双范围高精度压力传感器的制造方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]许多传感器使用所谓的MEMS (微机电系统)技术来以相对低的成本实现高性能电子装置。一种这样的传感器是使用MEMS压力转换器(transducer)的流体压力传感器，该传感器的示例公开于名称为“Differential Pressure Sensor Device (差示压力传感器装置)”的美国专利8，466，523中，该专利的全部内容以引用方式并入本文中。
[0002]简言之，MEMS压力转换器包括小而薄的硅膜片，在该硅膜片上形成压阻电路，通常为电子领域的普通技术人员熟知的惠斯通电桥。由施加到膜片的压力造成的膜片挠曲改变桥电路中的压电电阻器的电阻值。联接到桥电路的电子电路检测压阻桥电路的电阻变化，并且输出电信号，该信号随膜片挠曲变化并且因此表示施加到膜片的压力。输出信号通常是直流电压，其量值随施加的压力变化并且因此对应于所施加的压力。
[0003]虽然MEMS压力转换器已证明是坚固、准确和相对低成本的，但从MEMS压力转换器输出的信号通常是非线性的。它们也可能在不同的MEMS压力转换器装置之间大幅地且不可预测地变化。因此，往往需要“处理”从MEMS压力转换器输出的信号，以便提供在施加到MEMS压力转换器的压力的预定范围内线性地变化的电信号。
[0004]使用MEMS压力转换器的流体压力传感器通常对从MEMS压力转换器输出的电信号执行各种预定的数学运算，以便提供在施加到MEMS压力转换器的压力的预定范围内线性地或至少基本上线性地变化的信号。这些数学运算优选地由数字信号处理器(DSP)执行，数字信号处理器被编程有指令，所述指令在被执行时补偿或调整来自MEMS压力转换器的非线性输出信号，以提供在压力的范围内线性地变化的信号。
[0005]在诸如内燃发动机燃料喷射的一些压力感测应用中，可能希望或者甚至有必要提供燃料轨压力的适当地准确的测量值，该压力可能在I巴(I大气压)至多达500巴(500大气压)之间变化。然而，出于经济目的或排放控制目的，可能有必要更准确地测量在不同的压力范围内的燃料轨压力。
[0006]使用处理器来补偿MEMS压力转换器的输出的现有技术压力传感器的一个问题是，处理器不能根据不同要求自主地改变其编程参数，以便提供在较窄的压力范围内具有较高准确度的输出信号。换言之，使用预编程的处理器来补偿MEMS压力转换器的输出的现有技术压力传感器不能够提供“双范围”(dual range)或“多范围”(mult1-range)压力感测能力，即，具有不同的“灵敏度”的压力传感器。换句话说，如果单个压力传感器外壳(其可在单个位置处附接到加压流体)可提供一个或多个不同的输出信号，输出值可在相同的下限和上限之间变化但对不同范围的输入压力做出响应，则是相比现有技术的一个改进。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例涉及具有两个或更多个压力范围的高精度压力传感器，该传感器由多个微机电系统(MEMS)压力转换器形成，这些压力转换器安装在外壳内部且联接以感测加压流体。MEMS压力转换器的非线性输出由对应的多个处理器(优选DSP)线性化，每个处理器联接到对应的MEMS压力转换器并且从其接收MEMS压力转换器输出信号。每个处理器生成被被施加压力输出信号，该信号表示施加到MEMS压力转换器的压力，其为来自MEMS压力转换器的输出信号的线性化和数字化版本。从多个处理器输出的数据在串行数据总线上串行地传输，其中每个处理器输出与不同压力范围有关的压力数据。
【附图说明】
[0008]图1是双范围高精度压力传感器的剖视图；
图2是图1所示压力传感器的分解图；
图3是图1所示压力传感器穿过剖面线3-3的俯视图；
图4A是采用MEMS压力转换器的高精度压力传感器的电子器件的框图表示；
图4B描绘了由处理器计算以便提供如图5所示MEMS压力转换器输出电压的线性化的多项式函数的形式；
图5是来自两个MEMS压力转换器处理器的输出电压的图线；
图6A和图6B描绘了示出方法步骤的流程图，通过该方法使用两个MEMS压力转换器和两个对应的处理器生成表示流体压力的高精度双范围信号，该处理器接收并线性化压力转换器的输出；
图7描绘了在三线单边半字节传输(SENT)总线上的数据传输；以及图8描绘了如何在串行数据总线上顺序地发送多个压力测量值。
【具体实施方式】
[0009]图1是双范围高精度压力传感器100的剖视图。图2是压力传感器100的分解图。
[0010]压力传感器100包括外壳102，外壳102又包括也简单地称为“流体端口” 104的流体压力端口 104，流体端口 104是在第一端部106处打开并且在相对的第二端部108处关闭的细长圆柱体。如图1中最清楚地看到的，作为圆柱体，流体端口 104至少从第一端部106直到基本上平坦的第二端部108为中空的。
[0011]第二端部108具有外顶部表面110，该表面为基本上平坦的并且支撑玻璃基座112、114。玻璃基座112、114通常由环氧树脂附接到顶部表面110。但它们也支撑对应的微机电系统(MEMS)压力转换器116、118。换言之，每个基座112、114分别支撑MEMS压力转换器 116、118。
[0012]MEMS压力转换器116、118和其安装基座112、114是本领域熟知的。MEMS压力转换器在前述公布的美国专利8，466，523中有所描述，该专利的全部内容以引用方式并入本文中。
[0013]流体压力端口 104、玻璃基座112、114和MEMS压力转换器116、118尺寸设计和成形为装配在带螺纹的壳体120内，壳体120的中心内部为中空圆柱体121。带螺纹的壳体120内部的中空圆柱体121的内径尺寸设计成与流体端口 104配合并接纳流体端口 104。换句话讲，流体端口 104的外径使得流体端口 104紧密地装配在形成于带螺纹的壳体120内部的中空圆柱体121内部。
[0014]如图1中最清楚地看到的，流体端口 104具有长度L，该长度延伸穿过带螺纹的壳体120，并且也如图2中最清楚地看到的那样穿过具有圆形中心开口 124的六边形螺母122。六边形螺母或“六角”螺母122被施加到和胶合或超声焊接到带螺纹的壳体120的顶端126。流体端口 104也延伸穿过圆形中心开口 124并且进入环形印刷电路板130中的居中定位的开口 128内。
[0015]如在图1和图2两者中可见的，印刷电路板130支撑多个电子部件。这些部件包括至少一个集成电路芯片132。
[0016]如本文所用，“芯片”(die)是指半导体材料的小块体，一个或多个功能电路加工在该块体上。术语数字信号处理器和“DSP”均指具有为数字信号处理而优化的架构的专用微处理器。半导体芯片和DSP是半导体领域的普通技术人员熟知的。
[0017]在附图中，硅芯片132使用已知技术加工以提供或包括至少两个相同但分开地且独立地可编程的DSP，这意味着它们可以被不同地编程。由于其较小的尺寸和其嵌入硅芯片132中且形成硅芯片132的一部分，DSP在图1或图2中是不可见的。然而，DSP彼此在功能上分开且独立。
[0018]仍然参看图1和图2，环形印刷电路板130紧密地装配在基本上圆柱形的钢管134内，钢管134保护电路板130和其承载的部件不受物理损坏。管134的顶部边缘136被嵌入环氧树脂密封剂138的超环面形层中，该密封剂提供气密密封。密封剂138和管134装配在模制