專利名稱：壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其涉及一種壓差傳感器。
背景技術：
例如從EP0083496B1或歐洲專利申請03015055公開了此種壓力傳感器。該壓差傳感器由半導體基片構成，在內部區(qū)域中削薄成一塊薄膜。在該內部區(qū)域中，設置有四個測量電阻，它們連接成一個測量電橋，于是通過薄膜的變形，可測定鄰近薄膜兩側面的壓力作為壓差。
此外，從所述的現有技術中已知，在作為載體環(huán)繞薄膜的半導體基片上設置有附加的、在壓差作用下不變形的補償電阻，以便消除受溫度限制的影響和鄰近薄膜兩側面的、在薄膜的周邊施加于載體端側的系統(tǒng)壓力的影響。
不過，該結構存在一定缺陷。這樣，基片上的補償電阻必須盡可能地遠離薄膜設置，以便消除施加于薄膜的壓差對補償電阻的影響。這就擴大了壓力傳感器的結構。因為補償電阻不受壓差的影響，如果它與薄膜上的測量電阻連接，就會純被動地增大電路的總電阻，由此降低測量壓差的測量精度。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種改進的、提高了測量精度并縮小了結構的壓力傳感器。該目的是通過具有權利要求1給出的特征的壓力傳感器實現的。優(yōu)選實施方式由從屬權利要求、說明書以及附圖闡明。
依據本發(fā)明的壓力傳感器具有一個載體，該載體例如由一個半導體基片構成，并在其內部區(qū)域中構造一個薄膜。該薄膜可按已知方式通過削薄半導體基片而在中間區(qū)域中與載體一體形成。在該薄膜上設置有第一測量元件，以檢測因對薄膜加壓引起的變形。該測量元件例如可以是一個以壓阻形式進行工作的測量電阻。該測量電阻可按已知的方式通過對半導體材料進行摻雜而構造在薄膜自身中，以便檢測薄膜中的應力或應變。就半導體基片而言，例如可使用具有<100>級表面的單晶硅。測量電阻或應變傳感器優(yōu)選在薄膜中以n型摻雜的方式構造。作為替換，可按已知方式將對應變起反應的測量元件加設到薄膜的表面上。為此，例如可使用由多晶硅(Polysilizium)制成的應變測量片。根據本發(fā)明，在第一測量元件的附近，設有至少一個同樣設置在薄膜上或薄膜中的第二測量元件。該第二測量元件可相應于第一測量元件構造在薄膜自身的半導體材料中，或作為測量元件設置在薄膜表面上。此外，將該測量元件設置成用于檢測施加在薄膜上的壓力。在加壓時，薄膜變形，這可通過第一和第二測量元件以應變或應力變化的形式在薄膜中或在薄膜表面上進行檢測。
依據本發(fā)明，第一和第二測量元件以如下的方式設置在薄膜上，即，使得第一測量元件和第二測量元件距薄膜的邊緣相隔不同的距離。這也就是說，一個測量元件更靠近薄膜的邊緣，而另一個測量元件更靠近薄膜的中心。對第一和第二測量元件的輸出信號例如第一和第二測量元件的電阻變化以如下的方式合并分析，即，兩個測量元件共同檢測施加于薄膜的壓差，也即鄰近兩薄膜表面的壓力之間的壓差，并同時補償施加于薄膜的兩側面或表面的系統(tǒng)壓力的影響。薄膜的兩側面或兩個相對置的表面之間的壓差導致薄膜朝一側偏轉，這可由兩測量元件以應變變化或應力變化的形式來進行檢測。如果將這樣一個壓力傳感器設置在一個系統(tǒng)例如一個液壓系統(tǒng)中，則薄膜的兩側面和環(huán)繞薄膜的載體上還會施加有系統(tǒng)壓力，這會使測量結果失真。通過根據本發(fā)明的第一和第二測量元件的設置方式和對其輸出信號的分析，可補償系統(tǒng)壓力的影響。
該補償基于這樣的理解，即，施加于薄膜的壓差在薄膜的邊緣區(qū)域、薄膜的中間區(qū)域或中央區(qū)域中產生符號不同但幅度基本相同的應力或應力變化。不過，相同地施加于薄膜的兩側并在薄膜的周邊施加于載體端側的系統(tǒng)壓力的影響會在薄膜的中央和邊緣區(qū)域中引起應力或應力變化，其不僅具有基本相同的幅度大小，還具有相同的符號。在中央區(qū)域與邊緣區(qū)域之間是一個中性區(qū)域，在該中性區(qū)域中因壓差的影響檢測不到應力或變形。壓差或系統(tǒng)壓力對薄膜的變形或產生的應力的不同影響使得能夠通過測量元件在薄膜上的相應排列和測量元件輸出信號的相應分析或連接來補償系統(tǒng)壓力對壓差測量的影響。為此，兩個測量元件設置在不同的、對壓力起反應的薄膜區(qū)域中，也即設置成距薄膜的邊緣相隔不同的距離。
因此，依據本發(fā)明，就可去除設置在基片上的補償電阻。一方面，因為基片或載體不必構造得那么大，以致補償電阻要與薄膜離得足夠遠，所以這能將壓力傳感器構造得較小。此外，本發(fā)明設置方式的優(yōu)點在于，無論是第一測量元件還是第二測量元件都對因壓差變化引起的薄膜的偏轉起反應。這意味著，兩個測量元件都積極參與壓差的測量。不再需要僅設置為用來補償系統(tǒng)壓力但卻不對壓差起反應的補償電阻。按此方式，就在壓差測量時減少了電路中的無源電阻，于是提高了測量精度。
有利的是，所述至少一個第一測量元件設置在薄膜的邊緣區(qū)域中，所述至少一個第二測量元件設置在薄膜的中央區(qū)域中，或設置在位于薄膜的邊緣區(qū)域與中央區(qū)域之間的中性區(qū)域中。作為替換，在另一優(yōu)選設置方式中，所述至少一個第二測量元件設置在薄膜的中央區(qū)域中并且所述至少一個第一測量元件設置在薄膜的邊緣區(qū)域或位于薄膜的邊緣區(qū)域與中央區(qū)域之間的中性區(qū)域中。該設置方式確保了第一和第二測量元件以如下的方式分布在薄膜上，即，使得系統(tǒng)壓力對兩個測量元件的輸出信號的影響是不同的。在一個或多個第一測量元件設置在薄膜的邊緣區(qū)域中且一個或多個第二測量元件設置在薄膜的中央區(qū)域中的情況下，因系統(tǒng)壓力產生的、由第一和第二測量元件檢測的應力或應力變化具有相同的符號，而因壓差引起的應力變化在兩個測量元件或兩組測量元件中具有不同的符號。如果測量元件的一個設置在中性區(qū)域中，則壓差根本不會對該測量元件產生影響，倒是會對設置在中性區(qū)域之外的另一個測量元件或另一組測量元件產生影響。不過，施加于薄膜的系統(tǒng)壓力也對薄膜中性區(qū)域中的測量元件產生影響。因此，通過相應地連接第一和第二測量元件的輸出信號或通過相應地分析輸出信號，就可檢測壓差和系統(tǒng)壓力，或補償系統(tǒng)壓力對檢測的薄膜兩側之間的壓差的影響。
有利的是，各有四個第一測量元件和四個第二測量元件設置在薄膜上，它們以電橋電路的方式彼此連接。這意味著，所述四個第一測量元件和四個第二測量元件分別優(yōu)選以公共的電橋電路的方式彼此連接。
所述四個第一測量元件和四個第二測量元件優(yōu)選分別以如下的方式進行構造或設置，即，使得其中的兩個測量元件具有正輸出信號，其中的兩個測量元件具有負輸出信號。這意味著，兩個第一測量元件具有正輸出信號，而兩個第二測量元件具有負輸出信號。相應地，兩個第二測量元件可具有正輸出信號，而另兩個第二測量元件具有負輸出信號。這一設置方式使得對第一和第二測量元件輸出信號的合并分析變得簡單。因此，在第一或第二測量元件彼此連接的電橋電路中，例如在惠斯登電橋電路中，負輸出信號很容易與正輸出信號相減。這樣就去除了執(zhí)行計算操作的昂貴的分析電子裝置，而是可以在簡單的電橋電路中很容易地實現所需的加法和減法，例如在電橋電路中相應的因其不同符號引起的測量元件的電阻變化彼此相減。
具有不同符號的輸出信號可通過測量元件的不同構造或不同設置來獲得。對壓阻測量元件來說，由于該測量元件是通過其薄膜半導體材料的摻雜生產的，因此，可以通過以下實例的方式實現輸出信號的符號變換，如在薄膜的平面上設置兩個相對其他兩個測量元件旋轉90°的測量元件。通過摻雜技術產生的測量元件始終檢測各薄膜位置上的總受力狀態(tài)。這就是說，旋轉90°的測量元件還檢測到與其它測量元件相同的總受力狀態(tài)，只不過其輸出信號具有相反的符號。在使用加設(例如粘接)到薄膜表面上的應變測量元件時，可使用不同的應變測量元件，也即兩個在膨脹(Dehnung)時具有正輸出信號的應變測量元件和兩個在壓縮(Stauchung)時具有正輸出信號的測量元件。如果這些應變測量元件沿相同方向設置，也即沿著薄膜的相同軸設置的話，它們就檢測該方向上薄膜的相同的膨脹變化，但是在壓縮時具有正輸出信號的測量元件的輸出信號的符號與在膨脹時具有正輸出信號的測量元件的輸出信號的符號相反。
此外，優(yōu)選的是，以如下的方式構造薄膜，即，使得在加壓時薄膜沿著第一軸的變形特性不同于沿著垂直于第一軸延伸的第二軸的變形特性。該設置方式在使用雙向測量元件時，也即使用檢測薄膜平面兩軸向上的總受力狀態(tài)的測量元件時，尤為有利。通過按照薄膜沿著其兩相互垂直的軸具有不同變形特性的方式構造薄膜，尤其實現了系統(tǒng)壓力沿著兩個軸對薄膜的變形或應力的影響是不同的。垂直于薄膜表面施加于兩薄膜表面的系統(tǒng)壓力不會直接影響壓差的測量結果，因為該壓力以相同的方式施加于薄膜的兩表面。因此，系統(tǒng)壓力基本上僅沿著平行于薄膜表面的方向在薄膜的邊緣施加于載體或基片的端面而影響測量結果。如果將薄膜構造成其沿著兩個軸具有不同的變形特性，因縱向的棱邊不同，沿著平行于薄膜表面施加于薄膜上的、施加于基片棱邊的作用力沿著薄膜表面兩個相互垂直的軸產生不同的應力。有利的是，一個方向上的應力或力明顯大于另一個方向上的應力或力，于是就可忽略較小的力。這也就可利用雙向的測量元件在薄膜的中間或中央區(qū)域中檢測因系統(tǒng)壓力引起的應力變化。此外，盡管上述的薄膜構造在使用雙向測量元件時尤為有利，但其也可在使用單向測量元件時將之加以使用。
第一和第二測量元件通過有利的方式以公共的電橋電路例如惠斯登電橋電路的方式彼此連接。這樣做的優(yōu)點在于，傳感器僅發(fā)送與要檢測的壓差成比例的輸出信號。該輸出信號已針對施加于薄膜兩側的系統(tǒng)壓力的影響進行了校正。因此，無需彼此獨立地確定壓差和系統(tǒng)壓力且隨后處理這兩種相應的信號，從而補償系統(tǒng)壓力對檢測的壓差值的影響。不過，在本發(fā)明的構造中，也可在第一和第二測量元件的公共電路連接中，設置端子連接點，在端子連接點上可讀出與系統(tǒng)壓力成比例的信號，以便也能夠用數字形式確定系統(tǒng)壓力。
特別優(yōu)選的是，第一和第二測量元件以惠斯登電橋電路的方式彼此連接，其中，在電橋電路的每個支路中分別串接設置一個第一測量元件和一個第二測量元件。按此方式，累加在電橋電路的每個支路中第一和第二測量元件的輸出值。因此，在測量電阻的情況下，例如累加在電橋電路的每個支路中第一和第二測量元件的電阻。
優(yōu)選的是，在電橋電路的每個支路中將兩個輸出信號符號不同的測量元件串接。這使得在電橋電路的支路中減去串接的測量元件的輸出信號成為可能。
優(yōu)選的是，測量元件設置在薄膜的一個或多個在加壓時產生最大變形的區(qū)域中。如上所述，可將薄膜構造成沿著兩個彼此垂直的軸具有不同的應變或變形特性。在這種情況下，測量元件例如沿著一個在加壓時產生最強的薄膜變形特性的區(qū)域設置。按此方式，就提高了壓力傳感器的靈敏度和測量精度。此外，測量元件也可設置在對薄膜加壓時產生最大變形或應力的薄膜的邊緣區(qū)域中。
例如，可以如下的方式實現在加壓時薄膜沿著兩個彼此垂直的軸出現不同的變形或應變特性，即，薄膜在第二軸方向上的長度大于第一軸(垂直于第二軸)方向上的長度。如此在加壓時，縱向構造的、在載體中固定張緊的薄膜具有這樣的變形特性，即，第一軸即短軸方向上的應力大于第二軸即長軸方向上的應力。尤其是施加于載體或基片棱邊的系統(tǒng)壓力的影響導致沿著薄膜的兩個軸的應力或應變不同。測量元件優(yōu)選設置在短軸的方向上，必要時以如下的方式對準，即，使得測量元件檢測短軸方向上的應力或應變變化。
這種具有不同軸向長度的薄膜例如可以構造成矩形或橢圓形，或構造成其它具有不同軸向長度的形式。
優(yōu)選地，薄膜在第二軸和第一軸方向上的兩長度所成的長度比介于1.2-4之間，優(yōu)選為約2.5。就該長度比而言，就能實現在加壓時產生的沿第一軸即短軸方向上的應力明顯大于沿長軸方向上的應力。
適當的是，從第二軸的方向看，第一和第二測量元件設置在薄膜的中間區(qū)域中。就在兩個彼此垂直的軸的方向上具有不同長度的薄膜來說，第二軸是長度較大的軸。這意味著，測量元件設置在一個基本上位于長軸的中間區(qū)域中且在短軸的方向上從薄膜的一側向薄膜的相對側延伸。這是在對薄膜加壓時產生最大應力或變形的區(qū)域。
薄膜特別優(yōu)選地構造為具有兩個不同長度的側面或軸的矩形，由此就能在加壓時在優(yōu)選設置測量元件的長軸的中間區(qū)域中存在均勻的由所有測量元件檢測的應力或應力變化。在將半導體基片用作薄膜材料時，如上所述，優(yōu)選以如下的方式設置構造為棱長不同的矩形的薄膜，即，使得其棱邊在<110>-方向上延伸。
還可將薄膜構造成在兩個彼此垂直的軸上具有不同的變形特性，薄膜在不同的區(qū)域中構造成具有不同的厚度，于是薄膜就在不同的方向上具有不同的變形特性。在此，同樣優(yōu)選將薄膜構造為，使得在加壓時薄膜在第一軸方向上產生的應力大于在垂直于第一軸的第二軸方向上產生的應力。適合的是，如上所述，在加壓時尤其通過系統(tǒng)壓力的作用產生最強變形或應力的軸向上設置測量元件。


下面參照附圖對本發(fā)明進行示范性的描述。其中圖1示出了根據本發(fā)明構造的壓力傳感器第一實施方式的示意平面圖；圖2示出了根據本發(fā)明構造的壓力傳感器第二實施方式的示意平面圖；
圖3示出了根據本發(fā)明構造的壓力傳感器第三實施方式的示意平面圖；圖4示出了根據本發(fā)明構造的壓力傳感器第四實施方式的示意平面圖；圖5示出了根據本發(fā)明構造的壓力傳感器第五實施方式的示意平面圖；圖6示出了根據本發(fā)明構造的壓力傳感器第六實施方式的示意平面圖；圖7示意性地示出了圖1至6的壓力傳感器的測量元件的連接；圖8示出了因施加于薄膜的壓差引起的薄膜中的應力的曲線；圖9示出了因施加于薄膜兩側的系統(tǒng)壓力引起的薄膜中的應力的曲線；圖10示意性地示出了因系統(tǒng)壓力引起的在薄膜三個位置上的應力；圖11示意性地示出了因壓差引起的在薄膜三個位置上的應力；圖12示意性地示出了因系統(tǒng)壓力和壓差引起的在薄膜三個位置上的應力；圖13示意性地示出了組合信號；以及圖14示出了與圖1和圖4所示的壓力傳感器相似的、設有附加端子以讀出系統(tǒng)壓力的壓力傳感器的示意平面圖。
具體實施例方式
參照

的本發(fā)明的壓力傳感器具有由半導體材料制成的載體或基片2，一個矩形薄膜4在載體2的中間區(qū)域中通過削薄而與載體2一體地構造。該薄膜構造為，使得它在沿y軸方向的棱邊長度大于沿x軸方向的棱邊長度。薄膜4的兩表面可按公知方式加壓，以便能確定因薄膜的偏轉引起的、鄰近薄膜相對置的表面上的兩壓力之間的壓差。為此，在薄膜上設置八個測量電阻形式的測量元件。在圖1至圖3的實施例中，通過對半導體材料進行摻雜而直接在薄膜表面中將測量電阻構造為壓阻元件。四個測量電阻R1靠近兩個彼此相對置的縱側6設置。另外四個第二測量電阻R3與薄膜4的棱邊或邊緣進一步隔開地進行設置。所有八個測量電阻R1和R3都沿著薄膜短軸x方向的線條大致設置在縱側6的中心。在所示的具有不同縱向側邊的矩形薄膜中，該位置是在加壓情況下出現最大應力的區(qū)域。沿y軸方向的應力要小得多。在圖1至圖6的實施例中，各設有四個測量電阻R1和測量電阻R3，其中的兩個測量電阻R1-和R3-各具有負輸出信號，而另外兩個測量電阻R1+和R3+則各具有正輸出信號。這意味著，在測量元件為測量電阻形式的情況下，具有負輸出信號的測量電阻的電阻在應力變化時減小，而具有正輸出信號的測量電阻的電阻在應力變化時增大。如上所述，圖1至圖3所示的測量電阻為壓阻測量元件，其通過摻雜技術在薄膜4的半導體基片中產生例如具有100級表面的單晶硅，其中對測量元件或應變檢測器R1和R3進行n型摻雜。對于這些摻雜的測量檢測器來說，不同的輸出信號符號是以如下的方式來實現的，即，使得測量元件彼此旋轉90°地在薄膜表面中對準。這在圖1至圖3中示出，其中測量元件R1-和R3-沿y軸方向對準，測量元件R1+和R3+沿x軸方向對準。正如在圖1至圖3的實施例中使用的那樣，摻雜的測量檢測器始終測量沿x軸和y軸方向的整體受力狀態(tài)。因此，就該測量檢測器而言，有利的是，薄膜被構造為具有兩個不同的縱向側邊的所述矩形形式，于是在x軸方向上施加于測量元件的應力就大于沿y軸方向施加于測量元件的應力。
在圖4至圖6的實施例中，使用設置在薄膜表面上的、例如由多晶硅構成的應變測量片。此種應變測量片可這樣實現符號變換，即，使用在膨脹時增大其測量電阻的應變測量片，和在膨脹時減小其測量電阻也即在壓縮時增大其測量電阻的第二應變測量片。按此方式，也就可利用應變測量片實現如圖4至圖6所示的設置，其中使用在膨脹時具有負輸出信號的測量電阻R1-和R3-和在膨脹時具有正輸出信號的測量電阻R1+和R3+。
設置或構造具有不同符號的測量電阻R1和R3的目的在于，使得各個測量電阻的信號在電路中可彼此相減。這也就是說，各個測量電阻R1和R3輸出信號的計算可在簡單的電橋電路中實現。正如參照圖7說明的那樣，在此重要的是，在電橋電路的每個支路中，設置有具有正輸出信號的測量電阻和具有負輸出信號的測量電阻。在此，正負輸出信號在測量電阻R1和R3中的分配也可與圖1至圖6中所示實例中的情況相反。
此外，圖1至圖6示出了測量電阻R1和R3沿x軸的三種不同排列。在圖1和圖4的實施例中，靠外的測量電阻R1直接設置在薄膜4的邊緣區(qū)域R，而測量電阻R3設置在中間區(qū)域或中央區(qū)域M中。在圖2和圖5的實施方式中，靠外的測量電阻R1設置在中性區(qū)域N，該中性區(qū)域N沿x軸方向位于薄膜4的邊緣區(qū)域R與中間區(qū)域M之間。在圖3和圖6的第三排列方案中，靠外的測量電阻R1設置在邊緣區(qū)域R，而靠內的測量電阻R3設置在薄膜4的中性區(qū)域N。稍后參照圖8至圖13對根據測量電阻R1和R3的此種排列獲得的測量原理進行說明。
在圖1至圖6的實施例中，四個測量電阻R1和四個測量電阻R3以圖7的公共電橋電路的方式彼此連接。相應地，在基片上設置有四個電子端子8、10、12和14。正如圖1至圖6中表示的導線和圖7中所示的電路那樣，八個測量電阻R1和R3以惠斯登電橋電路的方式這樣進行連接，即，使得在四個支路A、B、C和D的每個支路中彼此連接靠近薄膜4的邊緣區(qū)域設置的測量元件R1和靠近薄膜4的中央區(qū)域或中間區(qū)域設置的測量元件R3。電橋電路的支路A、B、C和D中的測量元件R1和R3各自串接。此外，如前所述，在電橋電路的每個支路A、B、C和D中，具有正輸出信號的測量電阻R1+或R3+和具有負輸出信號的測量電阻R1-或R3-各自串接地設置，于是設置在電橋電路的同一支路中的兩測量電阻的輸出信號因為符號不同而相減。如果在本說明書中談及測量電阻的輸出信號，在此實際涉及的是因應力變化或應變變化出現的電阻變化，其在測量電阻R1-和R3-中為負，而在測量電阻R1+和R3+中為正。支路A示范性地以虛線邊界在圖1至圖6中示出。支路A中設置有具有正輸出信號的測量電阻R1+(其靠近薄膜的邊緣)和具有負輸出信號的測量電阻R3-(其靠近薄膜4的中心)。相應地，在電橋電路的支路C中設置有測量電阻R1+和R3-，電阻R1+和R3-在薄膜上相對于其中點點對稱地對置。電阻R3+和R1-以相同的方式分別設置在電橋電路的支路B和D中。
測量電流IS設置在電子端子10和12上。與施加于兩個薄膜表面的壓差成比例的輸出電壓Vout可在電子端子8與14之間獲取。通過依據本發(fā)明的圖7中所示的電橋電路中測量元件或測量電阻R1和R3的設置方式，在確定因薄膜偏轉引起的壓差時，考慮施加于兩薄膜面和在薄膜4的周邊施加于基片2的系統(tǒng)壓力并相應地補償系統(tǒng)壓力的影響，從而已消除了系統(tǒng)壓力對輸出信號Vout的影響。
此種補償基于參照圖8和圖9說明的原理。圖8和圖9示出了應力曲線，其中描繪了相對于薄膜4的x軸方向和y軸方向的總應力Δ(σxx-σyy)的變化。在此，所示的特性曲線各示出了薄膜4的四分之一，也即，描繪在曲線圖軸上的從薄膜中點數起的x和y坐標。圖8示出了由施加于薄膜4上兩表面之間的壓差引起的應力或應力變化。在此，要注意的是，邊緣區(qū)域R中因壓差引起的應力或應力變化的符號與薄膜中央或中間區(qū)域M中應力變化的符號相反。在位于薄膜的邊緣區(qū)域R與中間區(qū)域M之間的中性區(qū)域N(見圖1至圖6)中，不會因壓差或壓差變化而產生應力變化。在邊緣區(qū)域R與中間區(qū)域M之間曲線的通過零點位于該位置。區(qū)域R和M中的幅度基本相同。如圖1所示，在薄膜4的邊緣區(qū)域R中設置有測量電阻R1，而在中間區(qū)域M中設置有測量電阻R3。
以相同方式施加于薄膜4的兩側面或表面并在薄膜的周邊施加于載體端側的絕對或輸出或系統(tǒng)壓力在薄膜中產生具有一條應力變化曲線的應力變化，正如在圖9的曲線圖中所示的那樣。這里要注意的是，薄膜4的邊緣區(qū)域R、中性區(qū)域N以及中間區(qū)域M中的應力變化具有基本相同的幅度和相同的符號。因此，因系統(tǒng)壓力引起的應力變化在設置有測量電阻R3的薄膜的中間區(qū)域M中具有與因系統(tǒng)壓力在該區(qū)域M中引起的應力變化不同的符號。這些應力變化的不同符號在參照圖1至圖7說明的測量電阻R1和R3的電路中用于補償系統(tǒng)壓力對壓差測量結果的影響。
現在參照圖10至圖13對補償原理進行說明。圖10示出了因系統(tǒng)壓力的影響在薄膜4的邊緣區(qū)域R、中性區(qū)域N和中間區(qū)域M中產生的應力變化ΔS，正如參照圖9所述的那樣。在圖10的示意圖中，還要再次注意的是，薄膜4的三個區(qū)域R、N和M中的應力變化ΔS具有基本相同的幅度和相同的符號。圖11相應地在示意圖中示出了薄膜4的邊緣區(qū)域R、中性區(qū)域N和中間區(qū)域M中的應力變化ΔD，其是由施加于薄膜4的壓差引起的。正如參照圖8所述的那樣，因壓差而在邊緣區(qū)域R和中間區(qū)域M中引起的應力變化具有相反的符號，而在中性區(qū)域N中不會因壓差產生應力變化。
在圖12的曲線圖中，在公共的曲線圖中示出了根據圖10和圖11的應力變化ΔD和ΔS，其中要注意的是，在薄膜4的中間區(qū)域M中的應力變化ΔS和ΔD具有不同的符號，而在薄膜4的邊緣區(qū)域R中的應力變化ΔS和ΔD具有相同的符號。如果壓差反向地施加于薄膜4上，剛好相反，在邊緣區(qū)域R中ΔS和ΔD具有不同的符號，而在中間區(qū)域M中ΔS和ΔD具有相同的符號。
圖13中示意性地示出了信號變化ΔG，其通過在薄膜4的邊緣區(qū)域R、中間區(qū)域M和/或中性區(qū)域N中減去應力變化而產生，正如其在前面描述的惠斯登電橋電路中的支路中所實施那樣。對于測量電阻R1設置在薄膜4的邊緣區(qū)域R中且測量電阻R3設置在中間區(qū)域M中的情況(依據圖1和圖4)，在圖13左邊的條形圖中要注意的是，在減去應力變化ΔS和ΔD時，因邊緣區(qū)域R和中間區(qū)域M中應力ΔD的符號不同，導致邊緣區(qū)域R和中間區(qū)域M中應力變化ΔD的數值累加，而系統(tǒng)壓力ΔS的影響因幅度和符號相同而在邊緣區(qū)域R和中間區(qū)域M中消除。
如果測量電阻R1設置在中性區(qū)域N中且測量電阻R3設置在中間區(qū)域M中(依據圖2和圖5)，在信號相減時，產生信號變化ΔG，其由圖13中間的條形圖示出。在此，系統(tǒng)壓力ΔS的影響也通過減法消除，且ΔD對應于中間區(qū)域M中應力變化ΔS的數值，因為應力變化ΔD在中性區(qū)域中為零。
如果測量電阻R1設置在薄膜4的邊緣區(qū)域R中且測量電阻R3設置在薄膜4的中性區(qū)域N中(依據圖3和圖6)，則產生信號變化ΔG，其由圖13右邊的條形圖示出，中性區(qū)域中的信號ΔD和ΔS與邊緣區(qū)域中的信號ΔD和ΔS相減。因為應力變化ΔS的符號和幅度相同，所以將消除其影響，且ΔG與因邊緣區(qū)域R中的壓差引起的信號變化相對應。按此方式，就可通過連接測量電阻R1和R3來消除或補償系統(tǒng)壓力ΔS的影響。應力變化ΔS和ΔD在薄膜的各區(qū)域中以如下的方式彼此相減，即，如上所述，測量電阻R1和R3成對地具有符號不同的輸出信號且以圖7所示的惠斯登電橋電路的方式彼此連接。
圖14示出了本發(fā)明的特別實施方式，其中電阻R1和R3相應于圖1和圖6中所述的實施方式連接。除了電子端子8、10、12和14外，在圖14的實施方式中，還設有四個附加的端子18，它們分別在電阻R1-與R3+或R3-與R1+之間與圖1和圖6的測量電橋的支路A、B、C和D相接。為此，除了通過電子端子8、10、12、14檢測的補償壓差外，電子端子18還可用于檢測作為單獨參數作用的系統(tǒng)壓力。
在所示的實例中，薄膜4構造為伸長的矩形。作為替換，薄膜4也可例如構造為橢圓形，其中，橢圓的長軸沿y軸方向伸展，而短軸沿x軸方向伸展。此外，還可行的是，以別的方式例如通過不同的厚度來構造薄膜，以致變形時沿x軸方向產生的應力大于沿y軸方向產生的應力。對于使用僅在位置上檢測沿x軸方向應力的測量電阻或測量元件R1和R3的情況，還可以如下的方式構造薄膜，即，使得在加壓時產生的沿x軸和y軸方向的應力或應力變化一樣大，也就是說，例如也可使用方形或圓形的薄膜。
參考標記一覽表2載體4薄膜6縱側8、10、12、14電子端子16應力峰值18電子端子A、B、C、D電橋電路的支路IS測量電流Vout輸出電壓R1+、R1-設置在薄膜4的邊緣區(qū)域中的測量電阻R3+、R3-設置在薄膜4的中央區(qū)域中的測量電阻x、y薄膜的軸M薄膜的中間區(qū)域N薄膜的中性區(qū)域R薄膜的邊緣區(qū)域ΔS因系統(tǒng)壓力引起的應力變化ΔD因壓差引起的應力變化ΔG信號變化
權利要求
1.一種具有載體(2)的壓力傳感器，在該載體(2)的內部區(qū)域中具有薄膜(4)，在該薄膜(4)上設置有至少一個第一測量元件(R1-)，以檢測施加在該薄膜(4)上的壓力，其特征在于，在該薄膜上還另外設置有至少一個第二測量元件(R3-)，以檢測施加在該薄膜(4)上的壓力，其中該第一測量元件(R1-)和該第二測量元件(R3-)設置為距該薄膜的邊緣相隔不同的距離，并且對該第一測量元件(R1-)和該第二測量元件(R3-)的輸出信號以如下的方式合并分析，即，兩個測量元件(R1-、R3-)檢測施加于該薄膜(4)上的壓差，并由此補償施加于該薄膜(4)兩側上的系統(tǒng)壓力的影響。
2.如權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述至少一個第一測量元件(R1-)設置在該薄膜(4)的邊緣區(qū)域(R)中，并且所述至少一個第二測量元件(R3-)設置在該薄膜(4)的中央區(qū)域(M)或位于該邊緣區(qū)域(R)與該中央區(qū)域(M)之間的中性區(qū)域(N)中。
3.如權利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述至少一個第二測量元件(R3-)設置在該薄膜(4)的中央區(qū)域(M)中，并且所述至少一個第一測量元件(R1-)設置在該薄膜(4)的邊緣區(qū)域(R)或位于該邊緣區(qū)域(R)與該中央區(qū)域(M)之間的中性區(qū)域(N)中。
4.如權利要求1至3之一所述的壓力傳感器，其特征在于，在該薄膜(4)上分別設置有四個第一測量元件(R1-、R1+)和四個第二測量元件(R3-、R3+)，它們以電橋電路的方式相互連接。
5.如權利要求4所述的壓力傳感器，其特征在于，所述四個第一測量元件(R1-、R1+)和四個第二測量元件(R3-、R3+)分別構造或設置為，使得其中的兩個測量元件(R1-、R3+)具有正輸出信號，而其中的兩個測量元件具有負輸出信號。
6.如前述權利要求之一所述的壓力傳感器，其特征在于，在加壓時該薄膜(4)沿第一軸(x)的變形特性不同于沿垂直于該第一軸(x)延伸的第二軸(y)的變形特性。
7.如前述權利要求之一所述的壓力傳感器，其特征在于，所述第一測量元件(R1-、R1+)和第二測量元件(R3-、R3+)以公共的電橋電路的方式彼此連接。
8.如權利要求7所述的壓力傳感器，其特征在于，所述第一測量元件(R1-、R1+)和第二測量元件(R3-、R3+)以惠斯登電橋電路的方式彼此連接，其中，在該電橋電路的每個支路(A、B、C、D)中，所述第一測量元件(R1-、R1+)中的一個和所述第二測量元件(R3-、R3+)中的一個各自串接地設置。
9.如權利要求8所述的壓力傳感器，其特征在于，在該電橋電路的每個支路(A、B、C、D)中，兩個具有不同符號輸出信號的測量元件串接。
10.如前述權利要求之一所述的壓力傳感器，其特征在于，所述測量元件(R1、R3)總是設置在該薄膜(4)的、在加壓時產生最大變形的區(qū)域中。
11.如前述權利要求之一所述的壓力傳感器，其特征在于，該薄膜(4)沿該第二軸(y)方向的長度大于沿該第一軸(x)方向的長度。
12.如權利要求11所述的壓力傳感器，其特征在于，該薄膜沿該第二軸(y)方向的長度和在沿該第一軸(x)方向的長度所成的比介于1.2-4之間，優(yōu)選為2.5。
13.如權利要求11或12所述的壓力傳感器，其特征在于，自該第二軸(y)的方向上看，所述第一和第二測量元件(R1-、R1+)設置在該薄膜(4)的中間區(qū)域中。
14.如權利要求11至13之一所述的壓力傳感器，其特征在于，該薄膜(4)構造為矩形。
15.如前述權利要求之一所述的壓力傳感器，其特征在于，該薄膜(4)構造為具有不同的厚度，以便在兩個軸(x、y)的方向上具有不同的變形特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有載體(2)的壓力傳感器，在載體(2)的內部區(qū)域中具有薄膜(4)，在該薄膜(4)上設置有至少一個第一測量元件(R
文檔編號G01L9/00GK101044382SQ200580035987
公開日2007年9月26日 申請日期2005年8月6日 優(yōu)先權日2004年9月24日
發(fā)明者延斯·彼得·克羅, 卡斯珀·彼澤森, 卡斯滕·克里斯滕森 申請人:格倫德福斯聯合股份公司