用于壓力測(cè)量的機(jī)電微型裝置的制造方法
【專利摘要】描述了一種用于壓力測(cè)量的機(jī)電微型裝置1，該裝置包括：至少一個(gè)第一機(jī)電微型壓力傳感器元件11，其被配置成檢測(cè)相應(yīng)的第一壓力值P1并且生成表示所述第一壓力值P1的第一電信號(hào)S1；并且進(jìn)一步包括至少一個(gè)第二機(jī)電微型壓力傳感器元件12，其被配置成檢測(cè)相應(yīng)的第二壓力值P2并且生成表示所述第二壓力值P2的第二電信號(hào)S2。第二傳感器元件12設(shè)置在適合于密封其的殼體13內(nèi)。所述裝置1進(jìn)一步包括電子處理裝置10，其可操作地連接至第一傳感器元件11和第二傳感器元件12，并且被配置成基于所述第一電信號(hào)S1和第二電信號(hào)S2，確定測(cè)量的壓力值P；并且最后包括接口裝置15，其可操作地連接至電子處理裝置10，并且被配置成在輸出時(shí)提供所述測(cè)量的壓力值P。第一傳感器元件11和第二傳感器元件12、電子處理裝置10以及接口裝置15包含在單個(gè)集成裝置內(nèi)。
【專利說明】
用于壓力測(cè)量的機(jī)電微型裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及壓力傳感器裝置的領(lǐng)域，具體而言，涉及微型機(jī)電傳感器裝置，用于在寬范圍內(nèi)測(cè)量壓力(自過壓，但是除了高真空條件以外)，例如，用在用于測(cè)量和分析的機(jī)器、工廠或儀器內(nèi)。
【背景技術(shù)】
[0002]用于測(cè)量壓力的幾種機(jī)電系統(tǒng)和裝置是已知的。
[0003]第一類裝置包括皮拉尼或熱交叉型裝置或MacLeod型裝置，然而，在性能和測(cè)量精度方面，這些裝置被視為“低端”裝置。因此，這些裝置不能用于要求高精度和更寬測(cè)量范圍的很多應(yīng)用。
[0004]第二類裝置包括隔膜電容式壓力傳感器，在性能和測(cè)量精度方面，這些傳感器被視為“高端”裝置。然而，這些電容式壓力傳感器的第一缺點(diǎn)在于可測(cè)壓力的范圍，該范圍對(duì)于規(guī)定的裝置相當(dāng)窄。因此，為了在寬壓力范圍內(nèi)測(cè)量壓力，必須并行使用多個(gè)壓力傳感器:例如，通常需要并行的至少三個(gè)電容式壓力傳感器，用于在10—4毫巴與13毫巴之間的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，并且已知的是沒有能夠測(cè)量在10—4毫巴與14毫巴之間的范圍內(nèi)的壓力的商用儀器。
[0005]而且，為了在真實(shí)操作環(huán)境內(nèi)有效地工作，各個(gè)壓力測(cè)量裝置必須不僅包括壓力傳感器本身，而且進(jìn)一步包括元件(例如，處理模塊、接口模塊、有線或無線的、朝著更高級(jí)的控制器等)。因此，即使具有小尺寸，這些裝置中的每個(gè)也變成“系統(tǒng)”。不利地，這降低了裝置的可靠性并且增加了復(fù)雜性，也增大了設(shè)計(jì)和維修成本。
[0006]進(jìn)一步應(yīng)注意的是，具有大的并且不斷增長的重要性的應(yīng)用領(lǐng)域與在生產(chǎn)機(jī)器或工廠或制造環(huán)境或分析和測(cè)量儀器內(nèi)使用壓力測(cè)量系統(tǒng)/裝置相關(guān)，其中，在很多不同的點(diǎn)內(nèi)，在大范圍內(nèi)，在通常不利的環(huán)境條件下，需要以高精度測(cè)量壓力，給這些裝置帶來臨界的或者甚至極端的操作條件。
[0007]在這種應(yīng)用領(lǐng)域中，需要具有盡可能緊湊、簡單并且微型的裝置，同時(shí)在精度和可靠性方面保持高性能，并且還大幅降低其生產(chǎn)和管理成本。
[0008]已知引用的裝置(“低端”裝置和“高端”裝置)不能以令人滿意的方式符合該需求。
[0009]除了以上內(nèi)容，參考精度和可靠性的性能，在使用之前的校準(zhǔn)程序和在使用期間的診斷程序以及可能的重新調(diào)整或者重新校準(zhǔn)越來越重要。
[0010]關(guān)于這一點(diǎn)，現(xiàn)有解決方案未提供一種解決方案，或者至多允許通過高級(jí)系統(tǒng)控制器執(zhí)行遠(yuǎn)程控制程序，例如，所述控制器管理工廠內(nèi)的多個(gè)裝置。在所需要的時(shí)間和資源方面，這些控制程序會(huì)是復(fù)雜的并且昂貴的。
[0011]更具體而言，在與上述應(yīng)用的要求相比，已知傳感器裝置可以具有幾個(gè)缺點(diǎn)，其中:例如，在工業(yè)過程的壓力循環(huán)期間，壓力測(cè)量的不完全可重復(fù)性;在暴露到腐蝕性氣體環(huán)境的應(yīng)用中的使用受到若干限制;難以在具有大量的煙灰和微粒的環(huán)境中使用;每當(dāng)新處理周期開始，需要從其運(yùn)行所在的系統(tǒng)中取出裝置，以用于校準(zhǔn)或重新校準(zhǔn)或清潔；最后，需要復(fù)雜并且麻煩的管理和測(cè)量系統(tǒng)，以使用裝置的大型測(cè)量和管理儀器獲得微小的測(cè)量信號(hào)。
[0012]因此，相對(duì)于校準(zhǔn)和診斷，非常進(jìn)一步需要具有盡可能“獨(dú)立的”壓力測(cè)量裝置。而且，上面引用的已知裝置未適當(dāng)?shù)貪M足這種需求。
[0013]還應(yīng)觀察到，即使都是期望的，微型和自足性的需要都提出了非常難以完全實(shí)現(xiàn)的沖突設(shè)計(jì)要求。
[0014]鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明的目標(biāo)在于，設(shè)計(jì)和提供一種微型機(jī)電傳感器裝置(以及相關(guān)測(cè)量方法)，以用于在較大范圍內(nèi)測(cè)量壓力，這產(chǎn)生改進(jìn)，以便滿足上述需求，并且能夠至少部分克服上面參考現(xiàn)有技術(shù)描述的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]由根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。
[0016]在從屬權(quán)利要求2到13中限定該裝置的進(jìn)一步實(shí)施方式。
[0017]在權(quán)利要求14中限定由本發(fā)明的裝置執(zhí)行的用于測(cè)量壓力的方法。
[0018]在權(quán)利要求15中限定該方法的進(jìn)一步實(shí)施方式。
【附圖說明】
[0019]從以下參考附圖對(duì)以示意性以及非限制性示例的方式提供的優(yōu)選示例性實(shí)施方式進(jìn)行的描述，將得到根據(jù)本發(fā)明的用于壓力測(cè)量的微型裝置的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中:
[0020]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的簡化功能圖；
[0021]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的示例性實(shí)施方式的更詳細(xì)示意圖；
[0022]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖4是圖3的裝置的另一個(gè)示例性實(shí)施方式；
[0024]圖5A和圖5B示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]參考圖1至圖6，描述了根據(jù)本發(fā)明的用于壓力測(cè)量的機(jī)電微型裝置I。
[0027]該裝置I包括至少一個(gè)第一機(jī)電微型壓力傳感器元件11，其被配置成檢測(cè)第一壓力值P1并且生成表示上述第一壓力值丹的第一電信號(hào)Su
[0028]該裝置I還包括至少一個(gè)第二機(jī)電微型壓力傳感器元件12，其被配置成檢測(cè)相應(yīng)的第二壓力值P2并且生成表示上述第二壓力值內(nèi)的第二電信號(hào)&。
[0029]第二機(jī)電微型壓力傳感器元件12設(shè)置在適合于密封第二傳感器元件的相應(yīng)殼體13內(nèi)。
[0030]然后，該裝置I包括電子處理裝置10，其可操作地連接至第一和第二傳感器元件(分別是11、12)并且被配置成基于由傳感器元件11、12生成的并且由電子處理裝置10接收的第一和第二電信號(hào)(分別是Sl、S2)，確定測(cè)量的壓力值P。
[0031]該裝置I還包括接口裝置15，其可操作地連接至電子處理裝置10并且被配置成在輸出時(shí)提供上述測(cè)量的壓力值P。
[0032]至少一個(gè)第一傳感器元件11、至少一個(gè)第二傳感器元件12、電子處理裝置10以及所述接口裝置15均包含在單個(gè)集成裝置內(nèi)。
[0033]應(yīng)注意的是，“集成裝置”在本文中表示通過集成微/納電子技術(shù)制造的并且包含或者可包含在單個(gè)單獨(dú)封裝件內(nèi)的裝置。
[0034]根據(jù)優(yōu)選的示例性實(shí)施方式，裝置I是通過單個(gè)芯片20(例如，在圖3示出，通常由硅制成)制成的集成裝置。在這種情況下，第一和第二傳感器元件、電子處理裝置以及接口裝置均包含(即，整合)在集成裝置I的芯片20內(nèi)。
[0035]根據(jù)也包含在本發(fā)明內(nèi)的不同的實(shí)例，該裝置I還包括兩個(gè)半芯片，其還在微觀層次上彼此連接。
[0036]根據(jù)其他示例性實(shí)施方式，裝置I可以包括以微觀的尺度彼此連接的多個(gè)芯片或者單獨(dú)的多層芯片，以便通過任何方式獲得集成裝置。
[0037]基于以上內(nèi)容，還可以理解“微型裝置”的定義，S卩，在整合時(shí)，具有微米等級(jí)的尺寸的裝置，例如，總體為幾百μπι2或mm2大小的量級(jí)，該尺寸依然低于可以處理和操作的最小尺寸，其中，通過給裝置提供合適的封裝，獲得這種最小尺寸。
[0038]應(yīng)進(jìn)一步注意的是，這種微型不僅涉及實(shí)際傳感器元件(允許擴(kuò)大測(cè)量范圍)，而且涉及屬于該裝置的其他處理和接口元件(有助于改善信噪比)。
[0039]現(xiàn)在，參考第一和第二傳感器元件，應(yīng)注意的是，原則上可以通過能夠提供表示檢測(cè)的壓力的電變量的任何機(jī)電換能器實(shí)現(xiàn)。
[0040]具體地，第一傳感器元件11和第二傳感器元件12被配置成具有機(jī)械或機(jī)電性能，所述機(jī)械或機(jī)電性能根據(jù)各傳感器元件分別經(jīng)受的壓力(分別是P1、P2)或者流體動(dòng)力，與第一和第二機(jī)械或機(jī)電變量(例如，位置或運(yùn)動(dòng)或振蕩)相關(guān)。
[0041]而且，第一傳感器元件11和第二傳感器元件12進(jìn)一步被配置成基于對(duì)壓力或流體動(dòng)力敏感的相應(yīng)的第一和第二機(jī)械或機(jī)電變量，生成或者轉(zhuǎn)換為上述第一電信號(hào)SI和第二電信號(hào)S2(分別表不第一壓力值Pi和第二壓力值P2)。
[0042]例如，電信號(hào)SjPS2的光譜峰值或其他電變量的幅度或諧振頻率或?qū)挾瓤梢韵嚓P(guān)，并且可以表示由相應(yīng)傳感器元件檢測(cè)的壓力值(根據(jù)本身已知的理論觀點(diǎn))。
[0043]應(yīng)注意的是，在優(yōu)選的示例性實(shí)施方式中，這兩個(gè)傳感器元件相同并且被設(shè)計(jì)成基于相同的原理并且基于相同的變量，表現(xiàn)為相同的方式。
[0044]在其他示例性實(shí)施方式中，這兩個(gè)傳感器元件甚至可以彼此不同，只要明確已知其性能的相關(guān)性，以便允許限定“標(biāo)稱性能”，并且下面在本文中更好地解釋，允許從這種“標(biāo)稱性能”中識(shí)別第一傳感器元件11的可能偏差。
[0045]現(xiàn)在，參考圖2至圖6，更好地示出根據(jù)優(yōu)選的示例性實(shí)施方式(相關(guān)的變化/選擇)的裝置，其中，第一傳感器元件11和第二傳感器元件12彼此相似，并且其中的每個(gè)包括MEMS/NEMS (微型/納型機(jī)電系統(tǒng))型的相應(yīng)振蕩元件。
[0046]具體地，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，這種MEMS/NEMS型振蕩元件包括微懸臂梁，其被配置成通過取決于其經(jīng)受的壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)振蕩。
[0047]因此，在圖2至圖6中，作為第一傳感器元件的第一微懸臂梁指定為11，而作為第二傳感器元件的第二微懸臂梁指定為12;用虛線表示第二微懸臂梁，這是因?yàn)樵谑境龅氖緢D中，其實(shí)際上被殼體13覆蓋。
[0048]微懸臂梁操作原理規(guī)定，表征機(jī)電變量與振蕩相關(guān):微懸臂梁以具有阻尼因數(shù)α的頻率阻尼振蕩，阻尼因數(shù)α取決于其經(jīng)受的壓力。因此，能夠生成電信號(hào)(B卩，S1SS2),其動(dòng)態(tài)響應(yīng)表示微懸臂梁經(jīng)受的壓力。通常，阻尼因數(shù)α與微懸臂梁的厚度d成反比。因此，微懸臂梁(一般而言，傳感器元件)的微型是一個(gè)重要方面，以便允許本發(fā)明的裝置在特別寬的整個(gè)壓力值范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。
[0049]根據(jù)實(shí)施方式，通過施加具有已知頻率的強(qiáng)制波形，激發(fā)這兩個(gè)微懸臂梁11、12中的每個(gè)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及因此相關(guān)的典型參數(shù)(例如，諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、振蕩幅度)取決于壓力。為此，該裝置可以進(jìn)一步包括函數(shù)發(fā)生器電路或頻率發(fā)生器51，其被配置成通過激發(fā)信號(hào)在第一和第二微懸臂梁中的每個(gè)上產(chǎn)生輸入振蕩。
[0050]而且，在該選擇中，假設(shè)電子處理裝置10包括處理單元52和解調(diào)電路53，其被配置成分別基于第一電信號(hào)3:或參考電信號(hào)S2的頻率，分別估計(jì)第一和第二微懸臂梁的第一和第二輸出振蕩頻率以及激發(fā)信號(hào)的頻率;然后，解調(diào)電路53向處理單元52傳送與這些第一和第二振蕩頻率和激發(fā)信號(hào)頻率相關(guān)的信息。
[0051]根據(jù)示例性實(shí)施方式，如圖所示，該解調(diào)電路53是信號(hào)鎖定電路。
[0052]上面示出的實(shí)施方式實(shí)際上基于整合在裝置內(nèi)的雙MEMS/NEMS振蕩器，其中，這兩個(gè)MEMS/NEMS振蕩器分享頻率生成和解調(diào)鎖定電路，并且由第一和第二微懸臂梁表征，作為相應(yīng)的活動(dòng)元件。
[0053]頻率生成電路51“激發(fā)”微懸臂梁，并且鎖定電路53檢測(cè)這兩個(gè)微懸臂梁11、12的輸出振蕩頻率，從而根據(jù)這兩個(gè)輸出頻率和參考激發(fā)信號(hào)的比較，提供信號(hào)。
[0054]通過考慮該裝置包括雙MEMS/NEMS振蕩器，可以理解到，如何應(yīng)用多個(gè)壓力檢測(cè)方法。實(shí)際上，該裝置可以被配置成基于電信號(hào)SdPS2的一個(gè)或多個(gè)特性，檢測(cè)壓力:例如，基于與標(biāo)稱(例如，強(qiáng)制)頻率相關(guān)的振蕩頻率的變化;或者基于在每個(gè)電信號(hào)的光譜內(nèi)可見的振蕩峰值的擴(kuò)展;或通過測(cè)量其品質(zhì)因數(shù)。為此，例如，可以使用已知的方法和相關(guān)性，來操作微懸臂梁振蕩器，例如，可以引用在Hosaka等人的aDampingcharacteristics ofbeam-shaped micro-oscillators”、Sensors and Actuators A 49(1995) ,87-95中報(bào)告的那些方法和相關(guān)性。
[0055]根據(jù)具體的示例性實(shí)施方式，第一和第二傳感器元件的微懸臂梁被配置成在相對(duì)于形成裝置的芯片20的表面平行的方向上振蕩。
[0056]根據(jù)另一個(gè)具體的示例性實(shí)施方式，第一和第二傳感器元件的微懸臂梁被配置成在相對(duì)于形成裝置的芯片20的表面垂直的方向上振蕩。
[0057]參考密封和保護(hù)殼體13，應(yīng)注意的是，根據(jù)示例性實(shí)施方式，該殼體被配置成采取關(guān)閉狀態(tài)和打開狀態(tài):在關(guān)閉狀態(tài)中，所述殼體保護(hù)至少一個(gè)第二傳感器元件12不直接暴露到周圍環(huán)境中；在打開狀態(tài)中，允許至少一個(gè)第二傳感器元件直接暴露到周圍環(huán)境中。
[0058]現(xiàn)在，考慮關(guān)閉和密封殼體13的情況。因此，殼體13封閉參考傳感器元件12，從而保護(hù)該元件不因環(huán)境條件可能造成退化現(xiàn)象，同時(shí)保持壓力條件固定并且穩(wěn)定在先驗(yàn)限定的已知值(在本文中稱為“參考?jí)毫Α保@是因?yàn)檫@是某個(gè)絕對(duì)參考點(diǎn))。鑒于此，第二傳感器元件12通過良好的或者優(yōu)異的精度保持“標(biāo)稱性能”，其中，已經(jīng)先驗(yàn)地仔細(xì)表征。因此，甚至在操作期間，第二傳感器元件采用“參考傳感器”的重要功能，其在每次操作期間具有穩(wěn)定的并且通過任何方式可預(yù)測(cè)的性能。通過比較這兩個(gè)傳感器的性能，因此，可以檢測(cè)和校正第一傳感器元件11與其“標(biāo)稱性能”的可能偏差。
[0059]更詳細(xì)地說，第二參考傳感器元件12的所有機(jī)電或機(jī)械電子性能是已知的，這是因?yàn)檫@些性能相對(duì)于參考?jí)毫σ呀?jīng)先驗(yàn)表征，例如，作為操作溫度、振蕩頻率、振蕩幅度等的函數(shù);并且進(jìn)一步儲(chǔ)存在包含在電子處理裝置10內(nèi)的存儲(chǔ)器內(nèi)。
[0060]從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，基于第二傳感器元件12生成的第二電信號(hào)S2，第二傳感器元件的表征數(shù)據(jù)實(shí)際上限定“參考超曲面”，允許明確了解參考傳感器元件的機(jī)電性能以及操作條件(例如，操作溫度)，并且稱為第二傳感器元件12在密封的殼體內(nèi)部經(jīng)受的參考?jí)毫Α?br>[0061]因此，在處理裝置10從第二傳感器元件12中接收電信號(hào)52時(shí)，將其稱為已知的參考?jí)毫χ祊2，保持在密封殼體13內(nèi)部，因此，基于儲(chǔ)存的表征數(shù)據(jù)，處理裝置10可以了解參考傳感器元件12的機(jī)電性能和操作條件。因此，處理裝置10還能夠計(jì)算存在于&與內(nèi)之間的精確轉(zhuǎn)換因數(shù)(在本文中指定為“第二轉(zhuǎn)換因數(shù)”)。
[0062]應(yīng)注意的是，除了壓力以外，彼此非常接近的這兩個(gè)傳感器元件11、12的操作條件相同。而且，這兩個(gè)傳感器元件的機(jī)電性能在標(biāo)稱上相同(如果這兩個(gè)傳感器元件完全相同)，或者根據(jù)預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，至少通過已知的并且確定性的方式彼此相關(guān)(如果這兩個(gè)傳感器元件不同)。
[0063]因此，基于第二轉(zhuǎn)換因數(shù)，電子處理裝置10能夠計(jì)算合適的轉(zhuǎn)換因數(shù)(在本文中指定為“第一轉(zhuǎn)換因數(shù)”或“校準(zhǔn)因數(shù)”)，以應(yīng)用于由第一傳感器元件11生成的信號(hào)S1，從而精確地計(jì)算第一傳感器元件11 (從而裝置I)經(jīng)受的壓力值P，即，要測(cè)量的值。
[0064]第一和第二轉(zhuǎn)換因數(shù)可以正好相同或者可以基于初始表征，通過已知的并且確定性的方式彼此相關(guān)，以及例如根據(jù)該裝置運(yùn)行所在的壓力范圍而變化。
[0065]簡單地說，由于從第一傳感器元件11和第二傳感器元件12接收信息，所以通過考慮第一和第二電信號(hào)，處理裝置10能夠更精確地估計(jì)存在于裝置上的實(shí)際壓力，S卩，測(cè)量的壓力P。
[0066]基于表示由第一傳感器元件11檢測(cè)的壓力P1和第二傳感器元件12檢測(cè)的壓力P2的電信號(hào)SdPS2,壓力P的估計(jì)方法可以不同，也與上面通過實(shí)例描述的方法不同。
[0067]還應(yīng)注意的是，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式選擇，該裝置包括多個(gè)第二傳感器元件12，以便檢測(cè)相應(yīng)多個(gè)第二壓力值P2，并且生成表不這種第二壓力值P2的相應(yīng)多個(gè)第二電信號(hào)S2;電子處理裝置10進(jìn)一步被配置成基于所述第二電信號(hào)32的處理，生成測(cè)量的壓力值P。多個(gè)“參考傳感器”可以用于在裝置的整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)改善精度并且用于得到冗余和可靠性。
[0068]在激活裝置I時(shí)并且在正常操作周期內(nèi)，執(zhí)行上述操作；因此，這種操作實(shí)際上執(zhí)行該裝置能夠執(zhí)行的“初始自校準(zhǔn)”和“運(yùn)行校準(zhǔn)”程序。
[0069]而且，根據(jù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)方式實(shí)例，電子處理裝置10被配置成處理從第一傳感器元件11和第二傳感器元件12中接收的數(shù)據(jù)，并且基于這種接收的數(shù)據(jù)，對(duì)第一傳感器元件11執(zhí)行診斷程序，以便識(shí)別第一傳感器元件經(jīng)受的可能磁滯現(xiàn)象和/或缺陷和/或可能的熱和/或機(jī)械漂移。
[0070]更精確地說，如果存在于裝置的環(huán)境內(nèi)的壓力已知并且等于參考?jí)毫?，則比較信號(hào)31和32。例如，在環(huán)境壓力(例如，在操作周期結(jié)束時(shí))和參考?jí)毫κ峭ㄟ^壓力控制元件(“吸氣器”)保持在殼體內(nèi)的真空壓力(例如，UHV)時(shí)，或者在環(huán)境壓力與真空不同，但是已知并且由在殼體13內(nèi)的“吸氣器”產(chǎn)生相似的壓力時(shí)，發(fā)生這種情況。[0071 ]在這些情況下，如果SdPSdg差較小的量，小于預(yù)設(shè)的閾值，則表示第一傳感器元件11良好地運(yùn)行，并且診斷具有積極結(jié)果;可能地，通過與上面關(guān)于校準(zhǔn)描述的內(nèi)容相似的方式，通過作用在上述第一轉(zhuǎn)換因數(shù)上，補(bǔ)償檢測(cè)差異。
[0072]另一方面，如果SjPS2相差顯著量，例如，大于上述閾值，則診斷具有消極結(jié)果，并且僅僅校準(zhǔn)補(bǔ)償是不夠的。
[0073]根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式實(shí)例，即使外部環(huán)境的壓力未知，或者如果不符合參考?jí)毫?，則裝置I能夠執(zhí)行診斷程序。在該實(shí)例中，殼體13暫時(shí)打開，以便將第二傳感器元件12暫時(shí)暴露在與第一傳感器元件11被暴露所在的相同環(huán)境。然后，執(zhí)行診斷程序，最后，殼體13再次關(guān)閉和密封，并且恢復(fù)參考?jí)毫l件，例如，通過嵌入的“吸氣器”。
[0074]在提供多個(gè)第二傳感器元件12的情況下，可以在參考?jí)毫l件下保持其中的一個(gè)始終關(guān)閉和密封。
[0075]在診斷程序產(chǎn)生消極結(jié)果的情況下，根據(jù)進(jìn)一步示例性選擇，電子處理裝置10還被配置成執(zhí)行第一傳感器元件的調(diào)整和/或補(bǔ)償和/或優(yōu)化程序，以校正和/或補(bǔ)償基于所述診斷程序的結(jié)果的磁滯現(xiàn)象和/或缺陷和/或識(shí)別的漂移。
[0076]在可能的實(shí)現(xiàn)方式選擇中，電子處理裝置10被配置成儲(chǔ)存第一傳感器元件11的期望的操作條件，以比較期望的操作條件和由診斷程序檢測(cè)的操作條件，并且基于這種比較，通過調(diào)整程序進(jìn)行干預(yù)，以恢復(fù)期望的操作條件并且保證執(zhí)行的測(cè)量的可重復(fù)性。
[0077]在裝置I內(nèi)具有實(shí)際上是“自診斷”的可用診斷程序的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。具有實(shí)際上是“自調(diào)整”的隨之發(fā)生的可用調(diào)整(或重新校準(zhǔn))程序的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)也顯而易見。
[0078]只要甚至該“自調(diào)整”程序未恢復(fù)適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件，就從電子處理裝置10朝著更高級(jí)的系統(tǒng)控制器發(fā)送故障信號(hào)。
[0079]為了允許調(diào)整程序，裝置I進(jìn)一步包括控制加熱裝置，包括放在第一傳感器元件11附近或之上的一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器61 (例如，微型溫度計(jì))和至少一個(gè)加熱元件62(例如，一個(gè)或多個(gè)微型電阻)、以及熱源(或“加熱器”)63，其通常與連接至外部電源接口 65的加熱裝置的供應(yīng)和管理電路64相關(guān)聯(lián)。上述控制加熱裝置被配置成在電子處理裝置10的控制下，執(zhí)行在第一傳感器元件11的微懸臂梁11的表面上吸收的氣體的除氣和/或去除，所述電子處理裝置又基于溫度計(jì)61檢測(cè)的溫度以及診斷程序的結(jié)果進(jìn)行操作。
[0080]在這種情況下，第一傳感器元件11的上述調(diào)整程序包括通過控制加熱裝置對(duì)微懸臂梁元11的表面上吸收的氣體進(jìn)行除氣和/或去除。
[0081]應(yīng)注意的是，上述加熱器63可以用于還在自動(dòng)調(diào)整除外的其他操作步驟中以受控的方式改變裝置的熱操作條件。
[0082]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，該裝置進(jìn)一步包括保護(hù)薄膜，例如，技術(shù)專用薄膜，其被配置成減少處理氣體的吸附(例如，疏水薄膜，用于防止吸附處理環(huán)境中存在的水分)并且防止腐蝕現(xiàn)象。這些保護(hù)薄膜被設(shè)置成覆蓋至少第一傳感器元件11。
[0083]根據(jù)進(jìn)一步示例性實(shí)施方式，該裝置進(jìn)一步包括包含微米框式過濾器和/或抗微粒過濾器的封裝件80，其被設(shè)置成至少覆蓋包含在裝置I內(nèi)的傳感器元件11、12，并且被配置成保護(hù)這些元件免受微?；驘熁摇Ｔ谘b置I旨在用于工業(yè)環(huán)境中時(shí)，該選擇特別有利。參考裝置I的實(shí)施方式，通過圖4的分解圖，示出在此處描述的實(shí)例，但是還可以適用于在圖5和6示出的實(shí)施方式。
[0084]根據(jù)一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式選擇，電子處理裝置10包括整合在裝置I內(nèi)的至少一個(gè)電子處理器(CPU)52。然后，該CPU可以用作嵌入式片上可編程微處理器。
[0085]根據(jù)一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式實(shí)例，接口裝置15包括無線或有線和/或帶銷的輸入和輸出裝置。總體上，該接口可以通過通用和適合的方式與外部世界(例如，與外部工廠控制系統(tǒng))交互，以用于傳輸和/或接收信息和/或信號(hào)和/或命令。
[0086]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，接口裝置15包括:有線輸入裝置71和無線發(fā)射器70(例如，WiFi發(fā)射器)，用于遠(yuǎn)程傳輸來自關(guān)閉的操作區(qū)域(例如，車胎、栗內(nèi)部區(qū)域以及真空室)的信號(hào)；以及輸出銷72，其能夠提供例如直接模擬輸出信號(hào)和/或數(shù)字TTL輸出信號(hào)；和/或用于串行通信協(xié)議的接口。
[0087]在裝置內(nèi)整合的CPU52和接口 15的存在允許裝置I從更高級(jí)控制系統(tǒng)中接收信息(例如，控制信號(hào))并且將信息發(fā)送給更高級(jí)控制系統(tǒng)，例如，裝置操作所在的工廠/環(huán)境的操作控制系統(tǒng)。因此，裝置I完全整合在操作工廠/環(huán)境內(nèi)。
[0088]根據(jù)示例性實(shí)現(xiàn)方式實(shí)例，裝置I包括其他集成電子電路，其包括一個(gè)或多個(gè)以下電子電路:專用I/O管理電路、加熱元件的電源和管理電路64。
[0089]上面示出了可選地存在于裝置I內(nèi)的幾個(gè)“輔助”電子電路(頻率發(fā)生器51、鎖定電路52、加熱器53、專用I/O管理電路等)。這些輔助電子電路整合在裝置I內(nèi)?？蛇x地，這些輔助電子電路可以制造在包含傳感器元件11、12、處理裝置10以及接口裝置15的相同芯片20內(nèi)或者在也微連接至上述主芯片的其他芯片內(nèi)，以便構(gòu)成集成裝置。
[0090]參考該裝置的結(jié)構(gòu)方面，尤其參考包括僅僅一個(gè)芯片20的情況，在圖3、圖5A-5B以及圖6中通過實(shí)例示出三個(gè)不同的實(shí)施方式。這些不同的實(shí)施方式共享因此使用相同的參考數(shù)字顯示的先前描述的所有元件和結(jié)構(gòu)方面。
[0091]實(shí)施方式之間的不同之處在于在裝置中(尤其在包含在裝置內(nèi)的單個(gè)芯片20中)設(shè)置元件的方式，。
[0092]在圖3示出的第一實(shí)施方式中，第一傳感器元件11和第二傳感器元件12和電子處理裝置10設(shè)置在形成裝置I的芯片20的相同側(cè)上。
[0093]在第二實(shí)施方式中，第一傳感器元件11設(shè)置在芯片20的一側(cè)，而第二傳感器元件12和電子處理裝置10設(shè)置在形成裝置的芯片20的另一側(cè)上。
[0094]這在圖5A(示出芯片的一側(cè))和圖5B(示出芯片的另一側(cè))中示出。
[0095]該第二實(shí)施方式提供了相對(duì)于裝置的其他元件分離加熱元件62(微型電阻)的優(yōu)點(diǎn)，減少了散熱問題。而且，其他元件放在面向更高壓力或大氣壓力區(qū)域的芯片的側(cè)上，例如，可以更容易冷卻。
[0096]在圖6示出的第三實(shí)施方式中，第一傳感器元件11和第二傳感器元件12和電子處理裝置10設(shè)置為在相對(duì)于組成裝置的芯片20的表面不同的平面上作為浮雕突出。
[0097]通過將裝置的上述元件以任何組合設(shè)置在芯片20的任一側(cè)上，可以構(gòu)成還包含在本發(fā)明內(nèi)的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)。
[0098]在上述所有實(shí)施方式和相關(guān)變形中，根據(jù)本發(fā)明的裝置I被配置成檢測(cè)在大間隔范圍內(nèi)的壓力。該大范圍是該裝置基于的上述物理現(xiàn)象允許的并且傳感器元件的微型尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍。根據(jù)非限制性實(shí)例，該范圍可以從10—5毫巴到15毫巴(因此，僅僅不包括極低壓力或高真空值)。
[0099]根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，裝置I被配置成檢測(cè)在10—4毫巴與14毫巴之間的壓力值。
[0100]現(xiàn)在，將描述通過根據(jù)本發(fā)明的裝置執(zhí)行的用于壓力測(cè)量的方法。
[0101]該方法包括以下步驟:由裝置I的至少一個(gè)第一機(jī)電微型壓力傳感器元件11檢測(cè)第一壓力值P1并且生成表示第一壓力值P1的第一電信號(hào)S1;同樣，由設(shè)置在適合于密封第二傳感器元件的相應(yīng)殼體13內(nèi)的、裝置I的至少一個(gè)第二機(jī)電微型壓力傳感器元件12檢測(cè)第二壓力值P2并且生成表示所述第二壓力值P2的第二電信號(hào)&。
[0102]然后，該方法包括以下步驟:由電子處理裝置10基于上述第一和第二電信號(hào)SjP&，確定測(cè)量的壓力值P;并且最后，由裝置I的接口裝置15在輸出時(shí)提供測(cè)量的壓力值P。
[0103]第一傳感器元件11和第二傳感器元件12、電子處理裝置10以及接口裝置15均包含在單個(gè)集成裝置內(nèi)。
[0104]根據(jù)示例性實(shí)施方式，該方法進(jìn)一步包括以下步驟:在電子處理裝置10中，儲(chǔ)存在參考?jí)毫2下第二傳感器元件12的表征數(shù)據(jù);在殼體13內(nèi)保持第二傳感器元件12處于參考?jí)毫2下；由電子處理裝置10基于第二電信號(hào)S2和上述表征數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)第一傳感器元件11和第二傳感器元件12。
[0105]根據(jù)進(jìn)一步示例性實(shí)施方式，該方法進(jìn)一步包括以下步驟:將第一傳感器元件11和第二傳感器元件12布置在相同的壓力下；比較由此生成的第一電信號(hào)S1和第二電信號(hào)S2;操作第一傳感器元件11的操作的診斷程序。
[0106]根據(jù)更進(jìn)一步示例性實(shí)施方式，在診斷程序產(chǎn)生消極結(jié)果的情況下，該方法進(jìn)一步包括以下步驟:通過控制的方式加熱第一傳感器元件11，以對(duì)其內(nèi)吸附的氣體進(jìn)行脫氣和/或去除。
[0107]可以看出，鑒于示出的特征，本發(fā)明的目標(biāo)由上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
[0108]實(shí)際上，通過上面描述的內(nèi)容，本發(fā)明的裝置顯然是能夠提供高精度和可靠性性能的微型裝置。
[0109]而且，由于上述結(jié)構(gòu)和功能特征，所以該裝置結(jié)果是獨(dú)立式(能夠自校準(zhǔn)和自診斷)。還能夠處理并且在某種程度上校正幾個(gè)退化原因，實(shí)際上發(fā)生這些原因，并且由于影響第一傳感器元件，所以這些原因會(huì)使裝置性能惡化。
[0110]而且，如上所述，該裝置允許在微觀的水平上管理微觀信號(hào)，隨之發(fā)生的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于，增強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)的信噪比。
[0111]對(duì)于上述用于壓力測(cè)量的機(jī)電微型裝置的實(shí)施方式，為了滿足可能的需求，在不背離以下權(quán)利要求的范圍的情況下，還通過產(chǎn)生混合實(shí)現(xiàn)方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以也結(jié)合先有技術(shù)，使用功能上等同的元件來執(zhí)行元件的修改、適應(yīng)以及更換。描述為屬于可能的實(shí)施方式的每個(gè)特征可以獨(dú)立于在本文中描述的其他實(shí)施方式執(zhí)行。還應(yīng)注意的是，術(shù)語“包括”不排除其他元件或步驟，術(shù)語“一 (a)”不排除多個(gè)。而且，示圖不必按比例繪制；相反，給本發(fā)明的原理的說明提供相關(guān)性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于壓力測(cè)量的機(jī)電微型裝置(I)，包括: -至少一個(gè)第一機(jī)電微型壓力傳感器元件(11)，被配置成檢測(cè)相應(yīng)的第一壓力值(P1)并且生成表不所述第一壓力值(Pi)的第一電信號(hào)(Si); -至少一個(gè)第二機(jī)電微型壓力傳感器元件(12)，設(shè)置在適合于密封所述第二傳感器元件(12)的相應(yīng)殼體(13)內(nèi)，并且被配置成檢測(cè)相應(yīng)的第二壓力值(P2)并且生成表示所述第二壓力值(P2)的第二電信號(hào)(S2); -電子處理裝置(10)，可操作地連接至所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)，所述電子處理裝置被配置成基于所述第一電信號(hào)(S1)和所述第二電信號(hào)(S2)確定測(cè)量的壓力值(P)； -接口裝置(15)，可操作地連接至所述電子處理裝置(10)，并且被配置成在輸出時(shí)提供所述測(cè)量的壓力值(P)， 其中，所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)、所述電子處理裝置(10)以及所述接口裝置(15)包含在單個(gè)集成裝置內(nèi)。2.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，其中，所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)、所述電子處理裝置(10)以及所述接口裝置(15)包含在所述集成裝置的單個(gè)芯片(20)內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，其中，所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)中的每個(gè)被配置成具有機(jī)械或機(jī)電性能，所述機(jī)械或機(jī)電性能根據(jù)所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)中的每個(gè)經(jīng)受的壓力或者流體動(dòng)力，與至少一個(gè)相應(yīng)的第一機(jī)械或機(jī)電變量或第二機(jī)械或機(jī)電變量相關(guān)， 并且其中，分別基于所述至少一個(gè)相應(yīng)的第一機(jī)械或機(jī)電變量或第二機(jī)械或機(jī)電變量，生成所述第一電信號(hào)(SI)或所述第二電信號(hào)(S2)中的每個(gè)。4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置(I)，其中，所述第一傳感器元件(I I)和所述第二傳感器元件(12)中的每個(gè)包括相應(yīng)的MEMS/NEMS型振蕩元件。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(I)，其中，所述MEMS/NEMS型振蕩元件中的每個(gè)包括微懸臂梁(11、12)，被配置成通過取決于其經(jīng)受的壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)而振蕩。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，包括多個(gè)第二壓力傳感器元件(12)，用于檢測(cè)相應(yīng)的多個(gè)第二壓力值(P2)，并且生成表示所述第二壓力值(P2)的相應(yīng)多個(gè)第二電信號(hào)(S2)； 并且其中，所述電子處理裝置(10)被進(jìn)一步配置成基于所述第二電信號(hào)(S2)的處理，生成所述測(cè)量的壓力值(P)。7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，其中，所述殼體(13)被配置成采取密封狀態(tài)，在密封狀態(tài)下，所述殼體保護(hù)所述至少一個(gè)第二傳感器元件(12)不直接暴露到周圍環(huán)境中，保持所述至少一個(gè)第二傳感器元件處于與所述第二壓力值(P2)—致的參考?jí)毫ο拢?其中，所述電子處理裝置(10)包括存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器被配置成儲(chǔ)存在所述參考?jí)毫?P2)下表征所述第二傳感器元件(12)的表征數(shù)據(jù)， 并且其中，所述電子處理裝置(10)被配置成基于所述第二電信號(hào)(S2)和儲(chǔ)存的所述表征數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)。8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，其中，所述電子處理裝置(10)被配置成處理由所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)接收的數(shù)據(jù)，并且基于接收的數(shù)據(jù)，執(zhí)行所述第一傳感器元件(II)的診斷程序，以便識(shí)別所述第一傳感器元件(II)會(huì)經(jīng)受的潛在的磁滯現(xiàn)象和/或缺陷和/或潛在的熱和/或機(jī)械漂移。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置(I)，其中，所述電子處理裝置(10)被配置成在所述診斷程序給出消極結(jié)果的情況下，執(zhí)行所述第一傳感器元件(10)的調(diào)整和/或補(bǔ)償和/或優(yōu)化程序，以校正和/或補(bǔ)償基于所述診斷程序的結(jié)果識(shí)別的磁滯現(xiàn)象和/或缺陷和/或漂移。10.在依賴于權(quán)利要求5時(shí)根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置(I)，進(jìn)一步包括控制加熱裝置(61、62、63、64)，被配置成在所述電子處理裝置(10)的控制下，對(duì)所述第一傳感器元件(11)的微懸臂梁的表面上吸收的氣體執(zhí)行除氣和/或去除，并且其中，所述第一傳感器元件(11)的所述調(diào)整程序包括對(duì)所述微懸臂梁元件(11)的表面上吸收的氣體執(zhí)行所述除氣和/或去除。11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，進(jìn)一步包括保護(hù)薄膜，被配置成減少處理氣體的吸附并且防止腐蝕現(xiàn)象，并且被設(shè)置成覆蓋至少第一傳感器元件(11)， 或者進(jìn)一步包括包含微米框式過濾器的封裝件(80)，被設(shè)置成至少覆蓋包含在所述裝置(I)內(nèi)的傳感器元件(11、12)。12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(I)，其中，所述第一傳感器元件(I I)和所述第二傳感器元件(12)和所述電子處理裝置(10)設(shè)置在組成所述裝置(I)的芯片(20)的相同側(cè)上， 或者其中，所述第一傳感器元件(11)相對(duì)于所述第二傳感器元件(I 2)和電子處理裝置(10)設(shè)置在所述芯片(20)的相對(duì)側(cè)上， 或者其中，所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)和所述電子處理裝置(10)設(shè)置為相對(duì)于組成所述裝置(I)的芯片(20)的表面，在不同的平面上作為浮雕突出。13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(I)，被配置成檢測(cè)在10—4毫巴與14毫巴之間的范圍內(nèi)的壓力值。14.一種由機(jī)電微型裝置(I)執(zhí)行的用于測(cè)量壓力的方法，所述方法包括以下步驟: -由所述裝置(I)的至少一個(gè)第一機(jī)電微型壓力傳感器元件(11)檢測(cè)第一壓力值(丹)并且生成表不所述第一壓力值(Pi)的第一電信號(hào)(Si); -由所述裝置I的至少一個(gè)第二機(jī)電微型壓力傳感器元件(12)檢測(cè)第二壓力值(P2)并且生成表示所述第二壓力值(P2)的第二電信號(hào)(S2)，所述至少一個(gè)第二機(jī)電微型壓力傳感器元件(12)設(shè)置在適合于密封所述至少一個(gè)第二機(jī)電微型壓力傳感器元件的相應(yīng)殼體(13)內(nèi)； -由所述裝置(I)的電子處理裝置(10)基于所述第一電信號(hào)(S1)和所述第二電信號(hào)(S2)，確定測(cè)量的壓力值(P); -由所述裝置(I)的接口裝置(15)在輸出時(shí)提供所述測(cè)量的壓力值(P)， 其中，所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)、所述電子處理裝置(10)以及所述接口裝置(15)包含在單個(gè)集成裝置內(nèi)。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: -在所述電子處理裝置(10)中儲(chǔ)存所述第二傳感器元件(12)在參考?jí)毫?P2)下的表征數(shù)據(jù)； -在所述殼體(13)內(nèi)保持所述第二傳感器元件(12)在所述參考?jí)毫?P2)下； -由所述電子處理裝置(10)基于所述第二電信號(hào)(S2)和所述表征數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)所述第一傳感器元件(11)和所述第二傳感器元件(12)。
【文檔編號(hào)】G01L15/00GK105940288SQ201580006679
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2015年1月29日
【發(fā)明人】詹皮耶羅·門薩
【申請(qǐng)人】納米技術(shù)分析責(zé)任有限公司