem ähnlichen Klebematerial, wie für den Fachmann zu sehen ist, an die Basisglieder geklebt sein.
Wie in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt, kann der Druckwandler 20 in einem Gehäuse 60 angebracht sein, das den Wandler beschützt und die Befestigung des Wandlers in einem System gestattet, das zum Messen von Druck an eine oder mehrere Druckquellen angekoppelt werden soll. Das Gehäuse 60 kann einen ersten Einlaßport 62, der an eine erste Druckquelle angekoppelt sein kann, und einen zweiten Einlaßport 64, der an eine zweite Druckquelle angekoppelt sein kann, enthalten. Die Einlaßports 62, 64 können, wie dem Fachmann ohne weiteres klar ist, so konfiguriert sein, daß sie eine Fluidverbindung zu den Druckquellen herstellen. Der Druckwandler 20 kann an einem Bodenteil des Gehäuses gestützt und unter Verwendung eines Klebematerials gesichert sein, das den Wandler auch fluidisch an dem Gehäuse abdichtet. Der Bodenteil des Gehäuses kann ein fluidisch am ersten Einlaß 62 angekoppeltes erstes Plenum 66 und ein an dem zweiten Einlaß 64 fluidisch angekoppeltes zweites Plenum 68 enthalten, damit unter Druck stehende Medien zu dem Druckwandler verteilt werden. Die elektrischen Kontakte 38 des Wandlers können unter Verwendung von Draht, einem Verbinder oder einer anderen Verbindungseinrichtung, die dem Fachmann offensichtlich sein würde, an Überwachungsgeräte angeschlossen sein.
Die Abdeckungen 30, 36 und die Basisglieder 26, 32 der Sensormodule können Hohlräume und Mündungen enthalten, die so konfiguriert sind, daß sie die unter Druck stehenden Medien zu jeweiligen Seiten der Sensoren verteilen. Jeder der Siliziumchips, der einen Sensor umfaßt, weist eine "inerte" Seite und eine "Schaltungs-"Seite auf. Da die Sensoren auf Siliziumsubstraten ausgebildet sind, werden auf einer Seite, der "Schaltungs-"Seite die verschiedenen Widerstände und elektrischen Komponenten ausgebildet sein. Auf der anderen Seite, der "inerten" oder Substratseite werden keine Komponenten ausgebildet sein. Die Abdeckungen 30, 36 und die Basisglieder 26, 32 können deshalb so angeordnet sein, daß ein bestimmtes Druckmedium auf die inerte oder Schaltungsseite des Sensors gelenkt wird. Dies kann beispielsweise im Fall von korrodierenden Fluiden vorteilhaft sein, die die "Schaltungs-"Seite des Sensors nachteilig beeinflussen würden. Das korrodierende Fluid würde stattdessen zur inerten Seite des Sensors geleitet werden, wodurch der Druck gemessen werden könnte, ohne daß der Sensor selbst beschädigt wird. Dies wird in Verbindung mit der Erörterung der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen ausführlicher erläutert.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht des in den Fig. 1-3 dargestellten Wandlers 20, der so konfiguriert ist, daß Druck auf gegenüberliegende Seiten der Sensoren angelegt wird und die Sensorausgangssignale subtrahiert werden (wie unten ausführlicher erläutert wird), um die Fehler zu kompensieren. Der erste Druck P&sub1;, der im ersten Plenum 66 des Gehäuses vorliegt, kann wie dargestellt durch eine Kombination aus Mündungen und Hohlräumen in den Basisgliedern und der ersten Abdeckung zur unteren Seite 70 des ersten Sensors 28 und zur oberen Seite 72 des zweiten Sensors 34 verteilt werden. Das erste Basisglied 26 kann eine unter dem ersten Sensor 28 angeordnete und von einem ersten Hohlraum 76 in der ersten Abdeckung 30 umschlossene erste Mündung 74 und eine zweite Mündung 78 enthalten, die von der ersten Mündung 74 beabstandet ist, so daß sie von dem Sensor nicht blockiert wird und mit einem zweiten Hohlraum 80 in der ersten Abdeckung 30 in Verbindung steht. Eine dritte Mündung 82 kann den zweiten Hohlraum 80 an einen dritten Hohlraum 84 in der ersten Abdeckung ankoppeln, der wiederum durch eine sich durch das zweite Basisglied 32 erstreckende vierte Mündung 88 an einen vierten Hohlraum 86 in der zweiten Abdeckung 36 angekoppelt sein kann. Die vierte Mündung 88 ist vom zweiten Sensor 34 beabstandet, der vom vierten Hohlraum 86 umgeben ist, so daß der erste Druck P&sub1; im vierten Hohlraum 86 vorliegt. Der erste Druck P&sub1; wird dementsprechend vom ersten Plenum 66 zur unteren Seite 70 des ersten Sensors 28 und zur oberen Seite 72 des zweiten Sensors 34 gelenkt.
Der zweite Druck P&sub2;, der im zweiten Plenum 68 des Gehäuses vorliegt, kann durch eine ähnliche Kombination aus Mündungen und Hohlräumen in den Basisgliedern und der ersten Abdeckung wie in Fig. 4 dargestellt zur oberen Seite 90 des ersten Sensors 28 und zur unteren Seite 92 des zweiten Sensors 34 verteilt werden. Das zweite Plenum 68 kann durch eine sich durch das erste Basisglied 26 erstreckende fünfte Mündung 94 an den ersten Hohlraum 76 angekoppelt sein, so daß die obere Seite 90 des ersten Sensors dem zweiten Druck P&sub2; ausgesetzt ist. Eine sechste Mündung 96 kann sich durch die erste Abdeckung 30 erstrecken, um den ersten Hohlraum 76 an einen fünften Hohlraum 98 in der ersten Abdeckung anzukoppeln. Das zweite Basisglied 32 kann eine unter dem zweiten Sensor 34 angeordnete siebte Mündung 100 enthalten, die die untere Seite 92 des zweiten Sensors an den in dem fünften Hohlraum 98 vorliegenden zweiten Druck P&sub2; ankoppelt. Der zweite Druck P&sub2; wird dementsprechend von dem zweiten Plenum 68 zur oberen Seite 90 des ersten Sensors 28 und zur unteren Seite 92 des zweiten Sensors 34 gelenkt.
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht des in den Fig. 1-3 dargestellten Druckwandlers 20, der so konfiguriert ist, daß der Sensor 28 wie ein Referenzsensor wirkt und der zu messende Druck an den Sensor 34 angelegt wird. Die Sensorausgangssignale werden subtrahiert (wie unten ausführlicher erläutert wird), um die Fehler zu kompensieren. Diese Anordnung kann wie dargestellt ohne weiteres erreicht werden, indem das zweite Sensormodul 24 so konfiguriert wird, daß der zweite Sensor 34 an dem zweiten Basisglied 32 über der vierten Mündung 88 angebracht ist und der vierte Hohlraum 86 durch die siebte Mündung 100 an den fünften Hohlraum 98 angekoppelt ist. Außerdem wird das Gehäuse 60 so rekonfiguriert, daß der zweite Druck P&sub2; (der als Referenzdruck wirkt) im Plenum 68 sich durch die erste Mündung 74 zur unteren Seite 70 des Sensors 28 und durch die fünfte Mündung 94 in den ersten Hohlraum 76 und zur oberen Seite 90 des Sensors 28 ausbreitet. Außerdem breitet sich der Referenzdruck P&sub2; durch die sechste Mündung 96 in den fünften Hohlraum 98 und durch die siebte Mündung 100 in den vierten Hohlraum 86 aus und trifft auf die obere Seite 72 des Sensors 34. Beim Referenzdruck P&sub2; kann es sich um einen beliebigen Druck handeln, doch ist er in der Regel atmosphärischer Druck.
Der Druck P&sub1;, der zu messende Druck, liegt im Plenum 66 vor und breitet sich durch die zweite Mündung 78 in den zweiten Hohlraum 80, durch die dritte Mündung 82 in den dritten Hohlraum 84 und durch die vierte Mündung 88 aus und trifft auf die untere Seite 92 des Sensors 34.
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, ähnlich Fig. 4, von einem Druckwandler 20, der so konfiguriert ist, daß er einen Differenzdruckwandler liefert. Diese Anordnung kann wie dargestellt ohne weiteres erhalten werden, indem das Gehäuse 60 und das Basisglied 26 von der in Fig. 5 dargestellten Konfiguration rekonfiguriert werden. In der Ausführungsform von Fig. 6 ist die fünfte Mündung 94 im Basisglied 26 verschlossen. Durch die achte Mündung 110 wird ein Referenzdruck P&sub3; (der ein beliebiger Druck sein kann, aber in der Regel atmosphärischer Druck ist) in den vierten Hohlraum 86 geführt. Der Referenzdruck P&sub3; trifft auf die obere Seite 71 des Sensors 34. Außerdem breitet sich der Referenzdruck P&sub3; durch die siebte Mündung 100 in den fünften Hohlraum 98 und durch die sechste Mündung 96 in den ersten Hohlraum 76 aus und trifft auf die obere Seite 90 des Sensors 28. Ein zu messender Druck, Druck P&sub1;, wird in das Plenum 66 eingeleitet und breitet sich durch die zweite Mündung 78 in den zweiten Hohlraum 80 aus. Aus dem zweiten Hohlraum 80 breitet sich der Druck P&sub1; durch die dritte Mündung 82 in den dritten Hohlraum 84 und durch die vierte Mündung 88 aus und trifft auf die untere Seite 92 des Sensors 34. Ein weiterer zu messender Druck, Druck P&sub2;, liegt im Plenum 68 vor und breitet sich durch die erste Mündung 74 aus und trifft auf die untere Fläche 70 des Sensors 28. Wie unten ausführlich erläutert wird, ist die resultierende Ausgabe, wenn die Ausgaben der Sensoren 28 und 34 voneinander subtrahiert werden, da der Referenzdruck P&sub3; auf eine Seite der Sensoren 28 bzw. 34 auftrifft, die Differenz zwischen den Drücken P&sub1; und P&sub2;, wobei die Fehler zwischen den beiden Sensoren sich aufgehoben haben.
Damit sich die Fehler bei den Sensoren 28 und 34 aufheben, wenn die Ausgaben subtrahiert werden, sollten die Sensoren so orientiert sein, daß der relevante Druck auf eine inerte Seite eines Sensors und eine Schaltungsseite des anderen Sensors auftrifft. Beispielsweise trifft bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Druck P&sub1; auf die untere Seite 70 des Sensors 28 und die obere Seite 72 des Sensors 34 auf. Die Sensoren 28 und 34 sollten deshalb so orientiert sein, daß die Seite 70 des Sensors 28 die inerte Seite und die Seite 72 des Sensors 34 die Schaltungsseite ist. Der Sensor 34 könnte aber auch so orientiert sein, daß die obere Seite 72 die inerte Seite ist, und der Sensor 28 könnte so orientiert sein, daß die untere Seite 70 die Schaltungsseite ist. Die gleiche Orientierung von Sensoren, wie in Verbindung mit der Ausführungsform von Fig. 4 erörtert, läßt sich auch auf die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform anwenden.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, bei der ein Referenzdruck P&sub3; (der ein beliebiger Druck sein kann, aber in der Regel atmosphärischer Druck ist) an beide Sensoren 28 und 34 angelegt wird, müssen die Sensoren so orientiert sein, daß der Referenzdruck P&sub3; an eine inerte Seite eines Sensors und eine Schaltungsseite des zweiten Sensors angelegt wird. Der Sensor 34 könnte deshalb so orientiert sein, daß die obere Seite 72 die Schaltungsseite ist, und der Sensor 28 könnte so orientiert sein, daß die obere Seite 90 die inerte Seite ist. Der Sensor 34 könnte aber auch so orientiert sein, daß die obere Seite 72 die inerte Seite ist, und der Sensor 28 könnte so orientiert sein, daß die obere Seite 90 die Schaltungsseite ist.
Die Ausführungsformen des in den Fig. 5 und 6 dargestellten Druckwandlers eignen sich insbesondere zum Messen von Druck von korrodierenden Fluiden. Als Beispiel: bei der Ausführungsform von Fig. 5, falls der Referenzdruck P&sub2; atmosphärischer Druck ist, und der zu messende Druck P&sub1; von einem korrodierenden Fluid bereitgestellt wird, dann kann die inerte Seite des Sensors 34 so orientiert sein, daß sie mit der Mündung 88 in Kontakt steht. Das korrodierende Fluid würde somit, da es auf die inerte Seite des Sensors 34 auftreffen würde, die Schaltung des Sensors 34 nicht beeinträchtigen. Da die Sensoren 28 und 34 fluidisch voneinander getrennt sind, würde das korrodierende Fluid weiterhin den Sensor 28 nicht berühren.
Bezüglich Fig. 6 kann der Referenzdruck P&sub3; auf ähnliche Weise einfach atmosphärischer Druck sein. Die Schaltungsseite des Sensors 28 kann so orientiert sein, daß sie den Referenzdruck P&sub3; empfängt. Die inerte Seite des Sensors 34 kann so orientiert sein, daß sie den Druck P&sub1; empfängt. Der Druck P&sub1; könnte infolgedessen ein korrodierendes Fluid sein, und der Druck P&sub2; könnte ein nichtkorrodierendes Fluid sein. Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform gestattet somit vorteilhafterweise eine Differenzdruckmessung für zwei Fluide, wobei eines der Fluide ein korrodierendes Fluid sein kann. Die Positionen der Schaltungsseite der Sensoren 28 und 34 könnte aber auch vertauscht werden und der Druck P&sub2; könnte ein korrodierendes Fluid und der Druck P&sub1; könnte ein nichtkorrodierendes Fluid sein.
Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, die einen elektrischen Schaltplan darstellt, der zeigt, wie die Ausgänge und Eingänge der Wheatstone-Brücken-Sensoren 28 und 34 miteinander verdrahtet sein würden, um eine Fehleraufhebung zu erhalten. Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung 120 ist für alle in den Fig. 1-6 dargestellten Ausführungsformen des Druckwandlers 20 die gleiche. Der Fachmann erkennt, daß in Fig. 7 zwar bestimmte Polaritäten der Stromversorgung und des Ausgangssignals dargestellt sind, die Schaltung 120 auf die gleiche Weise funktionieren würde, wenn alle Polaritäten vertauscht wären.
In Fig. 7 bilden die Widerstände R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; eine erste Wheatstone-Brücke, die den Sensor 28 umfaßt. Die Widerstände R&sub5;, R&sub6;, R&sub7; und R&sub8; bilden eine zweite Wheatstone-Brücke, die den Sensor 34 umfaßt. Eine Spannungs- oder Stromversorgungsquelle für die Schaltung 120 ist am Knoten 122 vorgesehen, der die Knoten 124 und 126 der Sensoren 28 bzw. 34 versorgt. Die Knoten 128 und 130 sind durch den Knoten 132 an eine Referenzspannung angekoppelt, die in der Regel Masse ist. Die Knoten 134 und 136 sind zusammengekoppelt, um am Knoten 138 eine Ausgabe -Vout zu liefern. Die Knoten 140 und 142 sind am Knoten 144 miteinander verbunden, um eine Ausgabe +Vout zu liefern.
Wie aus Fig. 7 hervorgeht, sind die Sensoren 28 und 34 umfassenden Wheatstone-Brücken auf kreuzgekoppelte Weise verbunden. Das heißt, für die dargestellten Polaritäten von Spannungen sind der positive Ausgangsknoten 140 und der negative Ausgangsknoten 142 miteinander verbunden, und der negative Ausgangsknoten 134 und der positive Ausgangsknoten 136 sind miteinander verbunden. Da die Sensoren 28 und 34 bei einer bevorzugten Ausführungsform aus benachbarten Sensorchips ausgewählt sind, haben sie somit bezüglich Änderungen bei ihren Offsets und Meßbereichen als Ergebnis von Temperaturvariationen im wesentlichen ähnliche oder im wesentlichen identische Kennlinien. Da die Ausgangsknoten der Brücken kreuzgekoppelt sind, so daß die Ausgänge voneinander subtrahiert werden, und da beide Brücken auf im wesentlichen die gleiche Weise auf Temperaturvariationen reagieren, heben sich diese Fehler im allgemeinen auf, und die Ausgabe bei Vout ist der von diesen Fehlern im wesentlichen freie angelegte oder Differenzialdruck.
Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, die eine ausführlichere Version der Schaltung von Fig. 7 zeigt. In der Schaltung von Fig. 8 sind die Widerstände RS1, RS2 und RS3 hinzugefügt worden, um die Nachstellung der Empfindlichkeit des Druckwandlers zu gestatten. Die Widerstände RS1, RS2 und RS3 sind in der Regel Widerstände, die sich außerhalb der Wheatstone-Brücken selbst befinden. Außerdem sind die Widerstände R&sub9;, R&sub1;&sub0;, R&sub1;&sub1; und R&sub1;&sub2; hinzugefügt worden, um die Nachstellung des Nullpunkts des Wandlers zu gestatten. Die Widerstände R&sub9;, R&sub1;&sub0;, R&sub1;&sub1; und R&sub1;&sub2; befinden sich in der Regel außerhalb der Wheatstone-Brücken. Obwohl die in Fig. 7 dargestellte Schaltung wirklich die überwiegende Mehrheit des Fehlers zwischen den beiden Wandlern kompensiert, ist die Schaltung von Fig. 8 möglicherweise bei Anwendungen von Nutzen, bei denen möglicherweise eine zusätzliche Präzision bei der Wandlerausgabe notwendig ist.
Da die in Fig. 7 und 8 dargestellten Wheatstone-Brücken so geschaltet sind, daß die Ausgaben subtrahiert werden, liegt ein weiterer Vorzug dieser Schaltungskonfiguration darin, daß die Effekte der Erdanziehung im wesentlichen eliminiert werden. Jede der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann somit für eine bestimmte Anwendung verwendet werden, ohne daß irgendeine Kompensation für die Orientierung des Wandlers erforderlich ist. Dies gestattet bei der Integrierung des Druckwandlers in einen bestimmten Aufbau zusätzliche Flexibilität.
Der Druckwandler 20 kann zum Messen von Manometerdruck, Differentialdruck oder Absolutdruck verwendet werden, und zwar nach Definition der auf jede Seite der Sensoren angelegten Art von Druck. Ein Manometerdruck kann gemessen werden, wenn einer des ersten und zweiten Drucks ein angelegter Druck von einer Druckquelle ist, die gemessen werden soll, und der andere des ersten und zweiten Drucks ein Referenzdruck, in der Regel atmosphärischer Druck, ist. Ein Differentialdruck kann gemessen werden, wenn einer des ersten und zweiten Drucks ein angelegter Druck von einer Druckquelle und der andere des ersten und zweiten Drucks ein anderer angelegter Druck von einer anderen Druckquelle ist. Ein Absolutdruck kann gemessen werden, wenn einer des ersten und zweiten Drucks ein angelegter Druck von einer Druckquelle ist, die gemessen werden soll, und der andere des ersten und zweiten Drucks ein Vakuum oder ein abgedichteter Referenzdruck ist.
Der Druckwandler 20 kann sich zum Messen von Drücken von etwa 0,1" (Zoll) H&sub2;O bis etwa 15 psi eignen und ist möglicherweise besonders geeignet zum Messen von Drücken von höchstens etwa 5 psi, bei denen Druckwandler im allgemeinen für Beschleunigungs- und Erdanziehungseffekte anfälliger sind. Der tatsächliche Druckbereich des Druckwandlers kann durch die Stärke der jeweiligen Komponenten oder des Materials wie etwa des Klebematerials, mit dem die Komponenten aneinander befestigt und miteinander versiegelt werden, begrenzt sein. Es ist jedoch zu verstehen, daß die vorliegende Erfindung auf keinen besonderen Druck beschränkt sein soll.
Der Druckwandler 20 kann dazu verwendet werden, den Druck verschiedener Medien zu messen, wie etwa Fluiden, einschließlich Gasen und Flüssigkeiten, wie dem Fachmann klar ist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um Luft, ein Kühlmittel, Öl oder dergleichen handeln, Bei einigen Anwendungen, wie etwa mit nichtkorrodierenden Fluiden, können die Sensoren dem Medium direkt ausgesetzt werden. Wenn das Medium jedoch korrodierend ist, ist es möglicherweise zusätzlich wünschenswert, die Sensoren vor einem direkten Kontakt mit dem Medium zu schützen, insbesondere die Seiten der Sensoren, die die Verdrahtung und die Schaltung enthalten, die für eine Beschädigung im allgemeinen anfälliger ist. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, auf die Sensoren eine Beschichtung aus einem Material wie etwa RTV-Silikon oder dergleichen aufzutragen, so daß das Fluid die Bauelemente nicht beschädigt. Diese Art von Schutz kann auch erwünscht sein, um Feuchtigkeit, wie sie etwa in Luft vorliegen kann, von den Sensoren abzuhalten. Bei strengeren Anwendungen ist es möglicherweise erwünscht, die Sensorhohlräume mit einem nichtstarren Material wie etwa RTV-Silikon oder dergleichen zu füllen, was den Hohlraum abdichtet und Druck auf den Sensor überträgt. Die Sensoren können zudem unter Verwendung von Blasen, Membranen oder dergleichen von dem Druckmedium isoliert sein.
Der Druckwandler 20 der vorliegenden Erfindung kann in einem großen Bereich von Anwendungen verwendet werden. Mit dem Wandler kann beispielsweise der Druck, einschließlich Differentialdruck, von Kühlmitteln in Kühlsystemen wie etwa bei Klimaanlagen, Kühlern und dergleichen gemessen werden. Mit den Wandlern können die Öl- und Hydraulikfluiddrücke und dergleichen gemessen werden. Mit den Wandlern können auch verschiedene Prozesse überwacht werden. Eine derartige Anwendung würde darin bestehen, die Druckdifferenz über ein Filter hinweg zu messen, und zwar als Mittel zur Überwachung, wann der Filter ersetzt werden sollte, was durch einen Anstieg der Druckdifferenz angezeigt wird. Auch die Strömungsgeschwindigkeiten von Fluiden durch ein System können durch Messen der Druckdifferenz über das System hinweg überwacht werden. Es versteht sich, daß diese Anwendungen beispielhaft sind, und daß zahlreiche weitere Anwendungen für den Wandler möglich und vom Fachmann ohne weiteres erkannt werden können.
Wenn Sensoren auf diese Weise verwendet werden, können Offsetfehler kompensiert werden, die dem Basismeßelement zu eigen sind, wozu unter anderem Offsettemperaturfehler, Offsetaufwärmung, Offsetstabilität, Offsettemperaturhysterese und Offsetfehler aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber der Erdanziehung zählen. Bei dem Prozeß werden Bauelemente konstruiert, die mindestens zwei Sensoren in einem einzelnen Bauelement verwenden, wobei die Sensorchips von dem gleichen Siliziumwafer stammen, insbesondere in unmittelbarer Nähe zueinander ausgebildete Sensorchips. Die Kosten der Siliziumdrucksensoren sind ausreichend gesenkt worden, so daß es gerechtfertigt ist, zwei Sensorchips in einem Baustein anzuordnen, anstatt der mit anderen Kompensationsformen verbundenen Kosten. Dies gilt insbesondere für Anwendungen, bei denen der vorliegende Ansatz zu Genauigkeiten führt, die keinerlei Temperaturtesten erfordern. Die mit dem Temperaturtesten und nachfolgenden anderen Kompensationsformen verbundenen Kosten sind teurer als die Kosten der zusätzlichen Sensorchips.
In denjenigen Fällen, in denen eine größere Präzision erfordert wird, können die beim Druckwandler verwendeten Sensoren im voraus sortiert werden. So kann beispielsweise an jedem Sensor ein einfacher Temperaturtest vorgenommen werden, um die Richtung (oder das Vorzeichen) des Temperatureffekts auf Nullvariationen zu bestimmen. An den Sensor wird ein Druck von Null angelegt und die Temperatur erhöht. Danach können Sensoren mit einem Temperatureffekt auf Nullvariationen, die sich in der gleichen Richtung ändern (d. h. das gleiche Vorzeichen aufweisen), als Paar in einem Druckwandler verwendet werden, da ihre Ausgänge kreuzgekoppelt sind, so daß die Variationen beim Nullgleichgewicht subtrahieren. Somit kann eine sehr einfache und grobe Temperatursortierung verwendet werden, um einen sehr präzisen Druckwandler zu erhalten, wobei gleichzeitig die Notwendigkeit hinsichtlich einer anspruchsvollen und präzisen Fehlercharakterisierung jedes einzelnen Sensors vermieden wird.
Man kann aus der obigen Beschreibung erkennen, daß die vorliegende Erfindung einen relativ preiswerten Druckwandler mit Fehlerkompensation bereitstellt, die die Effekte von prozeßverwandten und anderen Arten von Fehlern reduziert und gleichzeitig den Bedarf hinsichtlich Sensorcharakterisierung und -anpassung eliminiert. Fehlerkompensation wird durch die Verwendung von mikrobearbeiteten Siliziumdrucksensoren aus Siliziumwafern verbessert und ist am effektivsten für Offsetfehler, die mit der Siliziumwaferverarbeitung und der in der Regel zur Herstellung von Drucksensoren eingesetzten Mikroverarbeitungstechnologie verbunden sind. Die Fehlerkompensation wird außerdem für Offsetfehler verbessert, die mit Variablen verbunden sind, wie etwa Beschleunigungs- oder Erdanziehungseffekte, Erwärmungsdrift und Langzeitinstabilität, die durch eine Charakterisierung nicht leicht kompensiert werden können und in der bisherigen Technologie keine adäquaten Kompensationsformen aufwiesen, wodurch die Verwendung von Siliziumsensoren eingeschränkt war.
Nachdem mindestens ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden ist, ergeben sich dem Fachmann zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen. Die vorausgegangene Beschreibung ist dementsprechend lediglich beispielhaft und soll keine Einschränkung darstellen. Die Erfindung ist nur so beschränkt, wie es in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Druckwandler, der folgendes umfaßt:

einen ersten Sensor (28);

einen zweiten Sensor (34);

ein erstes Basisglied (26); und

ein zweites Basisglied (32);

wobei der erste Sensor (28) an dem ersten Basisglied (26) und der zweite Sensor (34) an dem zweiten Basisglied (32) angeordnet ist;

eine an dem ersten Basisglied (26) angeordnete erste Abdeckung (30) zum Definieren eines ersten Hohlraums um den ersten Sensor (28) herum, wobei die erste Abdeckung zwischen dem ersten Basisglied (26) und dem zweiten Basisglied (32) angeordnet ist, um weitere Hohlräume (84, 98) zwischen der ersten Abdeckung und dem zweiten Basisglied (32) zu definieren;

eine an dem zweiten Basisglied (32) angeordnete zweite Abdeckung (36) zum Definieren eines zweiten Hohlraums um den zweiten Sensor (34) herum;

wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor im wesentlichen ähnliche Fehlerkennlinien aufweisen, wobei der erste (28) und der zweite (34) Sensor jeweils so angeordnet sind, daß sie mindestens einem eines ersten Drucks (P1) und eines zweiten Drucks (P2) ausgesetzt werden und eine den auf sie ausgeübten Druck anzeigende Ausgabe liefern, wobei die Ausgabe der Sensoren (28, 34) miteinander elektrisch kreuzgekoppelt werden, so daß ein Fehler in dem ersten Sensor (28) mit einem im wesentlichen ähnlichen Fehler in dem zweiten Sensor (34) kompensiert wird;

wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor jeweils eine erste Druckempfangsfläche (70, 92) und eine zweite Druckempfangsfläche (90, 72) enthalten, die dafür ausgelegt sind, dem ersten (P1) und zweiten (P2) Druck ausgesetzt zu werden, wobei die erste (70) und eine zweite (90) Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) der ersten (92) und einer zweiten (72) Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) entsprechen, wobei die Sensoren (28, 34) so angeordnet sind, daß die erste Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) und die zweite Druckempfangsfläche (72) des zweiten Sensors (34) dem ersten Druck (P1) ausgesetzt werden sollen.

2. Druckwandler (20) nach Anspruch 1, wobei die erste Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) fluidisch an die zweite Druckempfangsfläche (72) des zweiten Sensors (34) angekoppelt ist.

3. Druckwandler (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Druckempfangsfläche (90) des ersten Sensors (28) und die erste Druckempfangsfläche (92) des zweiten Sensors (34) dem zweiten Druck (P2) ausgesetzt werden sollen.

4. Druckwandler (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Druckempfangsfläche (90) des ersten Sensors (28) fluidisch an die erste Druckempfangsfläche (92) des zweiten Sensors (34) angekoppelt ist.

5. Druckwandler (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Druckempfangsfläche (70, 72) von jeder elektronischen Schaltung frei ist und die zweite Druckempfangsfläche (72, 70) eine elektronische Schaltung enthält.

6. Druckwandler (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor jeweils eine erste Druckempfangsfläche und eine zweite Druckempfangsfläche enthalten, die dafür ausgelegt sind, dem ersten (P1) und zweiten (P2) Druck ausgesetzt zu werden, wobei die erste und zweite Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) der ersten und zweiten Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) entsprechen, wobei die Sensoren (28, 34) so angeordnet sind, daß die erste Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28), die zweite Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) und die erste Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) jeweils dem ersten Druck (P1) ausgesetzt werden sollen, und die zweite Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) dem zweiten Druck ausgesetzt werden soll.

7. Druckwandler (20) nach Anspruch 6, wobei die erste Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) fluidisch an die erste Druckempfangsfläche (92) des zweiten Sensors (34) angekoppelt ist.

8. Druckwandler (20) nach Anspruch 6, wobei die erste Druckempfangsfläche (70, 92) von jeder elektronischen Schaltung frei ist und die zweite Druckempfangsfläche (90, 72) eine elektronische Schaltung enthält.

9. Druckwandler (20) nach Anspruch 6, wobei die zweite Druckempfangsfläche (90, 72) von jeder elektronischen Schaltung frei ist und die erste Druckempfangsfläche (70, 92) eine elektronische Schaltung enthält.

10. Druckwandler (20) nach Anspruch 1, wobei der erste (28) und der zweite (34) Sensor jeweils eine erste Druckempfangsfläche (70, 92) und eine zweite Druckempfangsfläche (90, 72) enthalten, die dafür ausgelegt sind, einem Druck ausgesetzt zu werden, wobei die erste und zweite Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) der ersten und zweiten Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) entsprechen, wobei die erste Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) dem ersten Druck (P1) ausgesetzt werden soll, wobei die zweite Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) dem zweiten Druck (P2) ausgesetzt werden soll, wobei die zweite Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) und die erste Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) einem dritten Druck (P3) ausgesetzt werden sollen.

11. Druckwandler (20) nach Anspruch 10, wobei die zweite Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) fluidisch an die erste Druckempfangsfläche (92) des zweiten Sensors (34) angekoppelt ist.

12. Druckwandler (20) nach Anspruch 10, wobei die erste Druckempfangsfläche (90, 72) von jeder elektronischen Schaltung frei ist und die zweite Druckempfangsfläche (72, 90) eine elektronische Schaltung enthält.

13. Druckwandler (20) nach Anspruch 1, wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor Wheatstone-Brücken (Fig. 7 und 8) enthalten.

14. Druckwandler (20) nach Anspruch 1, der folgendes umfaßt:

ein erstes Basisglied (26);

ein zweites Basisglied (32);

ein Schnittstellenglied, das zwischen dem ersten Basisglied (26) und dem zweiten Basisglied (32) angeordnet ist und diese mechanisch koppelt, wobei das Schnittstellenglied einen ersten Hohlraum um den ersten Sensor (28) herum bildet; und

eine an dem zweiten Basisglied (32) angeordnete Abdeckung (36), um um den zweiten Sensor (34) herum einen zweiten Hohlraum auszubilden;

wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor fluidisch und elektrisch miteinander kreuzgekoppelt sind, so daß ein Fehler in dem ersten Sensor (28) mit einem im wesentlichen ähnlichen Fehler in dem zweiten Sensor (34) kompensiert wird.

15. Druckwandler (20) nach Anspruch 14, wobei das erste (26) und zweite (32) Basisglied jeweils eine elektrische Verbindungseinrichtung für den ersten (28) und zweiten (34) Sensor sind.

16. Druckwandler (20) nach Anspruch 14 oder 15, wobei das erste (26) und zweite (32) Basisglied jeweils eine Leiterplatte sind, die eine elektronische Schaltung enthält, die so konfiguriert ist, daß sie zwischen dem ersten (28) und zweiten (34) Sensor elektrische Verbindungen herstellt.

17. Druckwandler (20) nach Anspruch 16, weiterhin mit mehreren elektrischen Kontakten, die das erste Basisglied (26) und das zweite Basisglied (32) elektrisch miteinander verbinden.

18. Druckwandler (20) nach Anspruch 14, wobei jeder des ersten (28) und zweiten (34) Sensors eine erste (70, 92) und zweite (90, 72) Druckempfangsfläche enthält, wobei die erste (70) und zweite (90) Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) der ersten (92) und zweiten (72) Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) entsprechen, wobei das Schnittstellenglied die erste Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) fluidisch an die zweite Druckempfangsfläche (72) des zweiten Sensors (34) ankoppelt.

19. Druckwandler (20) nach Anspruch 14, wobei jeder des ersten (28) und zweiten (34) Sensors eine erste (70, 92) und zweite (90, 72) Druckempfangsfläche enthält, wobei die erste (70) und zweite (90) Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) der ersten (92) und zweiten (72) Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) entsprechen, wobei das Schnittstellenglied die erste Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) fluidisch an die erste Druckempfangsfläche (92) des zweiten Sensors (34) ankoppelt.

20. Druckwandler (20) nach Anspruch 14, wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor Wheatstone- Brücken (Fig. 7 und 8) enthalten.

21. Druckwandler (20) nach Anspruch 20, wobei die Wheatstone-Brücken (Fig. 7 und 8) Ausgänge aufweisen, die elektrisch miteinander kreuzgekoppelt werden.

22. Druckwandler (20) nach Anspruch 14, wobei das Schnittstellenglied so konstruiert und angeordnet ist, daß es den ersten Sensor (28) fluidisch an den zweiten Sensor (34) ankoppelt.

23. Druckwandler (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Sensor (28, 34) ein Siliziumsensor ist.

24. Druckwandler (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoren (28, 34) im wesentlichen identische Fehlerkennlinien aufweisen.

25. Druckwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoren von dem gleichen Wafer stammen.

26. Druckwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoren sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden.

27. Druckwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoren von benachbarten Sensorchips auf dem Wafer sind.

28. Druckwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoren ähnliche Temperaturkennlinien aufweisen.

29. Verfahren zum Ausbilden eines Druckwandlers (20) mit Fehlerkompensation, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Auswählen eines ersten (28) und zweiten (34) Sensors, eines ersten (26) und zweiten (32) Basisglieds und einer ersten (30) und zweiten (36) Abdeckung, wobei der erste Sensor (28) an dem ersten Basisglied (26) und der zweite Sensor (34) an dem zweiten Basisglied (32) angeordnet ist, wobei die erste Abdeckung (30) an dem ersten Basisglied (26) angeordnet ist, um um den ersten Sensor (28) herum einen ersten Hohlraum zu definieren, wobei die erste Abdeckung zwischen dem ersten Basisglied (26) und dem zweiten Basisglied (32) angeordnet ist, um weitere Hohlräume (84, 98) zwischen der ersten Abdeckung und dem zweiten Basisglied (32) zu definieren; und die zweite Abdeckung (36) an dem zweiten Basisglied (32) angeordnet ist, um einen zweiten Hohlraum um den zweiten Sensor (34) herum zu definieren;

wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor im wesentlichen ähnliche Kennlinien aufweisen, wobei jeder Sensor (28, 34) eine den auf ihn ausgeübten Druck anzeigende Ausgabe liefert;

(b) fluidisches Ankoppeln des ersten (28) und zweiten (34) Sensors, so daß jeder Sensor so angeordnet ist, daß er einem ersten Druck (P1) und einem zweiten Druck (P2) ausgesetzt wird; und

(c) elektrisches Kreuzkoppeln der Ausgaben des ersten (28) und zweiten (34) Sensors, so daß ein Fehler in dem ersten Sensor (28) mit einem im wesentlichen ähnlichen Fehler in dem zweiten Sensor (34) Kompensiert wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei jeder des ersten (28) und zweiten (34) Sensors eine erste (70, 92) und zweite (90, 72) Druckempfangsfläche enthält, wobei die erste (70) und zweite (90) Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) der ersten (92) und zweiten (72) Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) entsprechen und wobei Schritt (b) das fluidische Ankoppeln der ersten Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) an die zweite Druckempfangsfläche (72) des zweiten Sensors (34) beinhaltet.

31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei Schritt (b) weiterhin das fluidische Ankoppeln der zweiten Druckempfangsfläche (90) des ersten Sensors (28) an die erste Druckempfangsfläche (92) des zweiten Sensors (34) beinhaltet.

32. Verfahren nach Anspruch 29, wobei jeder Sensor (28, 34) eine erste Druckempfangsfläche (70, 92) und eine zweite Druckempfangsfläche (90, 72) enthält, wobei die erste (70) und zweite (90) Druckempfangsfläche des ersten Sensors (28) der ersten (92) und zweiten (90) Druckempfangsfläche des zweiten Sensors (34) entsprechen und wobei Schritt (b) das fluidische Ankoppeln der ersten Druckempfangsfläche (70) des ersten Sensors (28) an die erste Druckempfangsfläche (92) des zweiten Sensors (34) beinhaltet.

33. Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (c) das Subtrahieren der Ausgangssignale voneinander beinhaltet.

34. Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (a) den Schritt des Auswählens des ersten (28) und zweiten (34) Sensors mit im wesentlichen identischen Fehlerkennlinien beinhaltet.

35. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der erste (28) und zweite (34) Sensor auf einem Wafer ausgebildete Siliziumsensoren sind und wobei Schritt (a) das Auswählen der Sensoren (28, 34) von dem gleichen Wafer beinhaltet.

36. Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (a) das Auswählen des ersten (28) und zweiten (34) Sensors aus in unmittelbarer Nähe zueinander ausgebildeten Sensoren beinhaltet.

37. Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (a) das Auswählen des ersten (28) und zweiten (34) Sensors von benachbarten Sensorchips auf dem Wafer beinhaltet.

38. Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (a) den Schritt des Testens des ersten (28) und zweiten (34) und das Auswählen des ersten (28) und zweiten Sensors (34) mit ähnlichen Temperaturkennlinien beinhaltet.

39. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die Sensoren fluidisch gekoppelt sind.

40. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Sensoren fluidisch gekoppelt sind.