使用双面电容传感元件的双输出差分压力传感器的制作方法

本申请要求于2014年1月17日提交的题为“使用双面电容传感元件的双输出差分压力传感器”的美国专利申请No.14/158213的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术：

电容压力转换器使例如通过流体施加到其隔膜的压力变化转变为对应的电容变化以实现压力测量。在隔膜的后面是具有平行偏置导电板的压力腔，该导电板组成可变电容器以探测由于施加到隔膜上的压力造成的应变，其中平行偏置导电板的一个处于相对于隔膜固定的位置，另一个则附着到隔膜上。

典型的压力传感器包括两个主要的部分：(i)受压力变化影响的元件，如电容压力转换器，和(ii)用于提供调制电信号到电容压力转换器，以及用于探测由电容压力传感器根据压力变化施加在调制信号上的影响的电子器件。

典型的电容压力转换器使用金属、陶瓷或硅隔膜，一个平行偏置导电板被附连到该隔膜上。另一个板被附连到对压力变化不敏感的基底上。压力变化引起隔膜弯曲，从而改变平行偏置导电板之间的距离，引起可测量的电容变化。这个变化可能是或可能不是线性的，并且通常不超过5-100pF总电容中的几皮法。电容的这个变化可以用于控制振荡器的频率或用于改变AC信号的耦合。用于信号调节的电子器件通常靠近转换元件，防止由于杂散电容造成的误差。

技术实现要素：

本发明的示例实施例是差分压力转换器，其具有带有第一偏转表面的第一压力转换器和带有第二偏转表面的第二压力转换器，第一压力转换器与第一基底集成，第二压力转换器与第二基底集成。第一压力转换器配置为暴露于第一瞬态流体，第二压力转换器配置为暴露于第二瞬态流体。第一和第二压力转换器布置为各自的偏转表面从彼此向外指向，并且其所处的距离范围使得当一起观察偏转表面时，在产生第一和第二瞬态流体的差分压力测量的表达中能够消除第一和第二瞬态流体压力的共模表达。或者，第一和第二基底以背对背的布置直接附着在一起或附着到中间介质，如第三基底或结构。

在本发明的示例实施例中，差分压力传感器的第一和第二基底是共同基底的相反体(opposing volumes)。

在一个实施例中，第一和第二压力转换器布置为以它们各自的偏转表面沿相对于偏转表面共同垂直轴线彼此向外面向。

第一和第二瞬态流体可以是在流动通道内不同位置处的相同流体。隔膜可以是能够承受暴露于腐蚀性或苛性流体的陶瓷隔膜。

在另一实施例中，第一和第二偏转表面是各自第一和第二隔膜的表面，第一和第二隔膜借助各自的间隔器从各自的基底偏置，该间隔器配置为在第一和第二隔膜内表面与各自基底之间放置间隙。间隔器可以由玻璃制成。

在又一实施例中，第一和第二压力转换器中的每个包括隔膜，第一和第二导电板电极平行布置，并且第一和第二电极引线与各自的导电板电极电连通。第一导电板电极位于各自隔膜的内表面上，第二导电板电极位于各自的基底上。第一和第二导电板电极通过各自相对的导电板电极之间的间隙偏离。间隙距离基于由各自瞬态流体施加到各自隔膜的对应压力变化而变化。间隙距离的变化引起各自第一和第二板相关联的电容变化。

隔膜可以是陶瓷隔膜。

本发明的另一示例实施例是转换压力的方法，包括响应于与第一瞬态流体相关联的压力变化改变与第一偏转表面相关联的第一电容，响应于与第二瞬态流体相关联的压力变化改变与第二偏转表面相关联的第二电容，以及结合第一和第二电容的变化，包括在产生第一和第二瞬态流体的差分压力测量的表达中消除由第一和第二瞬态流体向第一和第二偏转表面施加的共模压力表达。

在一个实施例中，改变第一电容和改变第二电容在共同基底的相反面上进行。

在另一实施例中，改变第一电容和改变第二电容沿相对于偏转表面的共同垂直轴线发生。

在又一实施例中，响应于与各自瞬态流体相关联的压力变化改变第一电容包括借助间隔器保持第一和第二隔膜远离它们各自基底的间隔，间隔器限定第一和第二隔膜内表面与各自基底之间的间隙距离，并且响应于与各自瞬态流体相关联的压力变化改变间隙距离。间隔器可以是玻璃间隔器。

在另一实施例中，保持第一和第二隔膜之间的间隔包括保持与隔膜内表面及它们各自基底相关联的导电板电极之间的间隔。导电板电极形成具有第一和第二电容的第一和第二电容器。

在一个实施例中，响应于与各自瞬态流体相关联的压力变化改变间隙距离包括响应于与各自瞬态流体相关联的压力变化改变第一和第二电容。

本发明的示例实施例是测量两瞬态流体中压力的方法，包括将第一隔膜的偏转转换为与第一隔膜相关联的第一电容、将第二隔膜的偏转转换为与第二隔膜相关联的第二电容、测量第一和第二电容的变化、在产生和输出第一和第二瞬态流体的差分压力测量电信号表达中消除各自第一和第二瞬态流体的共模压力表达。第一隔膜响应于第一瞬态流体的压力变化偏转，第二隔膜响应于第二瞬态流体的压力变化偏转。

本发明的另一示例实施例是差分压力传感器，包括可配置为与第一瞬态流体压力连通的第一电容压力转换器、可配置为与第二瞬态流体压力连通的第二电容压力转换器，以及配置为测量响应于各自瞬态流体压力变化的第一和第二电容压力转换器电容变化的电子电路，该电子电路配置为输出第一和第二瞬态流体差分压力测量的表达。第一压力转换器与第一基底集成，第二压力转换器与第二基底集成。第一和第二基底以在产生第一和第二瞬态流体的差分压力测量表达中能够消除第一和第二瞬态流体的共模压力表达的方式布置。

在一个实施例中，第一和第二基底是共同基底的相反体或直接联接在一起或通过中间基底或结构联接的分离基底。

在另一实施例中，电子电路包括配置为从第二电容压力转换器测量信号减去第一电容压力转换器测量信号的差分器。

在又一实施例中，电子电路还配置为输出表示第一瞬态流体和/或第二瞬态流体绝对压力的至少一个信号。

本发明的示例实施例是内燃发动机，包括第一和第二瞬态流体、配置为控制发电机操作特征的发动机控制器以及具有与发动机控制器电连通的压力转换器对的传感器，该传感器输出没有第一和第二瞬态流体的共模表达的第一和第二瞬态流体差分电压至控制器。

在一个实施例中，内燃发动机还包括具有进气压力和排气压力的排气气体循环阀。压力转换器对配置为测量进气压力和排气压力的瞬态流体压力，并且提供不存在共模表达的测量压力至控制器。

在另一实施例中，内燃发动机还包括具有流入压力和流出压力的柴油微粒过滤器。压力转换器对配置为测量流入压力和流出压力的瞬态流体压力。

附图说明

如附图说明的，通过本发明的示例实施例的以下更具体的描述，前述将变得清晰，在附图中不同视图里相同的参考标记指相同的部分。附图不一定是按比例的，相反，重点放在说明本发明的实施例上。

图1A和1B分别是具有本发明元件的双面压力转换器的透视和剖视图。

图2是采用依据本发明实施例的图1A和1B的双面压力转换器的压力传感器的框图。

图3是采用依据本发明实施例的图1A和1B的双面压力转换器的柴油内燃发动机的示图。

具体实施方式

本发明的示例实施例的说明如下：

本文在一个实施例中描述了基于共享共同基底的两个电容传感元件的差分压力传感器。在这样的实施例中，共同基底降低了传感元件的成本，降低了包装的复杂性，并且通过平衡电容传感元件的隔膜之间的温度有助于传感器的热稳定性。

此外，双输出专用集成电路(ASIC)可以用来提供差分压力输出信号和绝对压力输出信号。基于两个电容传感元件布置的差分压力输出信号提供了由两个电容传感元件转换的压力的差分压力测量表达(带有共模滤波的)，而绝对压力输出信号同时提供了由一个(或两个)电容传感元件转换的压力的绝对压力测量表达(不带共模滤波的)。此功能消除了用分离的传感元件来测量绝对压力的需要。这里的术语“滤波”可替代地称为取消或减去。如在本领域理解的，可以采用替代的模拟或数字技术来实现共模的去除。这里示出了这样的示例，在产生不带共模的表达时减去了包括共模的两个表达的两个电信号。

差分压力传感器检测两个(或多个)压力之间的差异。产生要检测的压力的媒介例如是气体或液体，本文一般称为流体。差分压力传感器可以分为两大类：真实差分压力传感器和两个传感元件压力传感器。

真实差分压力传感器采用真实差分转换器。压力施加到转换器单一隔膜的每个面，并且单一隔膜与压力差成正比地朝向较低压力面偏转。合适的探测方法被用于测量隔膜偏转，如通过使用应变仪测量或电容测量。真实差分传感器的优点是其承受大共模压力的能力。其主要缺点是用于测量隔膜偏转的传感器(即应变仪、电容电极等)暴露于压力媒介中，该压力媒介可能是恶劣的和腐蚀性的。克服这个问题的一个方法是从媒介隔离隔膜，使用油体和隔离膜来传递压力到隔膜。然而，这种方法增加了复杂性、不准确性、温度敏感性和成本。

两个传感元件压力传感器利用两个分离的转换元件来独立测量压力。使用合适的电子电路计算测得压力之间的差异，如果传感器包括微控制器以进行一些计算，那么可以采用计算单元。两个传感元件压力传感器方法的示例优点是用于测量隔膜偏转的传感器(即电容压力转换器的电容板)不暴露于压力媒介中，结果是当放置于恶劣环境中时增加了坚固性。

图1A和1B分别是根据本发明实施例的双面压力转换器的透视和剖视图。此示例实施例包括在基底120第一面上的第一隔膜110a以形成第一压力转换元件101a，并且将第二隔膜110b放置在基底120的第二(相反)面上以形成第二压力转换元件101b。两个压力转换元件101a、101b可以是相同的，或可以通过改变隔膜110a、110b的厚度、隔膜110a、110b的直径或导电板电极141a、141b、142a、142b的设计分别定制以满足不同压力要求。

虽然两面共享相同的基底220，但是它们基本上是独立的转换元件并且为了制造的考虑可以与相同的或独立的基底(未示出)集成。在后者的情况下，独立基底以背对背的布置放置在一起以在装配独立压力转换元件之后形成共同基底220，或以别的方式通过第三基底或其它结构或结构元件(如机械组件的平硬壁，如内燃发动机的内壁)联接在一起。

在一个实施例中，每个压力转换元件101a、101b是在其中限定传感电容器的电容转换元件。传感电容器配置为对应关联的柔性隔膜110a、110b偏转而改变电容。隔膜110a、110b可以独立地暴露以与瞬态或稳态流体流体接触，并且响应于由对应流体施加的压力变化而偏转。

间隔器130a、130b隔离压力转换元件101a、101b的内腔123a、123b(图1B)，以保护由在内腔内的平行导电板限定的传感电容器，避免暴露于检测环境内的流体或其它基底。

图1B示出了图1A的双面电容压力转换器100。在图1B中，在基底120的相反面上示出了两个压力转换元件101a、101b。第一压力转换元件101a安装在刚性基底120的第一面，并且具有通过内腔123a中的小间隙与基底120分离的柔性隔膜110a。内腔123a和间隙通过间隔器130a将隔膜110a的内表面粘合到基底120的第一表面而形成。间隔器130a将隔膜110a连结到基底120，并且建立印刷在基底120第一(上)表面上的导电板电极142a与建立印刷在第一隔膜110a内表面上的导电板电极141a之间的间隙。此间隔器130a通常是非导电材料(如玻璃)，其在高温下融合到基底120和对应隔膜110a以产生气密封。电极引线121、122(如图1A所示)包括在基底120的第一表面上，并且使得能够分别实现到导电板电极141a、142a的外部电连接。之间具有间隙的这些导电板电极141a、142a形成第一压力转换元件101a的传感电容器，如图1B所示。

第二压力转换元件101b安装在刚性基底120的相反或第二面，并且具有通过对应内腔123b中的小间隙与基底120分离的柔性隔膜110b。间隙通过间隔器130b将隔膜110b的内表面粘合到基底120的第二(下)表面形成。间隔器130b将隔膜110b连结到基底120，并且建立印刷在基底120第二(下)表面上的导电板电极142b和建立印刷在隔膜110b内表面上的导电板电极141b之间的间隙。此间隔器130b通常是非导电材料(如玻璃)，其在高温融合到基底120和对应隔膜110b以产生气密封。电极引线(未示出)包括在基底120的第二表面上，并且使得能够实现外部电连接到导电板电极141b和142b。之间具有间隙的这些导电板电极141b、142b形成第二压力转换元件101b的传感电容器，如图1B所示。

图1A和1B示出了隔膜110a、110b为彼此平行的平面，这里还描述为沿相对于偏转表面(即隔膜110a、110b)的共同垂直轴线彼此向外指向。在替代实施例中，隔膜110a、110b可以是非平行的，如二者都以相同的方向倾斜(即相对于彼此顺时针和逆时针旋转)相同的角度，如±5度、±10度、±30度或其它继续能够探测共模压力并且在产生由转换器检测的压力差分表达中去除该共模压力的表达的角度。

电容转换元件201a、201b的电容值C通常在皮法(10^-12F)范围内，并且通过以下等式给出：

C＝(ε*A)/d,

其中，“ε”是间隙中介质(通常为空气)的介电常数，“A”是电极的面积，并且“d”是导电板电极之间的距离或间隙。当隔膜110a、110b在压力下偏转时，对应的间隙减小，导致电容增加。通常，信号调节电路将电容转换为校正为与施加的压力成正比的电压或数字信号。此外，参考导电板电极可以添加到基底的任一面和一个隔膜的边界附近，使得它的值不随压力变化。此参考导电板电极可以用于补偿温度效应，如玻璃间隔器的热膨胀。为了简化，参考导电板电极没有在图1A和1B中明确示出。

图2是采用依据本发明实施例的图1A和1B的双面压力转换器的压力传感器的框图。两个压力转换器201a、201b是图1A和1B所示的双面转换元件的独立压力转换器。

参考图2，压力传感器200以提供了两个传感器输入端口222a、222b和两个传感器输出端口280、270的专用集成电路(ASIC)260为特征。输入和输出端口可以支持模拟或数字信号。

压力传感器200具有连接到ASIC260的两个输入端口222a、222b的两个压力转换器201a、201b。ASIC260具有来自信号减法单元265的一个专用的差分输出端口270和来自对应于压力转换器201a、201b中一个的信号调节器261a、261b中一个的绝对压力输出端口280。与两个转换器之间的差分压力一起，对应于两个压力转换器201a、201b中一个的绝对压力输出使得能够计算共模压力(即施加到压力传感器200的压力转换器201a、201b两者上的共同压力)，根据差分压力输出的正负通过从绝对输出加上或减去差分输出计算。

理解图2的另一方法是考虑与专用集成电路(ASIC)260或其它形式的电路(未示出)电连通的第一和第二电容压力转换器201a、201b。电容压力转换器201a、201b将它们各自隔膜的偏转转换为与它们各自传感电容器202a、202b相关联的作为电容函数的各自的电信号222a、222b。电容压力转换器201a、201b的隔膜响应于各自瞬态流体的压力变化而偏转，引起它们各自传感电容器202a、202b的对应电容变化。ASIC260借助激励信号221a、221b(即随时间变化的电压)激励电容压力转换器201a、201b的传感电容器202a、202b，并且接收由电容压力转换器201a、201b的传感电容器202a、202b调制的各自电信号222a、222b。

通过降低噪音或干扰或增强信号强度，信号调节器261a、261b(即前置放大器或放大器)准备电信号222a、222b，用于例如进一步放大或处理。信号调节器261a、261b输出调节的信号223a、223b到减法电路(即全差分放大器)，该减法电路配置为从调节的信号223a、223b减去由压力转换器201a、201b转换的表示共模压力的电压或电流，并且产生差分输出信号270。差分输出信号270表示调节信号223a、223b之间的电压差。以这种方式，差分输出信号270是电容压力转换器201a、201b之间的压力差的表达。调节信号223a、223b中的一个或两个可以作为表示电容压力转换器201a、201b中的一个或两个的绝对压力的非差分输出信号280被输出。

图3是采用依据本发明实施例的图1A和1B的双面压力转换器的柴油内燃发动机300的图。在柴油发电机300中，来自具有本发明实施例的双面差分压力传感器301-1的差分信号311用于测量跨排气气体循环(EGR)阀301的压力差。此外，本发明的特征使双面差分压力传感器301-1能够借助节气门体302下游的歧管压力提供绝对信号312。压力信号311、312被提供到与EGR阀301和节气门体302处于控制电连通的发动机控制器399。现有技术的配置目前需要分离的压力传感器来测量歧管绝对压力(MAP)。本发明的双输出传感器详细地在图2中示出，可以通过提供跨EGR阀390的差分电压信号311和在进气歧管323中流体303的绝对压力信号312以代替现有技术的两个独立传感器EGR系统，从而降低发动机管理系统的成本和复杂度。

陶瓷隔膜的使用允许双面差分压力传感器310的两个转换器与进气歧管323中的流体303和排气歧管324中的流体304直接压力连通，而无需压力传递流体(即油)来保护隔膜。由于陶瓷在腐蚀性的环境中抵抗化学侵蚀的能力和其更高的操作温度范围，所以陶瓷材料可以承受比硅树脂或金属更恶劣的环境。采用非陶瓷隔膜的相似传感器可能需要对在内燃发动机中常见的环境的保护。

第二双面差分压力传感器301-2用于图3的柴油发电机300中以测量穿过微粒排放过滤器305的压力。第二压力传感器301-2提供差分压力输出信号321和绝对压力输出信号322到发动机控制器399。如上所述，差分压力输出信号321不包括共模压力的表达。

本发明的实施例应用到多个类型的差分压力应用中，并且特别地应用到还需要共模压力读数或对共模压力读数滤波感兴趣的应用中。采用差分压力转换器的系统的示例包括汽车、航空航天、工业和医疗系统。

虽然本发明已参考其示例实施例特别示出和说明，但是本领域技术人员将理解可以做出形式和细节上的各种变化，而不脱离权利要求涵盖的本发明的范围。