通知传感器装置和用于输出感测的警告信号的方法与流程

本发明涉及用于压差传感器的通知传感器装置和用于输出感测的警告信号的方法。

背景技术：

1、压强传感器是一种用于测量流体(即气体或液体)压强的装置。压强是阻止流体膨胀所需力的表示，通常以单位面积的力来表示。压强传感器通常充当换能器；它产生作为所施加的压强的函数的信号。

2、压差传感器测量两个压强之间的差异，每个压强连接到传感器的一侧，即压强传感器的上侧和相对的下侧。更详细地说，压差传感器测量流体的两个测量点(例如p1和p2)之间的压强差。压差传感器(或换能器)将压强差转换为可测量的电信号，以确定压差。

3、压差传感器用于测量许多性质，例如跨油过滤器或空气过滤器的压降、液位(通过比较液体上方和下方的压强)或流速(通过测量跨限制器的压强变化，即可以在油管中使用压差传感器来测量燃料管中的孔口之前和之后的压强，由此可以确定油的流速)。从技术上讲，大多数压强传感器实际是压差传感器；例如，表压传感器是一种压差传感器，其中一侧对环境大气敞开。此外，绝对压强传感器是压差传感器，其中一个压强室被封闭并包含真空。

4、这种装置可使用基于微机械或微机电系统(mems)的技术制造。用于制造压强传感器的一种常见技术是将mems装置附接到诸如陶瓷或印刷电路板(pcb)基板的基板上，伴随蚀刻和接合(bonding)技术以制造非常小的廉价装置。

5、压差传感器的一个问题是压强传感器可能会在使用寿命内漂移(drift)。如本文所用，漂移是系统或设备(这里是传感器)的属性、值或操作参数的相对长期变化。输出电平漂移表征了漂移。

6、输出电平漂移是不希望的，通常是任意的偏离。原因可能包括部件老化、温度变化或控制传感器的电压的电压调节器出现问题。

7、为了解决漂移问题，通常操作人员在一定运行时间后更换传感器装置。在缺乏对真实漂移的任何了解的情况下，必须考虑最坏的情况，以防止损坏的传感器继续运行从而缩短产品寿命并增加拥有成本。

技术实现思路

1、鉴于以上内容，本发明的目的是提供一种具有长寿命的压差传感器，特别是在预定的固定时间之后不需要更换的压差传感器。此外，一个目的是经济地制造压强传感器，即不添加用于确定漂移的昂贵电路。此外，一个目的是一种传感器，其使用户能够接收指示压差传感器的漂移的信息。

2、上述目的中的至少一个由独立权利要求解决。有利的实施例由从属权利要求解决。以下描述中提到的在独立权利要求的范围内不一定遵循的示例对于理解本发明是有用的。

3、根据一般示例，已知压差传感器可以包括用于测量指示压差的压强信号的单元。此外，传感器装置还可以包括用于测量共模信号的共模校正单元，该共模信号指示压差传感器单元的共模。

4、发明人发现，共模校正传感器可以替代地或额外地用作漂移压强传感器，用于测量共模校正传感器的漂移信号。此外，发明人发现，漂移信号可以指示压差传感器的漂移。特别地，通过将漂移传感器(即可以额外用作共模校正传感器的传感器)的输出信号与预定义阈值进行比较，可以确定漂移压强传感器的漂移是否临界，即是否高于阈值。由于漂移压强传感器和压差传感器经历相似的环境条件，例如温度、应力、电压波动、湿度，和/或漂移压强传感器和压差传感器是类似构造的，因此漂移信号指示压差传感器的漂移。因此，在由漂移压强传感器确定的临界漂移的情况下，通知单元输出压差传感器并未正常工作且需要翻新或更换的警告。

5、这种解决方案特别经济，因为可用部件可以用于传感器，即共模校正传感器可用作压差传感器的漂移压强传感器。通过进一步添加比较单元和通知单元，可以修改可用装置，使得能够确定和输出压差传感器的健康参数。

6、根据第一示例，一种通知传感器装置，用于在压差传感器的临界漂移的情况下输出警告信号，通知传感器装置包括用于测量指示压差传感器的漂移的漂移信号的漂移压强传感器，压差传感器用于测量指示压差的压强信号。

7、如本文所用，通知传感器装置例如是在诸如基板或芯片的基部上包括特定传感器和控制电子元件的装置。因此，通知传感器装置可以确定值，特别是漂移信号，并输出警告信号。如本文所用，警告信号是传达关于与预定义阈值相比的漂移的信息的任何信号。

8、尤其是，通知传感器装置包括漂移压强传感器，并且可以包括压差传感器。特别地，漂移压强传感器和压差传感器可以布置在壳体内。替代地，漂移压强传感器和压差传感器可以是两个独立的实体，例如具有相似的属性，即两个传感器等同地布置且并排布置。

9、此外，与第一示例一致，漂移压强传感器包括在对称隔膜上或在对称隔膜中形成的漂移感测单元。如本文所用，隔膜是分隔两个室并围绕其周边固定的柔性膜，其随着室中压强的差异变化而扩张到一个或另一个室中。

10、换句话说，漂移压强传感器是电子压强传感器。电子压强传感器通常使用力收集器(例如隔膜、活塞、波登管或波纹管)来测量由于施加在一个区域上的力(压强)而产生的应变(或偏离)。

11、对称隔膜具有被配置为与具有第一压强的第一流体流体连通的上侧和被配置为与具有第一压强的第一流体流体连通的下侧。换句话说，漂移感测单元被构造为作为压差传感器操作，并且被集成用于感测为零的压差。漂移感测单元的两侧都受到相同的压强，因此，漂移感测单元仅测量漂移感测传感器的误差。例如，漂移感测单元测量部件老化、温度变化、电压波动、安装应力等的影响。

12、根据示例，通知传感器装置包括压差传感器。压差传感器包括形成在差别隔膜上或差别隔膜中的压差感测单元。差别隔膜具有被配置为与具有第一压强的第一流体流体连通的上侧和被配置为与具有第二压强的第二流体流体连通的下侧。

13、换句话说，压差感测单元被构造用于测量压差，并且被集成用于感测压差。压差感测单元的上侧与第一室流体连接，压差感测单元的下侧与第二室流体连接。第一流体连接和第二流体连接没有流体地连接，因此，压差感测单元测量压差信号。该压差信号是包括压差和漂移的误差信号的叠加信号。部件老化、温度变化、电压波动等影响可能导致误差信号。如上所述，已经确定，压差传感器的误差和漂移传感器的误差可以是相似的，特别是在压差传感器和漂移压强传感器经受类似环境条件和/或是类似构造的情况下。

14、此外，根据第一示例，通知传感器装置包括比较单元，用于将漂移信号与预定义阈值进行比较，以确定压差传感器的漂移是否为临界漂移。换句话说，比较单元是评估测量信号是否达到阈值的处理单元。为了实现高精度的漂移评估，对漂移信号进行温度补偿是有利的。

15、阈值是例如预先存储的值、例如针对预定义环境条件计算的值(例如针对预定义温度或预定义湿度的阈值)、由用户设置的预定义值或在比较单元中输入的值。

16、比较单元可以例如比较从漂移传感器接收的模拟信号，或者比较单元可以实现将模拟信号转换为数字信号的进一步功能，用于比较步骤。

17、比较单元包括例如接收单元，例如模拟前端(afe或模拟前端控制器afec)。afe是一组模拟信号调节电路，它使用敏感的模拟放大器、通常是运算放大器、滤波器，有时是用于传感器、无线电接收器和其他电路的专用集成电路，以提供将各种传感器对接到天线、模数转换器或在某些情况下对接到微控制器所需的可配置和灵活的电子功能块。因此，比较单元可以由接收单元接收漂移信号并将其准备用于比较步骤，例如以产生数字信号。

18、此外，比较单元可以包括处理单元，例如模拟信号处理器或数字信号处理器(dsp)。dsp是一种专用微处理器芯片，其架构针对数字信号处理的操作需求进行了优化。dsp是在mos集成电路芯片上制造的。因此，处理单元可用于将漂移信号与阈值进行比较，以确定漂移是否是临界漂移。

19、此外，根据第一示例的通知传感器装置包括用于响应于临界漂移的确定而输出警告信号的通知单元。

20、通知单元例如是用于在信息处理系统(例如比较单元或比较单元的处理单元，例如dsp)与外部世界(可能是人类或其他信息处理系统)之间进行通信的输出装置。因此，通知传感器可以通知通知传感器装置之外的外部世界：漂移是临界漂移。

21、尤其是，通知单元可以额外输出漂移信号。因此，可以评估漂移信号以确定环境因素对漂移的贡献。这可以基于对没有通知传感器装置的传感器的进一步预测、或者对具有通知传感器装置的传感器的漂移阈值进行更精确的定义的情况。

22、此外，根据第一示例的通知传感器装置包括用于支撑漂移压强传感器和压差传感器的基部，使得漂移信号指示压差传感器的漂移。因此，确保压强传感器和压差传感器至少受到相似的环境参数，因此，漂移信号可用于估计是否必须更换压差传感器。

23、换句话说，提供了硬件部件，即基部，用于将漂移压强传感器和压差传感器机械连接到其上。例如，基部可以是容纳传感器的壳体部件。

24、根据下面描述的第二至第十个示例，通知传感器装置可以包括(但不一定需要)压差传感器。

25、更详细地，根据第一示例之外的第二示例，漂移感测单元包括用于检测漂移信号的应变计。附加地或替代地，压差感测单元包括用于检测测量信号的应变计。特别地，可以使用压阻应变计。(压阻)应变计的替代方案是例如使用电磁、压电、光学、电容、电位或力平衡效应的传感器。所有这些传感器类型都可用于确定传感器的漂移。

26、如本文所用，基于应变计的压强传感器使用压强敏感元件，其中应变计形成在隔膜上。该测量元件是上述隔膜。这种整体式罐式设计的较大优点是改进的刚性和测量高达15,000巴的最高压强的能力。

27、有利地，应变计使用粘结的或形成的应变计的压阻效应来检测由于施加的压强引起的应变，电阻随着压强使材料变形而增加。常见的技术类型有硅(单晶)、多晶硅薄膜、粘结金属箔、厚膜、蓝宝石上硅和溅射薄膜。

28、压阻效应是施加机械应变时半导体或金属的电阻率的变化。与压电效应相反，压阻效应只会引起电阻的变化，而不会引起电势的变化。

29、半导体材料的压阻效应可以比几何效应大若干个数量级，并且存在于像锗、多晶硅、非晶硅、碳化硅和单晶硅这样的材料中。因此，可以构建具有非常高灵敏度系数的半导体应变计。对于精密测量，它们比金属应变计更难处理，因为半导体应变计通常对环境条件(特别是温度)敏感，因此，特别是对于压阻应变计，漂移对于传感器来说可能是至关重要的。

30、根据第二示例之外的第三示例，连接漂移感测单元的应变计以形成漂移惠斯通电桥电路。附加地或替代地，压差感测单元的应变计被连接以形成压差惠斯通电桥电路。换句话说，漂移感测单元和压差感测单元的应变计中的至少一者连接形成惠斯通电桥电路。

31、惠斯通电桥，即漂移惠斯通电桥电路和压差惠斯通电桥电路，是通过平衡电桥电路的两个支路(其中一个支路包括未知部件)来测量未知电阻的电路。具体而言，每个惠斯通电桥电路包括四个电阻器。该电路的主要优点是能够提供极其精确的测量(与简单的分压器之类的相反)。其操作类似于原始电位器。

32、根据第三示例之外的第四示例，漂移惠斯通电桥电路的第一激励端子和压差惠斯通电桥电路的第一激励端子各自具有施加到它们的正激励电压ex+。例如，电气连接部连接漂移惠斯通电桥电路的第一激励端子和压差惠斯通电桥电路的第一激励端子。因此，漂移传感器可以识别电路的驱动器源的电压波动。

33、第四个示例附加地或替代地包括漂移惠斯通电桥电路的第二激励端子和压差惠斯通电桥电路的第二激励端子，二者都具有施加到它们的激励电压ex-。例如，电气连接部连接漂移惠斯通电桥电路的第二激励端子和压差惠斯通电桥电路的第二激励端子。因此，漂移传感器可以识别电路的驱动器源的电压波动。

34、根据第三至第四示例之外的第五示例，通知传感器装置还包括用于输出被转换的漂移信号的漂移转换单元，其中漂移惠斯通电桥电路的第一输出端子和第二输出端子被输入到漂移转换单元。

35、特别地，如果通知传感器装置包括压差传感器，则通知传感器装置还可以包括用于输出被转换的压差信号的压差转换单元，其中压差惠斯通电桥电路的第一输出端子和第二输出端子被输入到压差转换单元。

36、例如，漂移转换单元是上述afe，压差转换单元是上述afe。

37、根据第五示例之外的第六示例，通知传感器装置包括双通道转换单元，双通道转换单元包括漂移转换单元和压差转换单元。与上述第五示例相比，这是一个具有成本效益的解决方案。特别是，部件和算法可以重复使用以评估压差传感器的输出和漂移传感器的输出。

38、根据第三至第六示例之外的第七示例，通知传感器装置还包括第一求和放大器，第一求和放大器用于连接到漂移惠斯通电桥电路的第一输出端子和压差惠斯通电桥的第一输出端子。特别是，第一求和放大器连接到漂移惠斯通电桥电路的第一输出端子和压差惠斯通电桥的第一输出端子。因此，第一求和放大器可以输出经共模校正的压差信号。

39、此外，通知传感器装置还附加地或替代地包括第二求和放大器，第二求和放大器用于连接到漂移惠斯通电桥电路的第二输出端子和压差惠斯通电桥电路的第二输出端子。特别是，第二求和放大器连接到漂移惠斯通电桥电路的第二输出端子和压差惠斯通电桥的第二输出端子。因此，第二求和放大器可以输出经共模校正的压差信号。

40、可以使用第一求和放大器和第二求和放大器中的至少一个来求和两个电桥的输出。第一求和放大器和第二求和放大器中的每一个可以是模拟求和放大器，或者在替代示例中，可以实施为数字求和放大器。当可选地实施为数字求和放大器时，压差惠斯通电桥和漂移惠斯通电桥电路的输出被输入到模数转换器(adc)。输出被数字化，然后由数字第一求和放大器和数字第二求和放大器求和。在一个示例中，可以省略adc，并且可以使用模拟第一求和放大器和模拟第二求和放大器。因此，可以以模拟或数字方式执行共模校正。数字架构需要额外部件并增加复杂性。

41、根据第一至第七示例之外的第八示例，通知传感器装置还包括用于存储预定义值的存储单元，其中当漂移的绝对值超过存储的预定义值时，比较单元确定临界漂移。例如，存储单元例如是非易失性存储器，例如可擦除可编程只读存储器(eprom)。因此，即使其电源切断，也能确保芯片保留其数据。

42、根据第一至第八示例之外的第九示例，通知传感器装置还包括用于测量环境参数的环境参数传感器。例如，环境参数是基部的温度、流体的湿度、流体的压强或通知装置的运行时间。此外，比较单元基于漂移信号、预定阈值和环境参数来确定临界漂移。因此，可以为各种环境参数选择预定义值，并且因此可以更准确地确定临界漂移，并且因此可以增加压差传感器的寿命。

43、更详细地说，“任务概况”，即传感器使用寿命期间的漂移，由环境参数定义，环境参数例如压强、温度、湿度和/或其他环境参数(例如电压、振动、加速度)。根据实际任务概况，将来可能会在运行过程中重新调整基于经验的阈值。例如，由强外部电压引起的5mv偏离电压漂移可能比由于湿度增加引起的5mv偏离电压漂移更严重。因此，可以基于漂移信号和预定阈值来确定临界漂移，该预定阈值可以基于环境参数进行调整。

44、第十示例涉及用于测量压差的压差传感器系统，该压差传感器系统包括根据上述第一至第九示例中的任一个的通知装置。压差传感器系统还包括压差传感器，用于测量指示压差的压强信号。压差传感器包括形成在差别隔膜上或差别隔膜中的压差感测单元，差别隔膜具有被配置为与具有第一压强的第一流体流体连通的上侧和被配置为与具有第二压强的第二流体流体连通的下侧。

45、此外，压差传感器系统包括用于评估压强信号和漂移信号的评估单元，并且通知单元被配置用于输出压强信号和漂移信号中的至少一个。

46、例如，通过输出压强信号和漂移信号，可以确定压强因素对漂移的贡献。

47、关于上述内容，已经描述了多个单元，特别是比较单元、通知单元、转换单元、评估单元。应当理解，比较单元、通知单元、评估单元和转换单元可以与感测单元集成，例如通过形成安装在诸如陶瓷或印刷电路板的基板上的mems。替代地，比较单元、通知单元、评估单元和转换单元中的至少一个可以是外部的，例如在包括漂移传感器和/或压差传感器的基板外部的另一个处理单元中实施。

48、根据第十示例之外的第十一示例，漂移压强传感器形成为片上元件(在下文中也称为集成电路)，形成在对称隔膜上或在隔膜旁边的相同管芯(die)上，和/或压差传感器形成为片上元件(在下文中也称为集成电路)，形成在差别隔膜上。

49、特别地，隔膜可以是由半导体材料制成的薄膜，例如硅膜。半导体膜包含应变相关元件，例如在p-或n-基板内的两个扩散的n-或p-阱，用于形成例如压电电阻器。替代方案可以是可以在半导体材料上形成的应变相关测量元件，例如电容器板、压电传感器等。应变的变化可以通过可在半导体材料上形成的局部电子元件件来测量。

50、片上元件的替代方案是在隔膜上粘合或粘结的应变计。

51、根据第一至第九示例之外的第十一示例的修改，漂移压强传感器在对称隔膜上形成为片上元件。

52、如本文所用，片上元件是半导体材料(通常是硅)的一个小扁平件(或“芯片”)上的一组电子电路。例如，片上压电电阻器例如形成惠斯通电桥。这导致电路比由分立电子部件构成的电路更小、更快、更便宜几个数量级。集成电路的批量生产能力、可靠性和集成电路设计的积木式方法确保了标准化集成电路的快速采用，取代了使用分立晶体管的设计。

53、根据第十或第十一示例之外的第十二示例，压差传感器还包括一体式管芯，该一体式管芯包括对称隔膜和差别隔膜。有利的是，一体式管芯形成基部。

54、第十三示例涉及在压差传感器临界漂移的情况下输出感测的警告信号的方法。根据第十三示例的方法包括以下步骤：

55、测量指示压差传感器的漂移的漂移信号，例如通过漂移压强传感器测量；

56、基于测量的漂移信号和预定义的阈值来确定临界漂移，例如通过比较单元确定；以及

57、响应于临界漂移的确定而输出警告信号，例如通过通知单元输出。

58、关于压差传感器、漂移压强传感器、比较单元、通知单元和进一步提到的实体或单元的描述，请参阅上述示例1至12。特别地，该方法可以使用根据上述任一示例的通知传感器装置来实现。

59、第十二实施例之外的第十四实施例，该方法还包括测量环境参数的步骤，例如通过环境参数传感器测量，其中基于所测量的漂移信号、预定阈值和环境参数来确定临界漂移，例如通过比较单元来确定。

60、关于环境参数传感器的描述，请参阅上述示例1至12。特别地，环境参数传感器可用于测量基部的温度、流体的湿度、流体的压强、振动、外部电压、加速度或通知装置的运行时间。

61、第十五示例涉及一种用于输出压差传感器的可靠压差信号的方法，该方法包括以下步骤：

62、通过使用漂移传感器测量指示压差传感器的漂移的漂移信号，例如通过漂移压强传感器测量；

63、通过使用压差传感器测量压差信号，例如通过压差传感器测量；

64、比较测量的漂移信号和预定义的阈值，以确定压差传感器的漂移是否为临界漂移，例如通过比较单元比较；以及

65、响应于确定漂移是临界漂移，输出警告信号，例如由通知单元输出。

66、关于压差传感器、漂移压强传感器、比较单元、通知单元和进一步提到的实体或单元的描述，请参阅上述示例1至14。特别地，该方法可以使用根据上述任一示例的通知传感器装置来实现。