具有包括传感器元件的测量桥的传感器芯片及具有包括该传感器芯片的膜的压力传感器

摘要

本发明涉及压力传感器，该压力传感器具有膜，该膜具有传感器芯片，该传感器芯片具有包括传感器元件的测量桥。其中，该膜通过载体或作为壳体的一部分紧固在壳体中，并且该膜上能够施加工作介质。该压力传感器的特征在于，因紧固和/或安装压力传感器而产生的机械应力不影响测量结果和/或测量信号。为此，至少两个传感器芯片彼此间隔开并以一定角度彼此偏置，并且至少位于该膜的当施加压力时弯曲的一侧上。该测量桥以这样的方式被设计和/或连接到控制器，使得因紧固该膜而产生的并因此作用在该膜上的至少一个力被补偿或将被补偿。

说明书

本发明涉及压力传感器，该压力传感器具有膜，该膜具有传感器芯片，该传感器芯片具有包括传感器元件的测量桥。其中，该膜通过载体或作为壳体的一部分紧固在壳体中，并且该膜上能够施加工作介质。

根据文件DE102017214846A1，已知一种具有干扰补偿的罩壳式MEMS部件。为此，MEMS部件布置在壳体中，并且MEMS部件通过MEMS部件表面的至少50％与壳体直接机械接触。为干扰补偿提供了两种测量装置，其中一种是MEMS部件的一部分，而另一种是壳体的一部分。通过组合由此建立的测量变量，获得干扰补偿的测量变量。

文件DE202005021706U1涉及一种传感器元件，该传感器元件具有至少一个测量元件和一补偿元件，这些元件具有压电和热电特性，并配备有测量电极。用于补偿在测量信号中的干扰信号的校正信号可以从补偿元件中得到。

文件EP3418707A1公开了一种可安装的压力传感器，该压力传感器的压力通道的壁采用两部分设计，压力通道连接到测量膜。由于压力通道的两部分设计，压力输入元件的材料可以针对流体以及与流体相关的化学、热和机械负载进行专门调整。

这些文件中介绍的压力传感器使用对称布置的测量元件，这些测量元件能够承受外部寄生误差的影响。然而，这些解决方案在与实际要测量的压力有关的灵敏度方面受到限制。因此，所能达到的精度是有限的。

此外，具有集成桥结构的紧凑硅芯片是已知的，其具有更高的灵敏度。因此，根据文件DE10114862B3，已知一种具有膜和传感器芯片的压力传感器设备。在膜的一侧施加工作介质。传感器芯被布置在膜的背离该工作介质的一侧上。该传感器芯片具有测量桥，该测量桥具有四个传感器元件，这四个传感器元件形成两对平行布置的传感器元件，这两对传感器元件彼此成直角布置。该传感器芯片布置在膜的边缘上，这导致了不对称的结构。可以布置第二个传感器芯片作为冗余，这样就可以保证压力传感器设备的可靠运行。这样做的缺点是，由于这种结构，例如源于拧入压力传感器设备的机械应力或源于在传感器壳体上的任何其他机械载荷的机械应力会对传感器的测量结果和输出信号产生影响。

根据文件US2015/0377729A1，已知一种压力检测设备，其安装在测量目标仪器中。在安装期间引起的应变检测元件的变形通过多个抗应变桥被检测为压力值，并且被用于校正由介质引起的、待测量的压力。

文件DE60028678T2涉及一种用于确定测量传感器的故障或异常的系统，该测量传感器被安装在用于测量物理量或动态量的设备中。该系统适用于当在桥式电路中的电阻值因故障或损坏而发生变化时检测传感器故障。为此，基于在桥式电路两个中点之间的电压差和在桥式电路两个中点之一的电压电平与参考电压源的参考电压电平之间的电压差，来对桥式电路的故障进行判断。因紧固该膜而产生的并作用在测量传感器上的力不会被检测到。

构成在权利要求1中指出的本发明的基础的目的是以这样的方式设计压力传感器，使得因紧固和/或安装压力传感器而产生的机械应力不影响测量结果和/或测量信号。

此目的通过权利要求1中阐述的特征来实现。

该压力传感器具有膜，该膜具有传感器芯片，该传感器芯片具有包括传感器元件的测量桥。其中，该膜通过载体或作为壳体的一部分紧固在壳体中，并且该膜上能够施加工作介质。其中具体地，因紧固和/或安装该压力传感器而产生的机械应力不影响测量结果和/或测量信号。

为此，至少两个传感器芯片彼此间隔开并以一定角度彼此偏置，并且至少位于该膜的当施加压力时弯曲的一侧上。该测量桥被设计和/或连接到控制器，使得由紧固该膜而产生的并因此作用在该膜上的至少一个力以及由此产生的至少一个机械应力被补偿或将被补偿。

当放置和/或紧固该压力传感器时，会产生机械应力，导致测量误差。已经表明，施加到壳体上的弯曲应力会具体根据力的施加点的不同而产生不同的影响。将传感器芯片以一角度布置并彼此间隔开的效果是，由在两个传感器芯片中的弯曲载荷引起的桥电压的变化几乎相同，但是在幅度方面具有相反的符号。由弯曲载荷而产生的在膜上的应力具有相同的半径和彼此以直角布置的测量桥。因此，各传感器芯片是相同的量，但是具有相反的符号，而由待测量的压力引起的在传感器芯片的测量桥上的应力具有相同的符号。通过将布置在膜的相同半径上并且彼此以直角布置的测量桥进行并联连接，该测量桥因此提供被并联连接平均化的两个应力。由弯曲而产生的测量桥的应力由于具有相反的符号而相互抵消，从而它们相互补偿。因此，这种布置适合用于补偿作用在该膜上的至少一个力以及由此产生的一个或更多个机械应力。由压力而产生的测量桥的应力在两个传感器芯片中具有相同的符号。

在权利要求2至11中指出了本发明的有利配置。

可选地，传感器芯片的测量桥以这样的方式彼此并联连接，使得因紧固该膜而产生的并因此作用在该膜上的至少一个力以及由此产生的至少一个机械应力可以被补偿，并且因此被补偿或将被补偿。

可选地，传感器芯片的测量桥彼此以直角偏置。

测量桥的传感器元件可以是单片硅桥布置或由压电元件组成。

可选地，传感器芯片偏离中心地布置在该膜上。

如果是圆形膜的情况下，传感器芯片可以布置在同一直径的圆形环上。

可选地，该膜布置为使得在该膜的一侧或两侧施加工作介质。

至少两个传感器芯片具有包括传感器元件的测量桥，这些传感器芯片彼此间隔开并且以一角度彼此偏置，可以在该膜的一侧施加工作介质，并且这些传感器芯片可以位于该膜的背离该工作介质的一侧上。

可选地，传感器芯片布置在该膜上使得从工作介质发出的相同的机械应力被施加到传感器芯片上。

可选地，该膜布置在壳体中。该壳体具有覆盖有膜的区域的空腔，该空腔具有用于工作介质通过的开口和/或通道，其中该空腔位于该膜的与具有传感器芯片的一侧相对的一侧上。

该膜可以是壳体的壁或壁的一部分。为此，壳体具有覆盖有包括膜或作为膜的壁的空腔。该传感器芯片位于该膜的指向该空腔内的表面上。因此，可以在正面上使用该膜。因此，该膜也可以是例如容器壁的一部分。

可选地，该膜是圆锥形的或截头圆锥形的，或者该膜位于截头圆锥形环中。

附图说明本发明的示例性实施例是，在每种情况下都在附图中进行原理性的示出，并且在下文中进行更详细的描述。

其中：

图1示出了压力传感器的膜。

图2示出了具有壳体和作为紧固元件的螺纹件的压力传感器。

图3示出了具有膜的压力传感器。

图4示出了在正面上具有膜的压力传感器。

压力传感器基本上由具有传感器芯片2、3的膜1组成，该传感器芯片2、3具有包括传感器元件的测量桥。

图1以基本示意图示出了压力传感器的膜1。

两个传感器芯片2、3彼此间隔开并且以一角度彼此偏置，并且被布置在膜1上。传感器芯片2、3的测量桥被设计和/或连接到控制器，使得因紧固膜1而产生的并因此作用在膜1上的至少一个力可以被补偿，并且因此被补偿或将被补偿。为此，测量桥可以彼此并联连接，从而可以补偿机械干扰。此外，测量桥可以彼此以直角偏置。测量桥的传感器元件是单片硅桥布置。

具体地，因紧固膜1而产生的并因此作用在膜1上的力具体是来自传感器芯片2、3中具有大致相同幅度和相反工作方向的机械应力的机械干扰。因此，由弯曲载荷而产生的在膜上的应力具有相同的半径和彼此以直角布置的测量桥。因此，各传感器芯片是相同的量，但是具有相反的符号，而由待测量的压力引起的在传感器芯片的测量桥上的应力具有相同的符号。通过将布置在膜的相同半径上并且彼此以直角布置的测量桥进行并联连接，该测量桥因此提供被并联连接平均化的两个应力。由弯曲而产生的测量桥的应力由于具有相反的符号而相互抵消，从而它们相互补偿。

图2示出了具有壳体4和作为紧固元件的螺纹件5的压力传感器。

图3以基本示意图的形式在每种情况下示出了具有膜1的压力传感器。

通过螺纹件5和六角形件6，膜1被紧固在壳体4中。壳体4具有包括覆盖有膜1的区域的空腔，该空腔具有用于工作介质通过的开口和/或通道。该空腔位于膜1的与具有传感器芯片2、3的一侧相对的另一侧上。

例如，当具有压力传感器设备的壳体4被拧紧到发动机块中时，会产生机械应力，并因此产生作用在膜1上的力，这会导致测量误差。由于传感器芯片2、3以一角度布置并彼此间隔开，因此由在两个传感器芯片2、3中的弯曲载荷引起的桥应力的变化实际上是相同的，但在幅度方面具有相反的符号。因此，这种布置适合用于补偿由于对膜1进行紧固而产生的弯曲应力，从而补偿作用在膜1上的力。由压力产生的应力在两个传感器芯片2、3中具有相同的符号。

图4以基本示意图示出了在正面上具有膜1的压力传感器。

在一个实施例中，膜1可以是壳体4的壁或壁的一部分。壳体4具有覆盖有作为壁的膜1的空腔。传感器芯片2、3位于膜1的指向空腔内的表面上。为此，膜1可以是圆锥形的，或者可以位于截头圆锥形环中。