專利名稱：介質隔離式絕對壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及壓力傳感器的領域，具體地涉及介質隔離式絕對 壓力傳感器。
背景技術：
在現代的汽車系統中，經常期望測量位置處的絕對壓力。例如，期望測量EGR(廢氣回流)系統中的銳邊孔上的壓力，以確定流動。通常， 在這種情況下，介質可以非常粗糙。由于這種不利的環境，期望可以 從與介質隔離，文中的介質為廢氣，以確保通常基于半導體的傳感器 能保持良好，并長時間內能合適地工作。絕對壓力傳感器通常被構成為傳感器的內腔是真空的，并具有施 加到它們的頂側的感應壓力。該側可以被識別為包含用于互連的東西 (金屬線焊接點、絲焊等)。可以推想該頂側對化學/物理污染較為敏感， 該污染可對傳感器的操作有不利的影響，導致傳感器準確度的嚴重退 化或甚至災難性故障。一個保護傳感器的頂側的現有技術解決方案是使用特殊的半導體 薄膜(例如，氮化物鈍化)和外部薄膜或膠質體。這種保護具有限制性。 例如，盡管有保護，但諸如車輛的廢氣的極端介質，仍可以損害感應 元件。另一種隔離介質與傳感器的現有技術方法是使用不銹鋼隔板，用 于感應由油耦合到基于壓力傳感器的傳統半導體的壓力。該不銹鋼隔 板在粗糙的介質和壓力傳感器之間提供必要的隔離，并且油提供壓力 到壓力傳感器的轉移。該方法中使用的油介質給壓力測量增加了誤差，因為在制造工藝中消除所有氣穴是困難的或者不現實的。這些氣穴給 感應介質粗糙壓力的不銹鋼隔板和實際壓力傳感器之間的壓力轉移增 加誤差。此外，該油壓轉移性能隨著增加的溫度和時間退化，這是因 為油粘度和漏油量的變化。而且，難以使用該注油方法來制造，因為 油需要在不銹鋼隔板和壓力傳感器之間被氣密封。另一種現有技術方法通過在氣密封的真空容器中封入差壓傳感器 來隔離介質。用這種方法，基準壓力保持在零，而從傳感器后側施加 感應壓力。由密封硅組成的感應元件的后側不受感應介質的影響。然 而，這種解決方案是昂貴的，可能泄漏，并且不適合批量生產。需要改進的介質隔離式絕對壓力傳感器，其更精確、更容易制造、 低成本，并具有時間和溫度變化上的改進的運行性能。
本發明的特征被認為是新穎的，在所附權利要求中進行了詳細的 闡述。通過參考以下說明和附圖，可以最好地理解本發明和它的其他 目的和優點，圖中相同的參考標號表示相同的元件，其中圖1是根據本發明的安裝在共有組件上的第一和第二壓力傳感器 的橫截面圖；圖2是示出用于轉換圖1所示的壓力傳感器提供的信號以形成絕 對壓力傳感器的結構關系的系統框圖；圖3是示出用于轉換圖1所示的壓力傳感器提供的信號以形成絕 對壓力傳感器的結構關系的可選實施例的系統框圖；圖4是傳感器的響應斜率的圖形表示；以及圖5是示出根據本發明的優選實施例的方法的流程圖。
具體實施方式
本發明描述了使用兩個差分的和絕對的傳感元件的方法和裝置。 通過合適的信號調節來實現絕對感應。感應的絕對壓力被施加到差分傳感器的背側，因此可實現介質隔離，并且粗糙的介質可被施加到其 上。結果，本發明提供了一種更精確、更容易制造、低成本和具有時 間和溫度變化上的改進場性能的絕對壓力傳感器。介質隔離式絕對壓力傳感器裝置和相應的方法結合了由第一壓力 傳感器提供的第一信號和由第二壓力傳感器提供的第二信號，所述第 一信號表示施加至第一壓力傳感器上的第一壓力和第二壓力之間的 差，所述第二信號表示施加至第二壓力傳感器上的第二壓力和基本真 空之間的差。結合第一和第二信號以形成絕對壓力傳感器。響應于壓 力區域或壓力范圍，第一信號具有不同于第二信號的斜率響應的斜率 響應。這在一個傳感器是差分傳感器而另一個是絕對傳感器時是尤其 明顯的。均衡(斜率校準)電路啟用第一信號的斜率響應的調整，以對應 于第二信號的斜率響應，并且提供了取決于該調整后的斜率響應的斜 率調整后的第一信號。求和電路提供了取決于斜率調整后的第一信號 和第二信號的輸出信號，其中該輸出信號表示第一壓力傳感器和第二 壓力傳感器之間感應的絕對壓力，其相對于真空而言，使得該系統成 為絕對壓力傳感器。本發明的特征包括提供了使得能夠結合兩個壓力傳感器以形成絕 對壓力傳感器的結構，該絕對壓力傳感器的關鍵元件與粗糙介質隔離。 而且，該結構使得能夠補償與每個傳感器關聯的量程誤差和偏移誤差。 給定該教導，該結構可以被容易地擴展為包括多于兩個的傳感器。通 過對附圖的參考，可以更好地理解本發明的這些和其它優點。圖1是根據本發明的安裝在共有組件上的第一和第二壓力傳感器 的橫截面圖。第一壓力傳感器101和第二壓力傳感器103兩個都被安裝在共有傳感器組件100中。優選地，這些壓力傳感器101和103是 由硅構成的，并由壓阻類型構成。第一壓力傳感器101經由端口 109 附著到外殼105。這可以通過使用薄層粘合劑107(例如RTV粘合劑) 或其它方式實現，該粘合劑被配置在外殼上，外殼例如塑料、陶瓷或金屬外殼，以及其中傳感器101然后被施加到粘合劑。可選地，該傳 感器可以靜電結合至放置在外殼上的玻璃基座，并且使用焊接或可選地使用粘合劑107將玻璃基座結合到105。連接線lll將傳感器101電 連接到也結合至外殼上的信號處理電路113。應該注意，實際上可以存 在多條連接線，但為了清楚只示出一條。第二壓力傳感器103被在真空下陽極(靜電)結合至玻璃或硅基座 104，以在其中封裝基本上的真空121。然后使用這里描述的或該領域 公知的各種技術的任何一個，將基座104附著到外殼105。例如，使用 粘合劑薄層將玻璃基座104附著到外殼105。使用的這種粘合劑或焊接 技術應該被選擇以提供到外殼105的持久結合，無論該外殼105使用 什么材料。連接線111將第二傳感器103電連接到也結合至外殼的信 號處理電路113。應該注意，實際上可以存在多條連接線，但為了清楚 只示出一條。以上所述的結構被封裝在外殼105中。該外殼105可以是氣密封的外殼。然而，本發明最經濟的實施方式是外殼向空氣(PA )開口，因此外殼可以由低成本熱固或熱塑塑料組成。事實上，整個外殼只需要 由基底部分組成。參考數字IIO表示傳感器組件100的無保護側，而 參考數字120表示受保護側，或傳感器組件100的介質隔離側。該無 保護側IIO被認為是無保護的，因為如果受保護側120上的粗糙介質 被暴露給連接線lll，其將化學腐蝕連接線111，并且該連接線將快速 損壞和破壞。傳感器組件的受保護側120被認為是受保護的，因為端 口將被密封并且與要測量的粗糙介質隔離。兩個壓力傳感器的無保護 側IIO不被暴露給粗糙介質。第一壓力P1 117被施加到第一壓力傳感器101的受保護側120上 的壓力口 109。第二壓力PAl19，通常為環境壓力，被提供在傳感器組 件的無保護側110上，并且為第一和第二壓力傳感器101和103所共 有。基本真空121包含在第二傳感器內。信號處理電路113用于結合和處理來自這兩個壓力傳感器101和103的輸出，如圖2和圖3詳細 所示。電路113也具有向外到包裝(未示出)的連接，以輸出絕對壓力信 號到其它電路，如果需要的話。圖2和圖3是示出用于轉換由圖1所示的壓力傳感器101和103 提供的信號的可選關系的系統框圖，其用于形成提供輸出信號227的 絕對壓力傳感器，該輸出信號227的響應取決于第一傳感器壓力(PrPA) 和第二傳感器壓力(PrO)的總和。因為該總和現在以真空為參考，該總 和提供了絕對壓力Pp應該注意，表示圖2和圖3所示的結構的電路 可以被物理結合在圖1的信號處理電路113上。因為壓力P！ 117和PA 119被施加到傳感器組件100，第一壓力傳 感器101的壓阻器件輸出第一信號207、 209，其表示施加至第一壓力 傳感器101上的第一壓力Pi 117和第二壓力PA 119之間的差異。第二 壓力傳感器103的壓阻器件提供第二信號213、 215，其表示施加至第 二壓力傳感器103上的第二壓力PA 119和真空(PA-O)之間的差異，從而 產生PA的絕對度量。 一般，這兩個信號207、 209和213、 215在壓力 區域上具有不同的斜率，因為制造過程的目前工藝水平不允許制造的 傳感器具有完全相同的斜率。另外，差分傳感器101將經受與絕對壓 力傳感器103不同的壓力區域。因此，在一定壓力范圍上，第一信號 207、 209以斜率進行響應，而在不同的壓力范圍上，由第二壓力傳感 器103提供的具有第二信號213、 215以不同于第一壓力傳感器101提 供的斜率的斜率進行響應(見圖4)。合成輸出信號227中的重要步驟是 兩個壓力傳感器101、 103.提供的兩個信號207、 209和213、 215的斜 率響應的匹配。均衡電路(斜率調整電路)217調節第一壓力傳感器信號207、 209 并提供斜率調整后的第一信號221。另一個均衡(斜率調整)電路219調 節第二壓力傳感器信號213、 215并提供斜率調整后的第二信號223。 在最小實現中，只有第一斜率調整電路217是必要的，因為只需要調整第一壓力傳感器信號207、 209的斜率，以匹配第二壓力傳感器信號 213、 215的斜率，因此第二壓力傳感器信號213、 215的斜率可以是固 定的。在這種情況下，斜率調整后的第一信號221的斜率響應被調整， 以與第二壓力傳感器信號213、 215.的斜率響應相對應。在優選實施例 中，第二壓力傳感器信號213、 215的斜率也可以被調整，并且從斜率 調整電路219提供斜率調整后的第二信號223，以提供制造該傳感器 100中的另一自由度。接著，通過求和電路225將斜率調整后的第一信號221加上斜率 調整后的第二信號223。為了了解結合該斜率調整后的第一信號221和 該斜率調整后的第二信號223的相關方面，下面參考圖1和圖4簡要 說明確定該結合的公式。該斜率調整后的第一信號221的響應可以表示為Vdl = offset +111^- PA)其中Vdi是第一傳感器的輸出信號(在這種情況下是電壓)，offset 是從第一壓力傳感器101得到的斜率調整后的第一信號221的壓力獨 立(常數)項，而nn是從第一壓力傳感器101得到的斜率調整后的第一 信號221的壓力斜率。PrPA是施加至第一壓力傳感器101上的壓力差， Pi 117從受保護側120施加，而PAll9從無保護側110施加。該斜率調整后的第二信號223的響應可以表示為Vd2 = offset2 + m2(PA - 0)其中Vd2是第二傳感器的輸出信號(在該示例中還是電壓)，offset2 是從第二壓力傳感器103得到的斜率調整后的第二信號223的壓力獨 立(常數)項，而m2是從第二壓力傳感器103得到的斜率調整后的第二信號223的壓力斜率。PA-0是施加至第二壓力傳感器103上的壓力差， 而PA 119從與真空121相對的無保護側110施加，從而得到絕對壓力如果用這樣的方法進行調整，即m產m^m，則利用求和電路225 執行的斜率調整后的第一信號221和斜率調整后的第二信號223的相 加將產生合成信號V=Vdl+Vd2，其依賴相對于真空的第一壓力Pl 117。 另外，信號V完全獨立于第二壓力Pa 119，該第二壓力為第一壓力傳 感器101和第二壓力傳感器103所共有。因此建立只響應受保護側120 壓力的絕對壓力傳感器。該確定性的結果可以用以下公式表示。V = Vdl + Vd2 = offset! + offset2 + m(P! - 0)如上所述，求和電路225提供必要的斜率調整后的第一信號221 和斜率調整后的第二信號223的相加。另外，求和電路225可以被耦 合到偏移溫度補償電路237，其允許可以同時進行對兩個壓力傳感器 101和103的偏移項的溫度補償。而且，求和電路225具有用于調整基 準溫度處的總回路增益和偏移的裝置。圖2和圖3所示的框圖的額外的部件是電壓范圍溫度補償電路， 其包括耦合到第一和第二壓力傳感器101、 103中的每一個的網絡229 和網絡233。這些可以包括耦合在電源信號203、 205之間的電阻，如 圖2所示，或其它溫度補償網絡，如圖3所示。電壓范圍是傳感器可 以感應的最低和最高壓力之間展現的電壓的范圍。該范圍溫度補償電 路203、 229、 233和205同時提供對第一和第二壓力傳感器101、 103 的范圍溫度補償。從范圍溫度補償電路203、 229、 233和205得到的 參考數字231和235表示的信號被提供給偏移溫度補償電路237，該偏 移溫度補償電路隨后提供組合的偏移范圍溫度補償信號239。傳感器的所有偏移量、斜率、范圍和溫度性能可以在制造過程中確定，并在發送以提供必要補償之前編程到信號處理電路113中，從 而提供精確的絕對壓力傳感器。該信號處理電路可以使用模擬或優選 地數字技術，以提供均衡、偏移、范圍和溫度補償。在實踐中，整個 傳感器組件100暴露于兩個不同溫度，以確定傳感器的偏移量和斜率、 溫度性能和漂移。參考圖5，本發明還提供一種方法，用于提供隔離的介質的絕對 壓力測量。該方法包括第一步驟400:提供由壓阻器件組成的第一壓力 傳感器，可操作該壓阻器件來測量施加至第一壓力傳感器上的第一壓 力和第二壓力之間的第一壓力差，如上詳述的。該第一壓力傳感器通 過提供具有關于第一壓力差的第一斜率響應的第一輸出，來響應第一 壓力差。類似地，第二壓力傳感器由壓阻器件組成，可操作該壓阻器 件來測量施加至第二壓力傳感器上的第二壓力和基本真空之間的第二 壓力差。該第二壓力傳感器通過提供具有關于第二壓力差的第二斜率 響應的第二輸出，來響應第二壓力差。下一步驟402包括施加范圍溫度補償和調整第一和第二傳感器中的至少一個的斜率響應，使得第一斜率基本與第二斜率相同。優選地， 調整第一信號和第二信號的斜率響應。下一步驟404包括提供第一和第二傳感器的至少一個調整后的輸出。下一步驟406包括從相應的第一和第二傳感器輸出減去第一和第 二偏移。下一步驟408包括施加從第一和第二壓力傳感器得到的偏移-溫 度，以提供第一和第二傳感器的偏移-范圍溫度-補償。下一步驟410包括對與第一和第二傳感器關聯的基本相同的斜率輸出求和，使得提供表示第一壓力的絕對壓力測量的輸出信號。總之，己經詳細講述了一種改進的介質-隔離式絕對壓力傳感器， 其更精確、更容易制造和具有更好的時間和溫度變化上的場性能。它 通過用更簡單的差分/絕對傳感器結構替代密封介質隔離技術來克服了 現有技術方法的不足。而且，用于校準多個傳感器并結合它們的輸出 以電子形成絕對信號的簡化方法提供了相當可觀的可制造性和場性能 優點。盡管已經具體示出本發明，并且參考其特定實施例描述了本發明， 但本領域的技術人員應當理解，可以進行不背離本發明的寬范圍的各 種變化和元件的等價物代替。另外，可根據本發明的教導進行許多不 背離其實質范圍的修改，以適應特定位置或材料。因此，本發明不限 于這里公開的特定實施例，而是包括所有落入所附的權利要求范圍內 的實施例。
權利要求
1. 一種介質隔離式絕對壓力傳感器裝置，包括第一壓力傳感器，可操作用于測量施加至所述第一壓力傳感器上的第一壓力和第二壓力之間的第一壓力差，所述第一壓力傳感器通過提供具有關于所述第一壓力差的第一斜率響應的第一輸出，來響應所述第一壓力差；第二壓力傳感器，可操作用于測量施加至所述第二壓力傳感器上的第二壓力和基本真空之間的第二壓力差，所述第二壓力傳感器通過提供具有關于所述第二壓力差的第二斜率響應的第二輸出，來響應所述第二壓力差；至少一個均衡電路，用于調整所述第一和第二傳感器中的至少一個的斜率響應，使得所述第一斜率基本與所述第二斜率相同，并用于提供與所述第一和第二傳感器對應的至少一個調整后的輸出；以及求和電路，用于將與所述第一和第二傳感器關聯的所述基本相同的斜率輸出相加，使得提供表示所述第一壓力的絕對壓力測量的輸出信號。
2. 根據權利要求l所述的裝置，進一步包括偏移電路，用于為對 應的第一和第二傳感器提供第一和第二偏移信號中的至少一個。
3. 根據權利要求l所述的裝置，進一步包括耦合到所述第一和第 二壓力傳感器的每一個的偏移-溫度和范圍-溫度補償電路，用于提供從 所述第一和第二壓力傳感器得到的偏移-范圍溫度補償信號。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述均衡器包括兩個均衡器， 每一個用于所述第一和第二傳感器的一個。
5. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述第一壓力傳感器是壓阻 器件。
6. —種介質隔離式絕對壓力傳感器裝置，包括第一壓力傳感器，可操作用于測量隔離介質的第一壓力和施加至 第一壓力傳感器上的第二壓力之間的第一壓力差，所述第一壓力傳感 器通過提供具有關于所述第一壓力差的第一斜率響應的第一輸出，來 響應所述第一壓力差；第二壓力傳感器，可操作用于測量施加至所述第二壓力傳感器上 的第二壓力和基本真空之間的第二壓力差，所述第二壓力傳感器通過 提供具有關于所述第二壓力差的第二斜率響應的第二輸出，來響應所 述第二壓力差；第一和第二均衡電路，用于調整相應的所述第一和第二傳感器中 的斜率響應和偏移，使得所述第一斜率基本與所述第二斜率相同，并 用于提供所述相應的調整后的第一和第二輸出；以及求和電路，用于將所述調整后的第一和第二輸出相加，從而提供 表示所述隔離介質的絕對壓力測量的輸出信號。
7. 根據權利要求6所述的裝置，進一步包括耦合到第一和第二壓 力傳感器的每一個的偏移-溫度和范圍-溫度補償電路，用于提供從所述 第一和第二壓力傳感器得到的偏移-范圍溫度補償信號。
8. 根據權利要求6所述的裝置，其中所述第一和第二壓力傳感器 是壓阻器件。
9. 一種用于提供隔離介質的絕對壓力測量的方法，該方法包括步驟提供第一壓力傳感器，其可操作用于測量施加至第一壓力傳感器上的第一壓力和第二壓力之間的壓力差，所述第一壓力傳感器通過提 供具有關于所述第一壓力差的第一斜率響應的第一輸出，來響應所述第一壓力差；以及提供第二壓力傳感器，其可操作用于測量施加至第 二壓力傳感器上的第二壓力和基本真空之間的第二壓力差，所述第二壓力傳感器通過提供具有關于所述第二壓力差的第二斜率響應的第二 輸出，來響應所述第二壓力差；調整所述第一和第二傳感器中的至少一個的斜率響應，使得所述 第一斜率基本與所述第二斜率相同；提供與所述第一和第二傳感器對應的至少一個調整后的輸出；以及對與所述第一和第二傳感器關聯的所述基本相同的斜率輸出求 和，從而提供表示所述第一壓力的絕對壓力測量的輸出信號。
10. 根據權利要求9所述的方法，進一步包括以下步驟從所述對應的第一和第二傳感器輸出減去第一和第二偏移。
11. 根據權利要求IO所述的方法，進一步包括以下步驟施加從 所述第一和第二壓力傳感器得到的偏移-溫度和范圍-溫度補償，以提供 所述第一和第二傳感器的偏移-范圍溫度-補償。
12. 根據權利要求9所述的方法，其中所述調整的步驟調整所述第一信號和第二信號的所述斜率響應。
13. 根據權利要求9所述的方法，其中所述提供步驟包括提供所 述傳感器為第一和第二壓阻器件。
全文摘要
一種方法和介質-隔離式絕對壓傳感器裝置包括第一傳感器(101)，以測量隔離介質(P1)和第二介質(Pa)之間的壓力差。第二傳感器(103)測量第二介質(Pa)的絕對(相對于真空)壓力。每個傳感器(101，103)具有它自身的偏移和斜率響應。均衡器(217，219)匹配所述傳感器(101，103)的所述斜率，其中求和電路(225)可以將所述基本相同的斜率輸出相加，以提供表示所述隔離介質(P1)的絕對壓力測量的輸出信號(227)。還可以提供每個傳感器的偏移和溫度補償。
文檔編號G01L9/04GK101228422SQ200680007729
公開日2008年7月23日 申請日期2006年2月17日 優先權日2005年3月10日
發明者沃爾特·恰爾諾茨基 申請人:北美泰密克汽車公司
專業數控銑床產品供應商
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