相对压力传感器的制作方法

本发明涉及一种使用电容式压力测量单元进行的相对压力测量方法以及相对压力测量单元。

背景技术：

在现有技术中已知有各种相对压力传感器。相对压力传感器用于测量待测介质中的压力和当前给定的大气压力之间的压力差。这种相对压力传感器由基体制成，基体和在边缘处与其连接的测量膜一起形成传感器室和/或压力室。为了测量相对压力，经由基体侧的通气口将基准空气引入传感器室中，其中这里，待测量的压力作用在测量膜的背离传感器室的表面上。由此引起的测量膜的变形表示相对压力的测量值，其被转换为测量信号。

使用间隔件将包括基体烧结体和膜烧结体的陶瓷电容式压力测量单元的边缘彼此焊接或硬焊接，以形成传感器室。这里，所使用的焊料或活性硬焊料(例如，玻璃料)本身用作间隔件。

这里，在组装基体和膜体之前，通常通过溅射钽或者通过厚层金丝网印刷法将基体电极和膜电极施加在基体和膜体的形成传感器室的室壁的表面上。

当经由通气口供给基准空气时，水分进入传感器室，当露点下降时，水分会在这里冷凝，如此这会使功能受损。由于水的积聚，有效电极表面的介电常数会受损，从而导致虚假的测量结果。

为了改善耐湿性，根据ep1061351a1提出了用疏水性材料(优选使用硅烷)来完全涂布这种压力测量单元的传感器室的内表面。由于这种包含硅烷或硅烷化合物的涂层在性质上是有机的这一事实，所以其可用的温度范围是有限的。这里给出的另外的缺点是，由于这种涂层的温度限制，所以只能在使膜和基体结合之后借助使用通气口在基体中产生的真空来产生这种涂层，即，这里需要较高的技术生产成本。

此外，从ep2463635a1中已知一种压力测量单元，其中简化了生产过程，使得在膜和基体结合之前，将疏水性玻璃涂层涂布到预先设置有电极的基体和膜的整个表面上。

技术实现要素：

由于利用上述设计方法不可能完全防止测量室内的所有冷凝这一事实，因此仍然会发生由冷凝导致的虚假测量结果。这促成了本发明的目的。该目的通过下述的用于测定输出值的方法以及下述的相对压力传感器来实现。优选实施方案示出了有益的进一步发展。

根据本发明，提供了一种用于使用具有在基体和测量膜之间形成的至少一个测量电容以及在所述基体和所述测量膜之间形成的至少一个基准电容的相对压力传感器来测定输出值的方法，所述输出值等于压力或与所述压力成比例的值，其中所述输出值的测定至少包括以下步骤：测定测量电容的值；测定基准电容的值；将所述基准电容的预定第一函数的值与所述测量电容的值进行比较；和将以下值作为显示值发出：如果所述测量电容的值等于取决于所述基准电容的第一函数的值，则发出取决于所述测量电容和所述基准电容的第二函数的值；如果所述测量电容的值大于第一函数的值，则发出取决于所述基准电容的第三函数的值；以及如果所述测量电容的值小于第一函数的值，则发出取决于所述测量电容的第四函数的值。

这里，本发明基于以下这样的认识，例如，尽管测量膜和基体的彼此面对的表面是疏水性的设计，但是仍不能完全防止传感器内的水分的所有冷凝，然而这种冷凝通常最初仅影响在压力测量单元内部构成的其中一个电容器。另一个认识是，在没有任何冷凝的正常条件下，测量电容的值可以表示为由压力引起的变化所产生的基准电容的函数，该变化总是影响在压力下会发生变化的所有电容值，可以测定哪些电容受到介电常数的冷凝相关的变化的影响，并且可以基于未受影响和/或不是虚假的电容发出输出值。这里，尽管接受在测定输出值时的精度损失，但是相对于由冷凝造成的虚假的输出值，其仍然表现出了改进。

在根据本发明的方法的进一步改进中，可以对所述输出值额外地进行温度和/或湿度的补偿。这里，通过测定传感器内部的温度和/或湿度，当计算输出值时可以测定并考虑电容的温度引起的变化以及基于由于升高的湿度而改变的介电常数所引起的电容变化。

另外地或可选择地，第一函数可以考虑例如+/-1％的偏差，从而只有在实际上已经测定出液滴的形成对其中一个电容产生了相当大的影响时，才会发生向仅取决于基准电容或仅取决于测量电容的输出值的计算的任何转移。

根据本申请的相对压力传感器包括在基体和测量膜之间形成的至少一个测量电容以及在所述基体和所述测量膜之间形成的至少一个基准电容，并且所述压力传感器包括具有存储器和比较单元的传感器电子元件，其中在所述存储器中保存有：取决于所述基准电容的所述测量电容的至少一个第一函数，用于根据所述测量电容和所述基准电容来测定输出值的第二函数，用于根据所述基准电容来测定输出值的第三函数，以及用于根据所述测量电容来测定输出值的第四函数，所述测量电容和第一函数的值被供给到所述比较单元以进行比较，并且根据所述比较将以下值作为所述输出值发出：在所述测量电容的值等于第一函数的值的情况下，发出第二函数的值；在所述测量电容的值大于第一函数的值的情况下，发出第三函数的值；以及在所述测量电容的值小于第一函数的值的情况下，发出第四函数的值。

通过传感器的适宜的实施方案，实现了以下内容：在正常情况下(即，当不存在由传感器内部的水分的冷凝所引起的影响时)，将取决于测量电容和基准电容的函数的值作为输出值发出。在这种情况下，通过对输出值的适当计算，这里可以补偿影响两个电容(即，测量电容和基准电容)的干扰影响。在两个电容中的一个因冷凝受损的情况下，可以通过将测量电容的值与第一函数的值进行比较来对其进行测定，然后可以使用未受影响的电容对输出值进行计算。

在所述压力传感器上或所述压力传感器中，优选在所述基体和所述测量膜之间形成的测量室中，可以设置有温度传感器和/或湿度传感器以补偿温度和/或湿度引起的(即，由空气湿度引起的)偏差。利用这种实施方案，实现了以下内容：检测测量单元内部的温度和/或湿度的值并且当计算输出值时可以考虑该温度和/或湿度的值。

由于传感器包括用于评估的其它测量电容和/或基准电容这一事实，所以存储器中可以包含用于测定测量值和补偿测量值以及用于由冷凝引起的电容偏差的相互监测的额外函数。

例如，如果测量单元包括一个测量电容和两个基准电容，那么有利地，可以在存储器中保存七个函数。也就是以下这些函数：

用于根据测量电容、第一基准电容和第二基准电容计算输出值的函数，

用于根据测量电容和第一基准电容计算输出值的函数，

用于根据测量电容和第二基准电容计算输出值的函数，

用于根据第一基准电容和第二基准电容计算输出值的函数，

用于根据测量电容计算输出值的函数，

用于根据第一基准电容计算输出值的函数，

用于根据第二基准电容计算输出值的函数，

其中，这里根据哪些电容受到了冷凝的影响来选择测定输出值的适当函数。可以基于保存在存储器中的控制函数来得出一个或多个电容受冷凝影响的结论。

这样，可以进一步改进测量。

附图说明

在下文中，参照附图基于示例性实施方案对本发明进行更详细地说明。

在附图中：

图1示出了根据本发明的压力传感器1的原理的示意图，和

图2示出了受到持续湿度影响的第二函数和第三函数的比较图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的压力传感器1的原理的示意图。

图1示出了压力传感器1的纵剖面图，其中压力传感器1基本上包括基体3以及经由间隔件13设置在基体3上的测量膜5。

在基体3和测量膜5的彼此面对的表面上设置有电极以形成测量电容cm以及基准电容cr。为此，在图1所示的示例性实施方案中，在测量膜5上设置有膜电极7，其基本上覆盖测量膜5的面向基体3的整个表面，以及在基体3上居中地配置有构造成圆形的测量电极9和包围测量电极9的环形参比电极11。在本示例性实施方案中，基体3的设置有测量电极9和参比电极11的表面上设置有第一疏水性涂层15，并且测量膜5的设置有膜电极7的表面上设置有第二疏水性涂层16。如本示例性实施方案中所示，疏水性涂层15和16分别设置在装配有电极9和11的基体3以及装配有电极7的测量膜5的整个表面上，这对于本发明的测量单元1的制造特别有利。

膜电极7以及测量电极9和参比电极11通过穿过基体3的线路都与传感器电子元件21连接。在本示例性实施方案中，配置在间隔件13中的温度传感器18的信号以及配置在测量膜5和基体3之间的测量室6中的湿度传感器19的测量信号被另外地分配到传感器电子元件21中。在传感器电子元件21中配置有存储器23以及比较单元25，在存储器23中保存有用于根据基准电容cr来计算测量电容cm的至少一个第一函数fz。此外，在存储器23中还保存有用于基于测量电容cm和基准电容cr来计算输出值a的第二函数fq，用于基于基准电容cr来计算输出值a的第三函数fcr，以及用于基于测量电容cm来计算输出值a的第四函数fcm。所有函数都可以以存储在存储器23中的闭合形式以及数值表的形式来保存。

将测量电容cm的值以及经由第一函数fz计算的测量电容的值供给到比较单元25中。根据这两个值的比较结果，在本示例性实施方案中，使用不同的电容cm和cr来计算输出值a。

已经表明，在许多情况下，由于测量室6中湿气的冷凝，最初仅电容cm和cr中的一个受到影响，并且即使在较高湿度影响的情况下，这种情况也经常保持较长的时间段。这是由涂层15和16的疏水性表面所产生的液滴状冷凝物以及由于在测量单元1上的温度分布而局部产生的冷凝物所引起的。一旦第一液滴在测量室6中的至少两个压力-相关的电容cm和cr中的一个内部冷凝，那么由于液体水的高介电常数这个电容就会急剧增大。由于在电容的压力相关的变化的情况下，总是所有的压敏电容值都发生改变并且这里遵循由几何形状预定的比率这一事实，由冷凝所引起的电容的任何变化都可以如此进行检测，并且可以激活在传感器电子元件中的算法，用于调整对测量值的计算。在这种情况下，输出值a和/或压力值的这些计算可以转换成仅基于不受冷凝影响的电容的特性。取决于压力测量单元1中使用的电容的配置和数量，这导致相对于在干燥条件下的所有电容的恶化的测量精度，然而，与使用受冷凝影响的电容的测量相比，测量精度的提高仍然很高。通过所述的程序，对于许多应用，在改变环境条件再次使传感器1变干之前可以维持压力传感器1的足够的功能性，并且因此现在可以使用所有电容来计算输出值a。

图2示出了两种特性随时间的变化，其中在处理侧(即，从测量膜5侧)作用于当前测试的陶瓷电容式相对压力传感器超过900h以上，循环过程如下：

8℃的水23h；

20℃的水1h；

压力：50mbar，当改变水时具有较小的峰。

在处理环境外作用于压力传感器1上的环境大气条件如下：

温度：25℃

相对湿度：98％。

在这些条件下，通过900h以上来测定输出值a，其中第一特性201显示出使用测量电容cm和基准电容cr来计算输出值a，第二特性202显示出仅基于基准电容cr来计算输出值。在图2中，可以清楚地看出，在大约160h之后，在测量室6中形成的冷凝在第一特性201上显示出朝向较高测量值的趋势，而对于仅基于基准电容cr的第二特性202来说未观察到变化。从图2可以看出，根据第一特性201的输出值在上述条件下大约从600h开始增加到如下这样的程度，在这里施加50mbar的压力下，部分值显示高达250mbar的压力，并且当改变水时甚至超过600mbar的压力。

附图标记列表

1压力传感器3基体

5测量膜6测量室

7膜电极9测量电极

11参比电极13间隔件

15第一疏水性涂层16第二疏水性涂层

18温度传感器19湿度传感器

21传感器电子元件23存储器

25比较单元

a输出值p压力

z偏差cm测量电容

cr基准电容cr2第二基准电容

fz第一函数fq第二函数

fcr第三函数fcm第四函数