压力感测器的制造方法技术

公开了用于测量装置中的流体压力的压力感测器的制造方法。压力感测器包括端口元件，端口元件具有密封结构和膜。四个应变计将被附接至膜。应变计以惠斯通电桥使用以感测流体压力。第一有限元动作确定围绕膜的中心轴线具有相等的压缩应变的第一轮廓(C1)以及围绕膜的中心轴线具有相等的拉伸应变的第二轮廓(C2)，其中，当流体压力被施加到膜时，第一轮廓上的应变与第二轮廓上的应变相反。第二有限元动作确定应变计在第一轮廓和第二轮廓上的四个位置，以使得惠斯通电桥的输出处的最高误差信号与最小误差信号之间的差值在作用于压力感测器上的寄生力的影响下是最小的。

The manufacturing method of pressure sensor

A method of making a pressure sensor for measuring fluid pressure in a device is disclosed. The pressure sensor consists of a port element, and the port element has a sealing structure and a membrane. Four strain gauges will be attached to the membrane. The strain gauge Wheatstone bridge used to sense fluid pressure. First determine the central axis around the finite element action film has a first profile compression strain equivalent (C1) and the central axis around the membrane with equal tensile strain second (C2), which outline when fluid pressure is applied to the film, and the first second strain contour on the opposite contour. Four position second finite element action determine the strain gauge in the first and second contours on the contour, so that the difference between the highest error signal at the output of the Wheatstone bridge with minimum error signal in pressure measuring device on the influence of parasitic capacity is the minimum.

【技术实现步骤摘要】
压力感测器的制造方法
本专利技术涉及用于测量装置中的流体压力的基于应变计的压力感测器的制造方法。更具体地，本专利技术涉及用于确定具有流体感测侧和应变感测侧的圆膜上的应变计的位置的方法。本专利技术还涉及具有附接到圆膜上的应变计的压力感测器。
技术介绍
基于应变计的压力感测器用于测量压力，如车辆中的流体的压力。利用集成的惠斯通电桥的基于应变计的压力感测器表现出了高的过压能力、高输出、低失调和线性输出。常规的压力感测器通常利用结合到金属压力端口元件的膜的四个应变计。膜具有待暴露于流体压力的流体侧和应变感测侧。如本领域众所周知，应变计通过在压力被施加到隔膜上时使得两个应变计被压缩以及两个应变计被拉伸的方式定位在膜的应变感测侧上。EP2735855公开了能够将半惠斯通电桥的一个应变计定位在距离具有压缩应变的膜的中心的第一距离上并且将半惠斯通电桥的另一个应变计定位在距离具有拉伸应变的膜的中心的第二距离上，以提高源自一对应变计的电阻值的电信号的精度。然而，在将压力感测器安装在装置中之后，作用在金属压力端口元件上的寄生力在感测器的输出信号中引入误差。寄生力是除了作用在金属压力端口上的流体压力之外的力，并且可由例如例如安装力、热失配力和包装力构成。误差取决于寄生力的大小以及作用在金属压力端口上的力的位置和取向。金属压力端口元件包括密封表面以在感测器与装置之间提供密封。寄生力可以是作用在端口的密封表面或其他位置上的均匀的力、点力或均匀的力与点力的组合的形式。感测器的输出信号中因寄生力而导致的误差可能很大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于应变计的压力感测器的制造方法，该压力感测器用于测量由于作用在膜上的除了流体压力之外的力而导致输出信号中的灵敏度降低的装置中的流体压力。根据本专利技术的第一方面，这种目的通过具有权利要求1的特征的用于测量装置中的流体压力的压力感测器的制造方法来实现。实施本专利技术的有利实施方式和进一步的方式可通过从属权利要求中提及的措施来实现。根据本专利技术的用于测量装置中的流体压力的压力感测器的制造方法包括：-提供端口元件，端口元件包括密封结构和膜，膜具有待暴露于流体压力的流体侧、应变感测侧和中心轴线，密封结构在端口元件附接在装置的开口中时提供密封，膜具有膜中心轴线，并且端口元件具有端口中心轴线；-将四个应变计通过在流体压力被施加到圆膜时使两个应变计处于压缩应变而两个应变计处于拉伸应变的方式定位到应变感测侧；以及-连接四个应变计以形成惠斯通电桥电路。该方法的特征在于，该方法还包括位置确定动作，位置确定动作包括以下步骤：-生成端口元件的数学模型；-第一有限元动作，使用数学模型用有限元算法在圆膜的感测侧上确定围绕膜的中心轴线具有对于压力的相等的第一应变敏感度的具有第一半径的第一圆或轮廓以及围绕膜的中心轴线具有对于压力的相等的第二应变敏感度(符号相反)的具有第二半径的第二圆或第二轮廓，其中，当流体压力模拟被施加到膜时，第一圆或轮廓上的表面的压缩程度等于第二圆或轮廓上的表面的拉伸程度；以及-第二有限元动作，使用数学模型用有限元算法在第一圆或轮廓上确定四个应变计中的第一应变计的第一位置和第四应变计的第四位置以及在圆或轮廓上确定四个应变计中的第二应变计的第二位置和第三应变计的第三位置，其中，当特征寄生力被施加到密封结构上的任意位置或端口元件的任意其它位置时，由包括附接到相对应的确定的四个位置的四个应变计的模拟的惠斯通电桥测量的最高误差信号与最低误差信号之间的差值最小。当将四个应变计附接到膜的应变感测侧时，四个应变计中的两个应变计定位在第一圆或轮廓上的第一位置和第四位置上，而另外两个应变计定位在第二圆或轮廓上的第二位置和第三位置上。EP2735855教导了放置在压缩应变中的应变计的位置具有距离同心膜的中心的第一距离R1，并且放置在拉伸应变中的应变计的位置具有距离同心膜的中心的第二距离R2。因此，放置在压缩应变中的两个应变计的位置可以是具有半径R1的圆上的任何位置，并且放置在拉伸应变中的两个应变计的位置可以是具有半径R2的圆上的任何位置。这是由于膜的圆形对称尺寸导致的。这就是为什么在US7412892中公开的文献中可以发现形成半桥的两个应变片的两种配置定位成180°和90°。本专利技术基于这样的效果，即：当在端口元件的周长处施加寄生力时，由四个应变计形成的全惠斯通电桥的输出信号中引入的误差取决于寄生力施加在端口元件上的位置以及应变计定位在膜上的什么位置以及相应的应变计在膜上的应变感测方向什么。每个半桥应变计组合都具有其自身的寄生力误差特性曲线。已经发现，通过在给定预定的寄生力的情况下选择围绕膜的中心的两个半桥规之间的适当的旋转角度，能够为压力传感器最小化由全惠斯通电桥的输出信号中的寄生力导致的最大误差和最小误差之间的变化。此外，在六阶压力端口元件的离散旋转对称端口元件(称为六边形插塞)的情况下，本方法也可在由作用在端口元件外部上的任何寄生力导致的误差中的变化最小以及用于测量流体压力的灵敏度良好的情况下用于找到膜上四个应变计的位置。对于同心或圆膜，具有给予作用在膜上的流体力的相等的应变的感应侧上的轮廓为圆形。例如通过MEMS技术制造的压力感测器可具有非圆形周长的膜。在具有非圆形周长的膜的情况下，轮廓具有在膜的周长的形状与圆之间的形状。在实施方式中，第一有限元动作使用感测侧上的径向压缩应变的程度来确定第一轮廓并且使用感测侧上的径向拉伸应变的程度来确定第二轮廓。在可选实施方式中，第一有限元动作使用感测侧上的径向压缩应变的程度来确定第一轮廓并且使用感测侧上的切向拉伸应变的程度来确定第二轮廓。这些特征允许找到第一轮廓和第二轮廓以用于定位应变计，这为作用在膜上的流体压力提供最佳灵敏度。然后，将轮廓用作起点，以找到对作用在端口元件上的寄生力最不敏感的轮廓上的应变计的组合位置。在实施方式中，第二有限元动作还用有限元算法通过模拟作用在密封结构上的均匀的力来确定四个应变计的第一位置至第四位置，并且由模拟的惠斯通电桥测量的最高误差信号是最小的。该特征使得能够进一步降低压力感测器的输出信号中不可预测的安装力的影响。在第二方面，提供了用于测量装置中的流体压力的压力感测器。感测器包括金属端口元件。端口元件包括密封结构和膜，膜具有待暴露于流体压力的流体侧和应变感测侧。膜还包括中心轴线。当端口元件固定在装置的开口中时，密封结构提供密封。四个应变计通过在流体压力被施加到圆膜时使两个应变计处于压缩中而两个应变计处于拉伸中的方式附接到应变感测侧。四个应变计被电连接以形成惠斯通电桥电路。四个应变计的位置通过所附方法权利要求中任一项所限定的位置确定动作来确定。通过根据本申请中描述的方法预先确定四个应变计的最佳位置，能够针对每个具体应用找到最佳位置，以使得对于寄生力的灵敏度最小。例如，低压感测应用、高压感测应用、汽车应用、家庭应用等。通过以下结合附图的详细描述中，其它特征及优点将变得显而易见，附图通过示例的方式示出了实施方式的各种特征。附图说明这些和其它方面、性质和优点将在下文中基于参照附图进行的以下描述来进行解释，在附图中相似的参考编号指示相似或相当的部分，以及在附图中：图1示意性地示出了用于基于应变计的压力感测器的全部惠斯通电桥；图2示意性地示出了压力感测器的模型的立体本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于测量装置中的流体压力的压力感测器的制造方法，所述方法包括：‑提供端口元件(10)，所述端口元件包括密封结构(14)和膜(12)，所述膜具有待暴露于流体压力的流体侧和应变感测侧，所述密封结构在所述端口元件附接在所述装置的开口中时提供密封，所述膜具有膜中心轴线(30)，并且所述端口元件具有端口中心轴线(20)；‑将四个应变计(G1...G4)通过在流体压力被施加到所述膜时使两个应变计(G1、G4)处于压缩应变而两个应变计(G2、G3)处于拉伸应变的方式定位到所述应变感测侧；以及‑连接所述四个应变计以形成惠斯通电桥电路，其特征在于，所述方法还包括位置确定动作，所述位置确定动作包括：‑生成所述端口元件的数学模型；‑第一有限元动作，使用所述数学模型用有限元算法在所述膜的所述感测侧上确定围绕所述膜的中心轴线具有对于压力的第一应变敏感度的第一轮廓(C1)以及围绕所述膜的中心轴线具有对于压力的第二应变敏感度的第二轮廓(C2)，其中，当流体压力时被施加到所述膜时，所述第一轮廓上的所述表面的压缩程度等于所述第二轮廓上的所述表面的拉伸程度；以及‑第二有限元动作，使用所述数学模型用有限元算法在所述第一轮廓上确定所述四个应变计中的第一应变计(G1)的第一位置和第四应变计(G4)的第四位置以及在所述第二轮廓上确定所述四个应变计中的第二应变计(G2)的第二位置和第三应变计(G3)的第三位置，其中，当特征寄生力被施加到所述密封结构上的任意位置或所述端口元件的任意其它位置时，由包括附接到相对应的确定的四个位置的所述四个应变计的模拟的惠斯通电桥测量的最高误差信号与最低误差信号之间的差值最小；并且该方法还包括：‑将所述四个应变计中的两个定位在所述第一轮廓(C1)上的两个位置上，并且所述四个应变计中的两个定位在所述第二轮廓(C2)上的两个位置上。...

【技术特征摘要】
2016.04.20 EP 16166285.31.用于测量装置中的流体压力的压力感测器的制造方法，所述方法包括：-提供端口元件(10)，所述端口元件包括密封结构(14)和膜(12)，所述膜具有待暴露于流体压力的流体侧和应变感测侧，所述密封结构在所述端口元件附接在所述装置的开口中时提供密封，所述膜具有膜中心轴线(30)，并且所述端口元件具有端口中心轴线(20)；-将四个应变计(G1...G4)通过在流体压力被施加到所述膜时使两个应变计(G1、G4)处于压缩应变而两个应变计(G2、G3)处于拉伸应变的方式定位到所述应变感测侧；以及-连接所述四个应变计以形成惠斯通电桥电路，其特征在于，所述方法还包括位置确定动作，所述位置确定动作包括：-生成所述端口元件的数学模型；-第一有限元动作，使用所述数学模型用有限元算法在所述膜的所述感测侧上确定围绕所述膜的中心轴线具有对于压力的第一应变敏感度的第一轮廓(C1)以及围绕所述膜的中心轴线具有对于压力的第二应变敏感度的第二轮廓(C2)，其中，当流体压力时被施加到所述膜时，所述第一轮廓上的所述表面的压缩程度等于所述第二轮廓上的所述表面的拉伸程度；以及-第二有限元动作，使用所述数学模型用有限元算法在所述第一轮廓上确定所述四个应变计中的第一应变计(G1)的第一位置和第四应变计(G4)的第四位置以及在所述第二轮廓上确定所述四个应变计中的第二应变计(G2)的第二位置和第三应变计(G3)的第三位置，其中，当特征寄生力被施加到所述密封结构上的任意位置或所述端口元件的任意其它位置时，由包括附接到相对应的确定的四个位置的所述四个应变计的模拟的惠斯通电桥测量的最高误差信号与最低误差信号之间的差值最小；并且该方法还包括：-将所述四个应变计中的两个定位在所述第一轮廓(C1)上的两个位置上，并且所述四个应变计中的两个定位在所述第二轮廓(C2)上的两个位置上。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一有限元动作使用所述感测侧上的径向压缩应变的程度来确定所述第一轮廓并且使用所述感测侧上的径向拉伸应变的程度来确定所述第二轮廓。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一有限元动作使用所述感测侧上的径向压缩应变的程度来确定所述第一轮廓并且使用所述感测侧上的切向拉伸应变的程度来确定所述第二轮廓。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述膜是圆膜。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第一位置和所述第二位置位于第一径向线上，并且所述第三位置和所述第四位置位于第二径向线上。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述端口元件是非轴向对称的。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述密封结构具有不与所述圆膜的膜中心轴线重合的密封中心轴线。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述第二有限元动作还用所述有限元算法通过模拟作用在所述密封结构上的均匀的力来确定所述四个应变计的第一位置至第四位置，并且由模拟的所述惠斯通电桥测量的所述最高误差信号是最小的。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述密封结构是同心的。10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述端口元件具有至少一个对称平面。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述膜是圆膜，并且所述四...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伯特·费迪南·韦杰，维纳·约翰·皮特·克莱森，弗兰克·亨德利·雅各布斯，迪蒂·黑泽·威尔斯玛，
申请(专利权)人：森萨塔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US