CN105940288B - 用于压力测量的机电微型装置 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于压力测量的机电微型装置，该装置包括：至少一个第一机电微型压力传感器元件，配置成检测相应的第一压力值并且生成表示所述第一压力值的第一电信号；进一步包括至少一个第二机电微型压力传感器元件，配置成检测相应的第二压力值且生成表示第二压力值的第二电信号。第二传感器元件设置在适合于密封其的壳体内。该装置进一步包括电子处理装置，可操作地连接至第一传感器元件和第二传感器元件，并且被配置成基于所述第一电信号和第二电信号，确定测量的压力值；并且最后包括接口装置，可操作地连接至电子处理装置，并配置成在输出时提供测量的压力值。第一传感器元件和第二传感器元件、电子处理装置以及接口装置包含在单个集成装置内。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器装置的领域，具体而言，涉及微型机电传感器装置，用于在宽范围内测量压力(自过压，但是除了高真空条件以外)，例如，用在用于测量和分析的机器、工厂或仪器内。
背景技术
用于测量压力的几种机电***和装置是已知的。
第一类装置包括皮拉尼或热交叉型装置或MacLeod型装置，然而，在性能和测量精度方面，这些装置被视为“低端”装置。因此，这些装置不能用于要求高精度和更宽测量范围的很多应用。
第二类装置包括隔膜电容式压力传感器，在性能和测量精度方面，这些传感器被视为“高端”装置。然而，这些电容式压力传感器的第一缺点在于可测压力的范围，该范围对于规定的装置相当窄。因此，为了在宽压力范围内测量压力，必须并行使用多个压力传感器：例如，通常需要并行的至少三个电容式压力传感器，用于在10-4毫巴与103毫巴之间的压力范围内进行测量，并且已知的是没有能够测量在10-4毫巴与104毫巴之间的范围内的压力的商用仪器。
而且，为了在真实操作环境内有效地工作，各个压力测量装置必须不仅包括压力传感器本身，而且进一步包括元件(例如，处理模块、接口模块、有线或无线的、朝着更高级的控制器等)。因此，即使具有小尺寸，这些装置中的每个也变成“***”。不利地，这降低了装置的可靠性并且增加了复杂性，也增大了设计和维修成本。
进一步应注意的是，具有大的并且不断增长的重要性的应用领域与在生产机器或工厂或制造环境或分析和测量仪器内使用压力测量***/装置相关，其中，在很多不同的点内，在大范围内，在通常不利的环境条件下，需要以高精度测量压力，给这些装置带来临界的或者甚至极端的操作条件。
在这种应用领域中，需要具有尽可能紧凑、简单并且微型的装置，同时在精度和可靠性方面保持高性能，并且还大幅降低其生产和管理成本。
已知引用的装置(“低端”装置和“高端”装置)不能以令人满意的方式符合该需求。
除了以上内容，参考精度和可靠性的性能，在使用之前的校准程序和在使用期间的诊断程序以及可能的重新调整或者重新校准越来越重要。
关于这一点，现有解决方案未提供一种解决方案，或者至多允许通过高级***控制器执行远程控制程序，例如，所述控制器管理工厂内的多个装置。在所需要的时间和资源方面，这些控制程序会是复杂的并且昂贵的。
更具体而言，在与上述应用的要求相比，已知传感器装置可以具有几个缺点，其中：例如，在工业过程的压力循环期间，压力测量的不完全可重复性；在暴露到腐蚀性气体环境的应用中的使用受到若干限制；难以在具有大量的烟灰和微粒的环境中使用；每当新处理周期开始，需要从其运行所在的***中取出装置，以用于校准或重新校准或清洁；最后，需要复杂并且麻烦的管理和测量***，以使用装置的大型测量和管理仪器获得微小的测量信号。
因此，相对于校准和诊断，非常进一步需要具有尽可能“独立的”压力测量装置。而且，上面引用的已知装置未适当地满足这种需求。
还应观察到，即使都是期望的，微型和自足性的需要都提出了非常难以完全实现的冲突设计要求。
鉴于以上内容，本发明的目标在于，设计和提供一种微型机电传感器装置(以及相关测量方法)，以用于在较大范围内测量压力，这产生改进，以便满足上述需求，并且能够至少部分克服上面参考现有技术描述的缺点。
发明内容
根据本申请，提供一种用于压力测量的机电微型装置(1)，包括：
-至少一个第一机电微型压力传感器元件(11)，被配置成检测相应的第一压力值(P1)并且生成表示所述第一压力值(P1)的第一电信号(S1)；
-至少一个第二机电微型压力传感器元件(12)，设置在适合于密封所述第二机电微型压力传感器元件(12)的相应壳体(13)内，并且被配置成检测相应的第二压力值(P2)并且生成表示所述第二压力值(P2)的第二电信号(S2)；
-电子处理装置(10)，可操作地连接至所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)，所述电子处理装置被配置成基于所述第一电信号(S1)和所述第二电信号(S2)确定测量的压力值(P)；
-接口装置(15)，可操作地连接至所述电子处理装置(10)，并且被配置成在输出时提供所述测量的压力值(P)，
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)、所述电子处理装置(10)以及所述接口装置(15)包含在单个集成装置内。
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)、所述电子处理装置(10)以及所述接口装置(15)包含在所述集成装置的单个芯片(20)内。
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)中的每个被配置成具有机械或机电性能，所述机械或机电性能根据所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)中的每个经受的压力或者流体动力，与至少一个相应的第一机械或机电变量或第二机械或机电变量相关，并且其中，分别基于所述至少一个相应的第一机械或机电变量或第二机械或机电变量，生成所述第一电信号(S1)和所述第二电信号(S2)中的每个。
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)中的每个包括相应的MEMS/NEMS型振荡元件。
其中，所述MEMS/NEMS型振荡元件中的每个包括微悬臂梁，被配置成通过取决于其经受的压力的动态响应而振荡。
该机电微型装置(1)包括多个第二机电微型压力传感器元件(12)，用于检测相应的多个第二压力值(P2)，并且生成表示所述第二压力值(P2)的相应多个第二电信号(S2)；并且其中，所述电子处理装置(10)被进一步配置成基于所述第二电信号(S2)的处理，生成所述测量的压力值(P)。
其中，所述壳体(13)被配置成采取密封状态，在密封状态下，所述壳体保护所述至少一个第二机电微型压力传感器元件(12)不直接暴露到周围环境中，保持所述至少一个第二机电微型压力传感器元件处于与所述第二压力值(P2)一致的参考压力下，其中，所述电子处理装置(10)包括存储器，所述存储器被配置成储存在所述参考压力(P2)下表征所述第二机电微型压力传感器元件(12)的表征数据，并且其中，所述电子处理装置(10)被配置成基于所述第二电信号(S2)和储存的所述表征数据，校准所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)。
其中，所述电子处理装置(10)被配置成处理由所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)接收的数据，并且基于接收的数据，执行所述第一机电微型压力传感器元件(11)的诊断程序，以便识别所述第一机电微型压力传感器元件(11)会经受的潜在的磁滞现象和/或缺陷和/或潜在的热和/或机械漂移。
其中，所述电子处理装置(10)被配置成在所述诊断程序给出消极结果的情况下，执行所述第一机电微型压力传感器元件(11)的调整和/或补偿和/或优化程序，以校正和/或补偿基于所述诊断程序的结果识别的磁滞现象和/或缺陷和/或漂移。
其中，该机电微型装置(1)进一步包括控制加热装置(61、62、63、64)，被配置成在所述电子处理装置(10)的控制下，对所述第一机电微型压力传感器元件(11)的微悬臂梁的表面上吸收的气体执行除气和/或去除，并且其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)的所述调整程序包括对所述微悬臂梁元件的表面上吸收的气体执行所述除气和/或去除。
其中，该机电微型装置(1)进一步包括保护薄膜，被配置成减少处理气体的吸附并且防止腐蚀现象，并且被设置成覆盖至少第一机电微型压力传感器元件(11)，或者进一步包括包含微米框式过滤器的封装件(80)，被设置成至少覆盖包含在所述装置(1)内的第一机电微型压力传感器元件(11)和第二机电微型压力传感器元件(12)。
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)和所述电子处理装置(10)设置在组成所述机电微型装置(1)的芯片(20)的相同侧上，或者其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)相对于所述第二机电微型压力传感器元件(12)和电子处理装置(10)设置在所述芯片(20)的相对侧上，或者其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)和所述电子处理装置(10)设置为相对于组成所述机电微型装置(1)的芯片(20)的表面，在不同的平面上作为浮雕突出。
其中，该机电微型装置(1)被配置成检测在10-4毫巴与104毫巴之间的范围内的压力值。
根据本申请的实施方式，提供一种由机电微型装置(1)执行的用于测量压力的方法，所述方法包括以下步骤：
-由所述机电微型装置(1)的至少一个第一机电微型压力传感器元件(11)检测第一压力值(P1)并且生成表示所述第一压力值(P1)的第一电信号(S1)；
-由所述机电微型装置1的至少一个第二机电微型压力传感器元件(12)检测第二压力值(P2)并且生成表示所述第二压力值(P2)的第二电信号(S2)，所述至少一个第二机电微型压力传感器元件(12)设置在适合于密封所述至少一个第二机电微型压力传感器元件的相应壳体(13)内；
-由所述机电微型装置(1)的电子处理装置(10)基于所述第一电信号(S1)和所述第二电信号(S2)，确定测量的压力值(P)；
-由所述机电微型装置(1)的接口装置(15)在输出时提供所述测量的压力值(P)，
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)、所述电子处理装置(10)以及所述接口装置(15)包含在单个集成装置内。
其中，该方法进一步包括以下步骤：
-在所述电子处理装置(10)中储存所述第二机电微型压力传感器元件(12)在参考压力(P2)下的表征数据；
-在所述壳体(13)内保持所述第二机电微型压力传感器元件(12)在所述参考压力(P2)下；
-由所述电子处理装置(10)基于所述第二电信号(S2)和所述表征数据，校准所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)。
附图说明
从以下参考附图对以示意性以及非限制性示例的方式提供的优选示例性实施方式进行的描述，将得到根据本发明的用于压力测量的微型装置的其他特征和优点，附图中：
图1示出了根据本发明的装置的简化功能图；
图2示出了根据本发明的装置的示例性实施方式的更详细示意图；
图3示出了根据本发明的装置的第一实施方式的结构图；
图4是图3的装置的另一个示例性实施方式；
图5A和图5B示出了根据本发明的装置的第二实施方式的结构图；
图6示出了根据本发明的装置的第三实施方式的结构图。
具体实施方式
参考图1至图6，描述了根据本发明的用于压力测量的机电微型装置1。
该装置1包括至少一个第一机电微型压力传感器元件11，其被配置成检测第一压力值P1并且生成表示上述第一压力值P1的第一电信号S1。
该装置1还包括至少一个第二机电微型压力传感器元件12，其被配置成检测相应的第二压力值P2并且生成表示上述第二压力值P2的第二电信号S2。
第二机电微型压力传感器元件12设置在适合于密封第二传感器元件的相应壳体13内。
然后，该装置1包括电子处理装置10，其可操作地连接至第一和第二传感器元件(分别是11、12)并且被配置成基于由传感器元件11、12生成的并且由电子处理装置10接收的第一和第二电信号(分别是S1、S2)，确定测量的压力值P。
该装置1还包括接口装置15，其可操作地连接至电子处理装置10并且被配置成在输出时提供上述测量的压力值P。
至少一个第一传感器元件11、至少一个第二传感器元件12、电子处理装置10以及所述接口装置15均包含在单个集成装置内。
应注意的是，“集成装置”在本文中表示通过集成微/纳电子技术制造的并且包含或者可包含在单个单独封装件内的装置。
根据优选的示例性实施方式，装置1是通过单个芯片20(例如，在图3示出，通常由硅制成)制成的集成装置。在这种情况下，第一和第二传感器元件、电子处理装置以及接口装置均包含(即，整合)在集成装置1的芯片20内。
根据也包含在本发明内的不同的实例，该装置1还包括两个半芯片，其还在微观层次上彼此连接。
根据其他示例性实施方式，装置1可以包括以微观的尺度彼此连接的多个芯片或者单独的多层芯片，以便通过任何方式获得集成装置。
基于以上内容，还可以理解“微型装置”的定义，即，在整合时，具有微米等级的尺寸的装置，例如，总体为几百μm2或mm2大小的量级，该尺寸依然低于可以处理和操作的最小尺寸，其中，通过给装置提供合适的封装，获得这种最小尺寸。
应进一步注意的是，这种微型不仅涉及实际传感器元件(允许扩大测量范围)，而且涉及属于该装置的其他处理和接口元件(有助于改善信噪比)。
现在，参考第一和第二传感器元件，应注意的是，原则上可以通过能够提供表示检测的压力的电变量的任何机电换能器实现。
具体地，第一传感器元件11和第二传感器元件12被配置成具有机械或机电性能，所述机械或机电性能根据各传感器元件分别经受的压力(分别是P1、P2)或者流体动力，与第一和第二机械或机电变量(例如，位置或运动或振荡)相关。
而且，第一传感器元件11和第二传感器元件12进一步被配置成基于对压力或流体动力敏感的相应的第一和第二机械或机电变量，生成或者转换为上述第一电信号S1和第二电信号S2(分别表示第一压力值P1和第二压力值P2)。
例如，电信号S1和S2的光谱峰值或其他电变量的幅度或谐振频率或宽度可以相关，并且可以表示由相应传感器元件检测的压力值(根据本身已知的理论观点)。
应注意的是，在优选的示例性实施方式中，这两个传感器元件相同并且被设计成基于相同的原理并且基于相同的变量，表现为相同的方式。
在其他示例性实施方式中，这两个传感器元件甚至可以彼此不同，只要明确已知其性能的相关性，以便允许限定“标称性能”，并且下面在本文中更好地解释，允许从这种“标称性能”中识别第一传感器元件11的可能偏差。
现在，参考图2至图6，更好地示出根据优选的示例性实施方式(相关的变化/选择)的装置，其中，第一传感器元件11和第二传感器元件12彼此相似，并且其中的每个包括MEMS/NEMS(微型/纳型机电***)型的相应振荡元件。
具体地，根据一个实施方式，这种MEMS/NEMS型振荡元件包括微悬臂梁，其被配置成通过取决于其经受的压力的动态响应振荡。
因此，在图2至图6中，作为第一传感器元件的第一微悬臂梁指定为11，而作为第二传感器元件的第二微悬臂梁指定为12；用虚线表示第二微悬臂梁，这是因为在示出的示图中，其实际上被壳体13覆盖。
微悬臂梁操作原理规定，表征机电变量与振荡相关：微悬臂梁以具有阻尼因数α的频率阻尼振荡，阻尼因数α取决于其经受的压力。因此，能够生成电信号(即，S1或S2)，其动态响应表示微悬臂梁经受的压力。通常，阻尼因数α与微悬臂梁的厚度d成反比。因此，微悬臂梁(一般而言，传感器元件)的微型是一个重要方面，以便允许本发明的装置在特别宽的整个压力值范围内进行测量。
根据实施方式，通过施加具有已知频率的强制波形，激发这两个微悬臂梁11、12中的每个。动态响应以及因此相关的典型参数(例如，谐振频率、品质因数、振荡幅度)取决于压力。为此，该装置可以进一步包括函数发生器电路或频率发生器51，其被配置成通过激发信号在第一和第二微悬臂梁中的每个上产生输入振荡。
而且，在该选择中，假设电子处理装置10包括处理单元52和解调电路53，其被配置成分别基于第一电信号S1或参考电信号S2的频率，分别估计第一和第二微悬臂梁的第一和第二输出振荡频率以及激发信号的频率；然后，解调电路53向处理单元52传送与这些第一和第二振荡频率和激发信号频率相关的信息。
根据示例性实施方式，如图所示，该解调电路53是信号锁定电路。
上面示出的实施方式实际上基于整合在装置内的双MEMS/NEMS振荡器，其中，这两个MEMS/NEMS振荡器分享频率生成和解调锁定电路，并且由第一和第二微悬臂梁表征，作为相应的活动元件。
频率生成电路51“激发”微悬臂梁，并且锁定电路53检测这两个微悬臂梁11、12的输出振荡频率，从而根据这两个输出频率和参考激发信号的比较，提供信号。
通过考虑该装置包括双MEMS/NEMS振荡器，可以理解到，如何应用多个压力检测方法。实际上，该装置可以被配置成基于电信号S1和S2的一个或多个特性，检测压力：例如，基于与标称(例如，强制)频率相关的振荡频率的变化；或者基于在每个电信号的光谱内可见的振荡峰值的扩展；或通过测量其品质因数。为此，例如，可以使用已知的方法和相关性，来操作微悬臂梁振荡器，例如，可以引用在Hosaka等人的“Dampingcharacteristics ofbeam-shaped micro-oscillators”、Sensors and Actuators A 49(1995),87-95中报告的那些方法和相关性。
根据具体的示例性实施方式，第一和第二传感器元件的微悬臂梁被配置成在相对于形成装置的芯片20的表面平行的方向上振荡。
根据另一个具体的示例性实施方式，第一和第二传感器元件的微悬臂梁被配置成在相对于形成装置的芯片20的表面垂直的方向上振荡。
参考密封和保护壳体13，应注意的是，根据示例性实施方式，该壳体被配置成采取关闭状态和打开状态：在关闭状态中，所述壳体保护至少一个第二传感器元件12不直接暴露到周围环境中；在打开状态中，允许至少一个第二传感器元件直接暴露到周围环境中。
现在，考虑关闭和密封壳体13的情况。因此，壳体13封闭参考传感器元件12，从而保护该元件不因环境条件可能造成退化现象，同时保持压力条件固定并且稳定在先验限定的已知值(在本文中称为“参考压力”，这是因为这是某个绝对参考点)。鉴于此，第二传感器元件12通过良好的或者优异的精度保持“标称性能”，其中，已经先验地仔细表征。因此，甚至在操作期间，第二传感器元件采用“参考传感器”的重要功能，其在每次操作期间具有稳定的并且通过任何方式可预测的性能。通过比较这两个传感器的性能，因此，可以检测和校正第一传感器元件11与其“标称性能”的可能偏差。
更详细地说，第二参考传感器元件12的所有机电或机械电子性能是已知的，这是因为这些性能相对于参考压力已经先验表征，例如，作为操作温度、振荡频率、振荡幅度等的函数；并且进一步储存在包含在电子处理装置10内的存储器内。
从数学的观点来看，基于第二传感器元件12生成的第二电信号S2，第二传感器元件的表征数据实际上限定“参考超曲面”，允许明确了解参考传感器元件的机电性能以及操作条件(例如，操作温度)，并且称为第二传感器元件12在密封的壳体内部经受的参考压力。
因此，在处理装置10从第二传感器元件12中接收电信号S2时，将其称为已知的参考压力值P2，保持在密封壳体13内部，因此，基于储存的表征数据，处理装置10可以了解参考传感器元件12的机电性能和操作条件。因此，处理装置10还能够计算存在于S2与P2之间的精确转换因数(在本文中指定为“第二转换因数”)。
应注意的是，除了压力以外，彼此非常接近的这两个传感器元件11、12的操作条件相同。而且，这两个传感器元件的机电性能在标称上相同(如果这两个传感器元件完全相同)，或者根据预设的设计标准，至少通过已知的并且确定性的方式彼此相关(如果这两个传感器元件不同)。
因此，基于第二转换因数，电子处理装置10能够计算合适的转换因数(在本文中指定为“第一转换因数”或“校准因数”)，以应用于由第一传感器元件11生成的信号S1，从而精确地计算第一传感器元件11(从而装置1)经受的压力值P，即，要测量的值。
第一和第二转换因数可以正好相同或者可以基于初始表征，通过已知的并且确定性的方式彼此相关，以及例如根据该装置运行所在的压力范围而变化。
简单地说，由于从第一传感器元件11和第二传感器元件12接收信息，所以通过考虑第一和第二电信号，处理装置10能够更精确地估计存在于装置上的实际压力，即，测量的压力P。
基于表示由第一传感器元件11检测的压力P1和第二传感器元件12检测的压力P2的电信号S1和S2，压力P的估计方法可以不同，也与上面通过实例描述的方法不同。
还应注意的是，根据实现方式选择，该装置包括多个第二传感器元件12，以便检测相应多个第二压力值P2，并且生成表示这种第二压力值P2的相应多个第二电信号S2；电子处理装置10进一步被配置成基于所述第二电信号S2的处理，生成测量的压力值P。多个“参考传感器”可以用于在装置的整个测量范围内改善精度并且用于得到冗余和可靠性。
在激活装置1时并且在正常操作周期内，执行上述操作；因此，这种操作实际上执行该装置能够执行的“初始自校准”和“运行校准”程序。
而且，根据进一步实现方式实例，电子处理装置10被配置成处理从第一传感器元件11和第二传感器元件12中接收的数据，并且基于这种接收的数据，对第一传感器元件11执行诊断程序，以便识别第一传感器元件经受的可能磁滞现象和/或缺陷和/或可能的热和/或机械漂移。
更精确地说，如果存在于装置的环境内的压力已知并且等于参考压力，则比较信号S1和S2。例如，在环境压力(例如，在操作周期结束时)和参考压力是通过压力控制元件(“吸气器”)保持在壳体内的真空压力(例如，UHV)时，或者在环境压力与真空不同，但是已知并且由在壳体13内的“吸气器”产生相似的压力时，发生这种情况。
在这些情况下，如果S1和S2相差较小的量，小于预设的阈值，则表示第一传感器元件11良好地运行，并且诊断具有积极结果；可能地，通过与上面关于校准描述的内容相似的方式，通过作用在上述第一转换因数上，补偿检测差异。
另一方面，如果S1和S2相差显著量，例如，大于上述阈值，则诊断具有消极结果，并且仅仅校准补偿是不够的。
根据实现方式实例，即使外部环境的压力未知，或者如果不符合参考压力，则装置1能够执行诊断程序。在该实例中，壳体13暂时打开，以便将第二传感器元件12暂时暴露在与第一传感器元件11被暴露所在的相同环境。然后，执行诊断程序，最后，壳体13再次关闭和密封，并且恢复参考压力条件，例如，通过嵌入的“吸气器”。
在提供多个第二传感器元件12的情况下，可以在参考压力条件下保持其中的一个始终关闭和密封。
在诊断程序产生消极结果的情况下，根据进一步示例性选择，电子处理装置10还被配置成执行第一传感器元件的调整和/或补偿和/或优化程序，以校正和/或补偿基于所述诊断程序的结果的磁滞现象和/或缺陷和/或识别的漂移。
在可能的实现方式选择中，电子处理装置10被配置成储存第一传感器元件11的期望的操作条件，以比较期望的操作条件和由诊断程序检测的操作条件，并且基于这种比较，通过调整程序进行干预，以恢复期望的操作条件并且保证执行的测量的可重复性。
在装置1内具有实际上是“自诊断”的可用诊断程序的优点显而易见。具有实际上是“自调整”的随之发生的可用调整(或重新校准)程序的进一步优点也显而易见。
只要甚至该“自调整”程序未恢复适当的操作条件，就从电子处理装置10朝着更高级的***控制器发送故障信号。
为了允许调整程序，装置1进一步包括控制加热装置，包括放在第一传感器元件11附近或之上的一个或多个温度传感器61(例如，微型温度计)和至少一个加热元件62(例如，一个或多个微型电阻)、以及热源(或“加热器”)63，其通常与连接至外部电源接口65的加热装置的供应和管理电路64相关联。上述控制加热装置被配置成在电子处理装置10的控制下，执行在第一传感器元件11的微悬臂梁11的表面上吸收的气体的除气和/或去除，所述电子处理装置又基于温度计61检测的温度以及诊断程序的结果进行操作。
在这种情况下，第一传感器元件11的上述调整程序包括通过控制加热装置对微悬臂梁元11的表面上吸收的气体进行除气和/或去除。
应注意的是，上述加热器63可以用于还在自动调整除外的其他操作步骤中以受控的方式改变装置的热操作条件。
根据一个示例性实施方式，该装置进一步包括保护薄膜，例如，技术专用薄膜，其被配置成减少处理气体的吸附(例如，疏水薄膜，用于防止吸附处理环境中存在的水分)并且防止腐蚀现象。这些保护薄膜被设置成覆盖至少第一传感器元件11。
根据进一步示例性实施方式，该装置进一步包括包含微米框式过滤器和/或抗微粒过滤器的封装件80，其被设置成至少覆盖包含在装置1内的传感器元件11、12，并且被配置成保护这些元件免受微粒或烟灰。在装置1旨在用于工业环境中时，该选择特别有利。参考装置1的实施方式，通过图4的分解图，示出在此处描述的实例，但是还可以适用于在图5和6示出的实施方式。
根据一个实现方式选择，电子处理装置10包括整合在装置1内的至少一个电子处理器(CPU)52。然后，该CPU可以用作嵌入式片上可编程微处理器。
根据一个实现方式实例，接口装置15包括无线或有线和/或带销的输入和输出装置。总体上，该接口可以通过通用和适合的方式与外部世界(例如，与外部工厂控制***)交互，以用于传输和/或接收信息和/或信号和/或命令。
根据一个示例性实施方式，接口装置15包括：有线输入装置71和无线发射器70(例如，WiFi发射器)，用于远程传输来自关闭的操作区域(例如，车胎、泵内部区域以及真空室)的信号；以及输出销72，其能够提供例如直接模拟输出信号和/或数字TTL输出信号；和/或用于串行通信协议的接口。
在装置内整合的CPU 52和接口15的存在允许装置1从更高级控制***中接收信息(例如，控制信号)并且将信息发送给更高级控制***，例如，装置操作所在的工厂/环境的操作控制***。因此，装置1完全整合在操作工厂/环境内。
根据示例性实现方式实例，装置1包括其他集成电子电路，其包括一个或多个以下电子电路：专用I/O管理电路、加热元件的电源和管理电路64。
上面示出了可选地存在于装置1内的几个“辅助”电子电路(频率发生器51、锁定电路52、加热器53、专用I/O管理电路等)。这些辅助电子电路整合在装置1内。可选地，这些辅助电子电路可以制造在包含传感器元件11、12、处理装置10以及接口装置15的相同芯片20内或者在也微连接至上述主芯片的其他芯片内，以便构成集成装置。
参考该装置的结构方面，尤其参考包括仅仅一个芯片20的情况，在图3、图5A-5B以及图6中通过实例示出三个不同的实施方式。这些不同的实施方式共享因此使用相同的参考数字显示的先前描述的所有元件和结构方面。
实施方式之间的不同之处在于在装置中(尤其在包含在装置内的单个芯片20中)设置元件的方式，。
在图3示出的第一实施方式中，第一传感器元件11和第二传感器元件12和电子处理装置10设置在形成装置1的芯片20的相同侧上。
在第二实施方式中，第一传感器元件11设置在芯片20的一侧，而第二传感器元件12和电子处理装置10设置在形成装置的芯片20的另一侧上。
这在图5A(示出芯片的一侧)和图5B(示出芯片的另一侧)中示出。
该第二实施方式提供了相对于装置的其他元件分离加热元件62(微型电阻)的优点，减少了散热问题。而且，其他元件放在面向更高压力或大气压力区域的芯片的侧上，例如，可以更容易冷却。
在图6示出的第三实施方式中，第一传感器元件11和第二传感器元件12和电子处理装置10设置为在相对于组成装置的芯片20的表面不同的平面上作为浮雕突出。
通过将装置的上述元件以任何组合设置在芯片20的任一侧上，可以构成还包含在本发明内的进一步优点。
在上述所有实施方式和相关变形中，根据本发明的装置1被配置成检测在大间隔范围内的压力。该大范围是该装置基于的上述物理现象允许的并且传感器元件的微型尺寸能够实现的范围。根据非限制性实例，该范围可以从10-5毫巴到105毫巴(因此，仅仅不包括极低压力或高真空值)。
根据优选的实施方式，装置1被配置成检测在10-4毫巴与104毫巴之间的压力值。
现在，将描述通过根据本发明的装置执行的用于压力测量的方法。
该方法包括以下步骤：由装置1的至少一个第一机电微型压力传感器元件11检测第一压力值P1并且生成表示第一压力值P1的第一电信号S1；同样，由设置在适合于密封第二传感器元件的相应壳体13内的、装置1的至少一个第二机电微型压力传感器元件12检测第二压力值P2并且生成表示所述第二压力值P2的第二电信号S2。
然后，该方法包括以下步骤：由电子处理装置10基于上述第一和第二电信号S1和S2，确定测量的压力值P；并且最后，由装置1的接口装置15在输出时提供测量的压力值P。
第一传感器元件11和第二传感器元件12、电子处理装置10以及接口装置15均包含在单个集成装置内。
根据示例性实施方式，该方法进一步包括以下步骤：在电子处理装置10中，储存在参考压力P2下第二传感器元件12的表征数据；在壳体13内保持第二传感器元件12处于参考压力P2下；由电子处理装置10基于第二电信号S2和上述表征数据，校准第一传感器元件11和第二传感器元件12。
根据进一步示例性实施方式，该方法进一步包括以下步骤：将第一传感器元件11和第二传感器元件12布置在相同的压力下；比较由此生成的第一电信号S1和第二电信号S2；操作第一传感器元件11的操作的诊断程序。
根据更进一步示例性实施方式，在诊断程序产生消极结果的情况下，该方法进一步包括以下步骤：通过控制的方式加热第一传感器元件11，以对其内吸附的气体进行脱气和/或去除。
可以看出，鉴于示出的特征，本发明的目标由上述***实现。
实际上，通过上面描述的内容，本发明的装置显然是能够提供高精度和可靠性性能的微型装置。
而且，由于上述结构和功能特征，所以该装置结果是独立式(能够自校准和自诊断)。还能够处理并且在某种程度上校正几个退化原因，实际上发生这些原因，并且由于影响第一传感器元件，所以这些原因会使装置性能恶化。
而且，如上所述，该装置允许在微观的水平上管理微观信号，随之发生的进一步优点在于，增强可实现的信噪比。
对于上述用于压力测量的机电微型装置的实施方式，为了满足可能的需求，在不背离以下权利要求的范围的情况下，还通过产生混合实现方式，本领域的技术人员可以也结合先有技术，使用功能上等同的元件来执行元件的修改、适应以及更换。描述为属于可能的实施方式的每个特征可以独立于在本文中描述的其他实施方式执行。还应注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一(a)”不排除多个。而且，示图不必按比例绘制；相反，给本发明的原理的说明提供相关性。
Claims (15)
1.一种用于压力测量的机电微型装置(1)，包括：
-至少一个第一机电微型压力传感器元件(11)，被配置成检测相应的第一压力值(P1)并且生成表示所述第一压力值(P1)的第一电信号(S1)；
-至少一个第二机电微型压力传感器元件(12)，设置在适合于密封所述第二机电微型压力传感器元件(12)的相应壳体(13)内，并且被配置成检测相应的第二压力值(P2)并且生成表示所述第二压力值(P2)的第二电信号(S2)；
其中，所述壳体被配置成能够采取密封状态和打开状态，在密封状态下，所述壳体保护所述至少一个第二机电微型压力传感器元件不直接暴露到周围环境，在打开状态中，允许所述至少一个第二机电微型压力传感器元件直接暴露到周围环境中，
-电子处理装置(10)，可操作地连接至所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)，所述电子处理装置被配置成基于所述第一电信号(S1)和所述第二电信号(S2)确定测量的压力值(P)；
-接口装置(15)，可操作地连接至所述电子处理装置(10)，并且被配置成在输出时提供所述测量的压力值(P)，
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)、所述电子处理装置(10)以及所述接口装置(15)包含在单个集成装置内。
2.根据权利要求1所述的机电微型装置(1)，其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)、所述电子处理装置(10)以及所述接口装置(15)包含在所述集成装置的单个芯片(20)内。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的机电微型装置(1)，其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)中的每个被配置成具有机械或机电性能，所述机械或机电性能根据所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)中的每个经受的压力或者流体动力，与至少一个相应的第一机械或机电变量或第二机械或机电变量相关，
并且其中，分别基于所述至少一个相应的第一机械或机电变量或第二机械或机电变量，生成所述第一电信号(S1)和所述第二电信号(S2)中的每个。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的机电微型装置(1)，其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)中的每个包括相应的MEMS/NEMS型振荡元件。
5.根据权利要求4所述的机电微型装置(1)，其中，所述MEMS/NEMS型振荡元件中的每个包括微悬臂梁，被配置成通过取决于其经受的压力的动态响应而振荡。
6.根据权利要求1和2中任一项所述的机电微型装置(1)，包括多个第二机电微型压力传感器元件(12)，用于检测相应的多个第二压力值(P2)，并且生成表示所述第二压力值(P2)的相应多个第二电信号(S2)；
并且其中，所述电子处理装置(10)被进一步配置成基于所述第二电信号(S2)的处理，生成所述测量的压力值(P)。
7.根据权利要求1和2中任一项所述的机电微型装置(1)，其中，所述壳体(13)被配置成在所述密封状态下，保持所述至少一个第二机电微型压力传感器元件处于与所述第二压力值(P2)一致的参考压力下，
其中，所述电子处理装置(10)包括存储器，所述存储器被配置成储存在所述参考压力(P2)下表征所述第二机电微型压力传感器元件(12)的表征数据，
并且其中，所述电子处理装置(10)被配置成基于所述第二电信号(S2)和储存的所述表征数据，校准所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)。
8.根据权利要求1和2中任一项所述的机电微型装置(1)，其中，所述电子处理装置(10)被配置成处理由所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)接收的数据，并且基于接收的数据，执行所述第一机电微型压力传感器元件(11)的诊断程序，以便识别所述第一机电微型压力传感器元件(11)会经受的潜在的磁滞现象和/或缺陷和/或潜在的热和/或机械漂移。
9.根据权利要求8所述的机电微型装置(1)，其中，所述电子处理装置(10)被配置成在所述诊断程序给出消极结果的情况下，执行所述第一机电微型压力传感器元件(11)的调整和/或补偿和/或优化程序，以校正和/或补偿基于所述诊断程序的结果识别的磁滞现象和/或缺陷和/或漂移。
10.根据权利要求9所述的机电微型装置(1)，进一步包括控制加热装置(61、62、63、64)，被配置成在所述电子处理装置(10)的控制下，对所述第一机电微型压力传感器元件(11)的微悬臂梁的表面上吸收的气体执行除气，并且其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)的所述调整程序包括对所述微悬臂梁的表面上吸收的气体执行所述除气。
11.根据权利要求1和2中任一项所述的机电微型装置(1)，进一步包括保护薄膜，被配置成减少处理气体的吸附并且防止腐蚀现象，并且被设置成覆盖至少第一机电微型压力传感器元件(11)，
或者进一步包括包含微米框式过滤器的封装件(80)，被设置成至少覆盖包含在所述机电微型装置(1)内的第一机电微型压力传感器元件(11)和第二机电微型压力传感器元件(12)。
12.根据权利要求2所述的机电微型装置(1)，其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)和所述电子处理装置(10)设置在组成所述机电微型装置(1)的芯片(20)的相同侧上，
或者其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)相对于所述第二机电微型压力传感器元件(12)和电子处理装置(10)设置在所述芯片(20)的相对侧上，
或者其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)和所述电子处理装置(10)设置为相对于组成所述机电微型装置(1)的芯片(20)的表面，在不同的平面上作为浮雕突出。
13.根据权利要求1和2中任一项所述的机电微型装置(1)，被配置成检测在10-4毫巴与104毫巴之间的范围内的压力值。
14.一种由机电微型装置(1)执行的用于测量压力的方法，所述方法包括以下步骤：
-由所述机电微型装置(1)的至少一个第一机电微型压力传感器元件(11)检测第一压力值(P1)并且生成表示所述第一压力值(P1)的第一电信号(S1)；
-由所述机电微型装置(1)的至少一个第二机电微型压力传感器元件(12)检测第二压力值(P2)并且生成表示所述第二压力值(P2)的第二电信号(S2)，所述至少一个第二机电微型压力传感器元件(12)设置在适合于密封所述至少一个第二机电微型压力传感器元件的相应壳体(13)内；
其中，所述壳体被配置成能够采取密封状态和打开状态，在密封状态下，所述壳体保护所述至少一个第二机电微型压力传感器元件不直接暴露到周围环境，在打开状态中，允许所述至少一个第二机电微型压力传感器元件直接暴露到周围环境中，
-由所述机电微型装置(1)的电子处理装置(10)基于所述第一电信号(S1)和所述第二电信号(S2)，确定测量的压力值(P)；
-由所述机电微型装置(1)的接口装置(15)在输出时提供所述测量的压力值(P)，
其中，所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)、所述电子处理装置(10)以及所述接口装置(15)包含在单个集成装置内。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：
-在所述电子处理装置(10)中储存所述第二机电微型压力传感器元件(12)在参考压力(P2)下的表征数据；
-在所述壳体(13)内保持所述第二机电微型压力传感器元件(12)在所述参考压力(P2)下；
-由所述电子处理装置(10)基于所述第二电信号(S2)和所述表征数据，校准所述第一机电微型压力传感器元件(11)和所述第二机电微型压力传感器元件(12)。
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