本發(fā)明涉及壓力變送器以及此壓力變送器的操作方法。

背景技術(shù)：

壓力變送器的用途是記錄不同的壓力等；壓力變送器例如使用在工業(yè)測量技術(shù)中使用的不同的壓力測量傳感器中。壓力變送器例如用于流量測量或液位指示。例如對(duì)于液位指示，測量容器底部處的第一壓力和填充材料上方的第二壓力之間的差異。差異與對(duì)應(yīng)于料位的容器內(nèi)的取決于料位的液體靜壓力成比例。例如對(duì)于流量測量，使用管線內(nèi)的流動(dòng)阻力，且使用差壓測量傳感器測量阻力前的第一壓力與阻力后的第二壓力之間的差異。此差壓是管線內(nèi)的流量的測量。

在壓力測量設(shè)備中，壓力傳感器半導(dǎo)體芯片(例如，摻雜有電阻元件的硅芯片)經(jīng)常被用作壓敏元件。此壓力傳感器芯片包括測量膜，在測量模式中所述測量膜的一側(cè)暴露于第一壓力，且另一側(cè)暴露于第二壓力。所涉及的壓力造成了測量膜的位移，所述位移對(duì)應(yīng)于被測量的壓力。作為結(jié)果，壓力傳感器芯片非常敏感且因此不直接暴露于其壓力被檢測的介質(zhì)。作為替代，填充有液體的膜密封件被安裝在上游。

壓力測量傳感器典型地具有大的、多部件的、金屬的測量傳感器塊以用于此目的，在所述測量傳感器塊上在外部布置了第一隔離膜和與之平行且相對(duì)的第二隔離膜。第一隔離膜封閉了第一壓力接收室，所述第一壓力接收室通過壓力傳輸線連接到第一壓力測量室。相應(yīng)地，第二隔離膜封閉了第二壓力接收室，所述第二壓力接收室通過壓力傳輸線連接到第二壓力測量室。第一和第二壓力測量室通過差壓傳感器的測量膜相互分離。

兩個(gè)壓力接收室、兩個(gè)壓力測量室以及壓力傳輸線都填充有傳遞壓力的液體，且其目的是將在外部影響相應(yīng)的隔離膜的壓力傳遞到測量膜的相應(yīng)的一側(cè)。

在日常測量操作中，在此壓力變送器中經(jīng)常發(fā)生故障甚至損壞。此壓力變送器所具有的附加問題是其受到漂移的影響，所述漂移可能導(dǎo)致壓力測量值不正確。

例如，為識(shí)別壓力變送器內(nèi)的此故障或漂移，需要在操作期間控制傳感器。這提高了被記錄的被測量壓力值的可靠性和/或精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此原因，本發(fā)明的目的是提供一種壓力變送器，所述壓力變送器提供了被測量的壓力值的提高的穩(wěn)定性和/或精度。此目的通過壓力變送器和此壓力變送器的操作方法實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于壓力變送器，此目的通過用于確定壓力值的壓力變送器實(shí)現(xiàn)，所述壓力變送器至少包括帶有測量膜和集成在測量膜中的電阻元件的壓力傳感器，其中壓力傳感器布置在第一和第二相對(duì)體之間且在其周部區(qū)域牢固地連接到至少一個(gè)相對(duì)體，使得在測量膜和第一相對(duì)體之間形成壓力室且所述壓力室可受到第一壓力；其中測量膜的面向第二相對(duì)體的一側(cè)可受到第二壓力，且測量膜的位移取決于第一和第二壓力而被設(shè)置；其中測量膜的取決于壓力的位移可通過集成的電阻元件而被記錄，且被測量的壓力值可通過以集成的電阻元件形成的橋接電路的電橋電壓來確定；其中測量膜具有膜電極且第二相對(duì)體在面向測量膜的一側(cè)上在測量膜的區(qū)域中具有至少一個(gè)相對(duì)體電極，使得膜電極和相對(duì)體電極形成電容，其中基于此電容可獲得至少一個(gè)附加信息和/或可執(zhí)行壓力變送器的至少一個(gè)附加功能。

因此，根據(jù)本發(fā)明，通過將測量膜設(shè)計(jì)為膜電極且包括相對(duì)體電極形成了電容。與從現(xiàn)有技術(shù)中已知的使用電阻性或電容性的電阻效應(yīng)來確定壓力值的壓力變送器相比，電容使得可執(zhí)行附加診斷功能。此診斷功能例如包括確定關(guān)于壓力變送器的附加信息和/或執(zhí)行附加功能，這基于所引入的電容變得可能。

在有利的配置中建議集成的電阻元件關(guān)于壓力傳感器的襯底被設(shè)計(jì)為p-n結(jié)，和/或膜電極關(guān)于襯底被設(shè)計(jì)為p-n結(jié)。

另一個(gè)有利的配置建議另外包括操作電路，所述操作電路用于確定電容和/或其進(jìn)程(verlauf)，用于確定至少一個(gè)附加信息，和/或用于基于電容執(zhí)行至少一個(gè)附加功能。

特別地建議操作電路被建立為在膜電極和相對(duì)體電極處施加可變的或可調(diào)節(jié)的電壓。

另一個(gè)有利的配置建議第二相對(duì)體包含塑料或陶瓷。

有利的配置建議壓力傳感器主要包含硅。

有利的配置建議膜電極可被連接到橋接電路的電壓最高點(diǎn)或最低點(diǎn)。

對(duì)于方法方面，根據(jù)本發(fā)明的目的以用于操作根據(jù)前述權(quán)利要求中一個(gè)或多個(gè)所述的壓力變送器的方法實(shí)現(xiàn)，其中方法包括如下步驟：

–確定電容和/或其進(jìn)程；

–基于電容確定至少一個(gè)附加信息和/或執(zhí)行至少一個(gè)附加功能。

有利的實(shí)施例建議執(zhí)行電橋電壓和/或其進(jìn)程與對(duì)應(yīng)于電容的電容電壓和/或其進(jìn)程的比較，且如果電橋電壓和/或其進(jìn)程與電容電壓和/或其進(jìn)程在特定的公差范圍內(nèi)匹配，則所確定的當(dāng)前測量的壓力值是非?？尚诺?。

此實(shí)施例特別地建議如下事實(shí)，即電橋電壓和/或其進(jìn)程和/或電容電壓和/或其進(jìn)程在特定的公差范圍內(nèi)不匹配，則壓力變送器中的改變被確定為附加信息。

這樣的公差范圍在膜密封件之間取決于膜密封件的使用目的等變化。因此，例如低成本膜密封件的公差范圍明顯地大于高端膜密封件的公差范圍。

因此，被測量的值的1％的公差范圍是有利的，0.5％的公差范圍是優(yōu)選的，且0.2％的公差范圍是特別地優(yōu)選的。

另一個(gè)有利實(shí)施例建議，基于電容和/或其進(jìn)程和/或電橋電壓和/或其進(jìn)程將電橋電壓的漂移識(shí)別為附加信息。

實(shí)施例優(yōu)選地建議將電容和/或其進(jìn)程和電橋電壓和/或其進(jìn)程被設(shè)置為比，作為用于識(shí)別電橋電壓的漂移的測試標(biāo)準(zhǔn)?？商貏e地優(yōu)選地建議，如果電容和/或其進(jìn)程基本上是恒定的，即不隨著測量分辨率而改變，且如果電橋電壓不是恒定的而是變化的，則識(shí)別為電橋電壓的漂移。

另一個(gè)有利的實(shí)施例建議作為附加功能執(zhí)行對(duì)將壓力變送器從過程介質(zhì)分離的過程膜的測試，其中如果電容和/或其進(jìn)程改變且電橋電壓和/或其進(jìn)程基本上恒定，則識(shí)別出過程膜內(nèi)的錯(cuò)誤。

另一個(gè)有利的實(shí)施例建議將測試電壓通過操作電路施加到膜電極和相對(duì)體電極，使得在膜電極和相對(duì)體電極之間產(chǎn)生距離的改變，且執(zhí)行自身測試作為附加功能，其中測試電橋電壓和/或其進(jìn)程與電容和/或其進(jìn)程的比，且如果此比不在預(yù)先設(shè)定的公差范圍內(nèi)，則識(shí)別出壓力變送器中的改變。

附圖說明

在下文中基于附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。各圖為：

圖1a示出了本發(fā)明的優(yōu)選的配置的填充材料和絕緣體板或第二相對(duì)體的詳細(xì)視圖，

圖1b示出了本發(fā)明的壓力變送器的第一空間表示(不帶有第二相對(duì)體)，

圖1c示出了根據(jù)本發(fā)明的壓力變送器的第二空間表示(帶有第二相對(duì)體)，

圖1d示出了通過根據(jù)本發(fā)明的壓力變送器的示意性縱向截面，

圖2示出了位于壓力變送器內(nèi)的壓力傳感器以及第二相對(duì)體的示意性截面，

圖3示出了位于壓力變送器內(nèi)的壓力傳感器的頂視圖，和

圖4示出了用于記錄電阻元件的電阻值的橋接電路的示意性表示。

具體實(shí)施方式

在圖1中所示的填充材料11主要具有圓柱形的基本形式，其內(nèi)側(cè)存在特別地方形的開口12，在所述開口內(nèi)插入了壓力傳感器2。開口12的形狀必須匹配壓力傳感器2的形狀，使得在壓力傳感器2和填充材料11之間存在間隙，一方面防止部件之間的接觸且使得可通過傳輸流體完全地覆蓋壓力傳感器2的表面，且另一方面考慮到以上條件，可將所述間隙設(shè)計(jì)為盡可能窄以最小化傳輸流體的體積。

在頂部處，填充材料11具有第一凹陷空隙13和第二凹陷空隙14，所述空隙的目的是在第二相對(duì)體6或絕緣體板17處容納互補(bǔ)的第一軸向凸耳18和第二軸向凸耳19。

填充材料11的前表面在所給出的本發(fā)明的配置中具有大的平滑的表面，所述表面足以使用抽吸工具升起且運(yùn)輸填充材料11。

四個(gè)軸向鉆孔15從其前表面通過填充材料11；這些軸向鉆孔可用于將電流通向壓力傳感器2。此外，在填充材料11的底部處存在凹陷空隙16，所述空隙16在填充流體室時(shí)作為傳輸流體的離開開口起作用，所述流體室位于過程膜和處在壓力傳感器2和填充材料11之間的間隙之間。

盤形絕緣體板17以其底側(cè)向上在圖1a中展示。沿其周部，所述盤形絕緣體板17具有第一軸向凸耳18和第二軸向凸耳19，其中兩個(gè)軸向凸耳提供為使得兩個(gè)凹陷空隙沿填充材料的頂側(cè)的周部形狀配合地被鎖定。假定凸耳或凹陷空隙在尺寸上相互不同并且不圍繞填充材料的圓柱形軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地分布，則隔離板的到蓋的定向明確地通過凸耳來確定。絕緣體板17在其底側(cè)上具有四個(gè)凹陷空隙20，所述凹陷空隙20提供為形成用于與壓力傳感器接觸的連接線的空間。存在引導(dǎo)通過絕緣體板17的中心的軸向孔。所述軸向孔用作與用于傳輸流體的壓力傳感器的測量膜的中心對(duì)齊的通道。此通道改進(jìn)了壓力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為，但這不是絕對(duì)必要的。此外，絕緣體板根據(jù)本發(fā)明包括相對(duì)體電極，所述相對(duì)體電極在絕緣體板與填充材料形狀配合地鎖定時(shí)與膜電極一起構(gòu)成了電容，所述膜電極包括測量膜。

在圖1b中展示了壁組件22，所述壁組件22包括支承體23，利用壓力保持連接將壓力傳感器2固定到所述支承體23，在此未包括其細(xì)節(jié)。填充材料11圍繞壓力傳感器2被布置，且例如可被膠合到支承體23。支承體23包括基板24，在所述基板24上徑向地突出了環(huán)形密封邊沿25。沿此密封邊沿25支承體23可被焊接到第二壁組件26以封閉流體室。四個(gè)電開口27在軸向方向上延伸通過支承體23的基板24從而與通過填充材料11的孔15對(duì)齊，其中開口27具有接觸銷，所述接觸銷優(yōu)選地在軸向方向上延伸直至填充材料11的表面。類似地，壓力傳感器2的表面大致與填充材料11的表面對(duì)齊。因此，壓力傳感器2的表面上的接觸表面可自動(dòng)地由裝配機(jī)器人使用接合線28連接到接觸銷。電套管27從支承體23的底側(cè)延伸開，使得所述電套管27在組裝的最后階段之后可穿過覆蓋支承體的底側(cè)的封裝化合物。

此外，參考空氣管29延伸通過基板24，從而在軸向方向上大致引導(dǎo)通過基部的中心，以將大氣壓施加到壓力傳感器2的測量膜的背部。實(shí)施例示例表達(dá)地涉及相對(duì)壓力傳感器。當(dāng)然，本發(fā)明也包括絕對(duì)壓力傳感器，其中測量膜將后側(cè)上的排空空間密封。在此情況中，不存在參考空氣路徑。

此外，填充管30延伸通過基板24，結(jié)束在填充材料的凹陷空隙16下方；通過此填充管可將流體室填充有傳輸流體，或可填充準(zhǔn)備好的壓力傳感器。

圖1c示出了在圖1b中的部件組裝中的下一個(gè)階段，其中絕緣體板17被附加地安放在填充材料11上。另一方面，絕緣體板的底側(cè)上的側(cè)凹陷空隙20為用于接觸壓力傳感器2的接合線提供了要求的空間，且另一方面用作用于傳輸流體的開口。

在圖1d中的截面圖示出了用于制造壓力變送器的組裝的下一個(gè)階段。在此以簡化的方式所示的第二壁組件26包括室孔31，在所示室孔31內(nèi)插入了安裝在支承體23上的部分，即填充材料11、絕緣體板17和壓力傳感器2，所述壓力傳感器2帶有在此可見的處于壓力傳感器2的下方的第一玻璃或半導(dǎo)體相對(duì)體5，其中支承體23沿其密封邊沿壓力密封地被焊接到第二壁組件26。

如在圖1d中所示，通道開口在室孔31的前側(cè)處；所述通道用于將待測量的介質(zhì)壓力通過流體室使用傳輸流體施加到壓力傳感器2。為此，將介質(zhì)壓力施加到面向通道的壓力傳感器2的測量膜3的前側(cè)表面，同時(shí)將大氣壓力通過參考空氣管或通道29施加到測量膜3的后側(cè)表面。如上所指出，實(shí)施例示例涉及相對(duì)壓力傳感器。當(dāng)然，本發(fā)明也包括絕對(duì)壓力傳感器，其中測量膜密封了后側(cè)上的排空的空間。在此情況中，不存在參考空氣管。

填充材料11和絕緣體板17的材料例如包括耐溫塑料，所述耐溫塑料相對(duì)于傳輸流體是化學(xué)惰性的，例如為pps。

圖2為清晰起見示出了通過布置在第一相對(duì)體5和第二相對(duì)體6之間的半導(dǎo)體壓力傳感器2的示意性截面圖。如在圖1的描述中所指出，第一相對(duì)體5可以是玻璃或半導(dǎo)體相對(duì)體，且第二相對(duì)體6可被設(shè)計(jì)為絕緣體板17。

根據(jù)本發(fā)明，壓力變送器1包括至少壓力傳感器2，所述壓力傳感器2使用常規(guī)的半導(dǎo)體方法制成，帶有測量膜3和集成在測量膜3內(nèi)的(特別地壓阻性的)電阻元件4，以及膜電極9，所述膜電極9在此實(shí)施例示例中也被集成在測量膜3內(nèi)。存在另一個(gè)可能的實(shí)施例，其中膜電極9以導(dǎo)電層的形式被安裝，例如以金屬層的形式被安裝。

集成的電阻器4以及膜電極9使用摻雜方法被引入到測量膜內(nèi)，使其具有與其環(huán)境相比增加的摻雜。為節(jié)省附加摻雜步驟，電阻元件4和膜電極9被以相同的方式摻雜，使其具有相同的摻雜類型。

如在圖2中所示，第二相對(duì)體6或絕緣體板17具有相對(duì)體電極10。通過將絕緣體板17安裝在填充材料11處或上，電極9和10被布置為構(gòu)成了電容。與從現(xiàn)有技術(shù)中已知的使用電阻或電容效應(yīng)確定壓力值的壓力變送器1相比，電容使得可執(zhí)行附加診斷功能。此診斷功能例如包括確定關(guān)于壓力變送器的附加信息和/或執(zhí)行基于引入的電容可行的附加功能。

壓力傳感器2如在圖4中所示附加地包括通過集成的電阻元件形成的橋接電路8。橋接電路8的目的是使得可通過壓阻性電阻元件4記錄測量膜3的壓力相關(guān)的位移，且通過所形成的電橋電壓ub確定被測量的壓力值。

膜電極9例如通過集成在測量膜3內(nèi)的線被連接到橋接電路8的最高電壓點(diǎn)或最低電壓點(diǎn)。

除橋接電路8，壓力變送器1附加地包括操作電路32，所述操作電路32設(shè)計(jì)為將可變的或可調(diào)節(jié)的電壓施加在膜電極9和相對(duì)體電極10處或之間。此外，操作電路32被設(shè)置為執(zhí)行如下文中所述的方法或其步驟，以獲得至少一個(gè)附加信息和/或執(zhí)行一個(gè)附加功能。

已指示的方法作為第一步驟建議確定電容和/或其進(jìn)程?；谒_定的電容和/或其進(jìn)程，可通過壓力變送器1確定多個(gè)附加信息。

因此，例如可執(zhí)行被測量的壓力值的冗余的測量或驗(yàn)證。為此目的，可將電橋電壓ub和/或其進(jìn)程與對(duì)應(yīng)于電容的電容電壓和/或其進(jìn)程進(jìn)行比較，且檢查是否結(jié)果處在預(yù)先設(shè)定的公差范圍內(nèi)。

如果結(jié)果位于預(yù)先設(shè)定的公差范圍內(nèi)，則通過集成的電阻器確定的且通過電容驗(yàn)證的當(dāng)前的被測量的壓力值可以以高的可靠性被視作是可信的或真實(shí)的，即當(dāng)前確定的被測量的壓力值可基本上無錯(cuò)誤。

如果結(jié)果不處在預(yù)先設(shè)定的公差范圍內(nèi)，則可認(rèn)為在壓力傳感器1內(nèi)發(fā)生了改變，且當(dāng)前確定的被測量的壓力值僅有條件地是可信的，即當(dāng)前被確定的測量的壓力值高可能性地是錯(cuò)誤的。

除被測量的壓力值和從其導(dǎo)出的附加信息的冗余的測量或驗(yàn)證外，也可實(shí)施漂移檢測，特別是因?yàn)楦郊有畔⒁蟠_定由于電阻元件的電阻值的改變導(dǎo)致的電橋電壓內(nèi)的漂移的存在。方法在此建議，為確定是否存在漂移將電容和/或其進(jìn)程與電橋電壓和/或其進(jìn)程作為比被設(shè)置為測試標(biāo)準(zhǔn)。

此外，根據(jù)方法可建議執(zhí)行過程膜的測試作為附加功能。以上所述的壓力變送器1典型地通過過程膜與其介質(zhì)壓力待測量的過程介質(zhì)分開。現(xiàn)在為執(zhí)行過程膜的測試，將電容或其進(jìn)程與電橋電壓和/或其進(jìn)程相互比較。現(xiàn)在為可得到對(duì)于過程膜的判斷，測試是否電容和/或其進(jìn)程改變而同時(shí)電橋電壓和/或其進(jìn)程基本上不改變。如果情況如此，則存在過程膜中的缺陷的高的可能性。

類似地，操作電路32可被設(shè)置為使其執(zhí)行壓力變送器1的自測試。為此目的，將測試電壓施加到膜電極9和相對(duì)體電極10或其之間。其電壓值通過操作電路32可變或可修改的所施加的測試電壓導(dǎo)致電極9和10之間的距離的改變。在施加測試電壓期間，確定電橋電壓和/或其進(jìn)程與電容和/或其進(jìn)程的比?；诖吮?，可判斷是否在壓力變送器內(nèi)存在改變。

如果此比落在公差范圍外，則檢測到壓力變送器1中的改變，且如果此比處在公差范圍內(nèi)，則檢測到在壓力變送器中不存在改變。

參考標(biāo)記列表

1壓力變送器

2壓力傳感器

3測量膜

4集成的電阻元件

5第一相對(duì)體

6第二相對(duì)體

7壓力室

8橋接電路

9膜電極

10相對(duì)體電極

11填充材料

12開口

13第一凹陷空隙

14第二凹陷空隙

15孔

16凹陷空隙

17絕緣體板

18第一軸向凸耳

19第二軸向凸耳

20凹陷空隙

21軸向孔

22第一壁組件

23支承體

24基板

25密封邊沿

26第二壁組件

27電套管

28接合線

29參考空氣管

30填充管(37)

31室孔

32操作電路

ub電橋電壓