EP3391001A1 - Drucksensor und verfahren zum bedienen eines drucksensors - Google Patents

Drucksensor und verfahren zum bedienen eines drucksensors

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EP3391001A1
EP3391001A1 EP16795097.1A EP16795097A EP3391001A1 EP 3391001 A1 EP3391001 A1 EP 3391001A1 EP 16795097 A EP16795097 A EP 16795097A EP 3391001 A1 EP3391001 A1 EP 3391001A1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure
pressure sensor
electrical signal
optical excitation
measuring
Prior art date
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Ceased
Application number
EP16795097.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max JEHLE
Marc Andreas SCHLACHTER
Davide Parrotto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3391001A1 publication Critical patent/EP3391001A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0019—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element
    • G01L9/002—Optical excitation or measuring
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor for determining a pressure measurement and a method for operating such a pressure sensor.
  • Pressure sensors are used to detect pressures and are often used in industrial metrology, for example for level measurement or flow measurement. Depending on the application, different types of pressure sensors are used. Thus, a pressure sensor, for example, as an absolute pressure sensor, as
  • Relative pressure sensor or be designed as a differential pressure sensor. In principle, however, all pressure sensors have the same structure and typically include a housing in which a pressure sensor element is arranged. In pressure measurement technology, semiconductor pressure sensor elements, for example silicon-based, are popular.
  • the semiconductor pressure sensor elements in this case have a measuring diaphragm which typically has four in its edge region
  • the measuring diaphragm is pressurized on its first side with a first pressure and on its second side with a second pressure, so that the two pressures cause a deflection of the measuring diaphragm.
  • the pressure-dependent deflection of the measuring diaphragm is via the integrated
  • Relative pressure sensor an absolute pressure sensor or a differential pressure sensor
  • the measuring membrane is applied to the corresponding two pressures.
  • the pressure sensor is designed as an absolute pressure sensor
  • one of the two sides of the measuring diaphragm is exposed to a vacuum and the other side of the measuring diaphragm is supplied with a measured media pressure.
  • the absolute pressure sensor thus measures the absolute pressure, ie the medium pressure to be measured in comparison to the vacuum as a reference pressure.
  • the pressure sensor is designed as a relative pressure sensor
  • one of the two sides of the measuring diaphragm is exposed to an atmospheric air pressure as the reference pressure and the other side of the measuring diaphragm becomes a measuring one
  • the relative pressure sensor thus measures a relative pressure, ie the medium pressure to be measured in comparison to the atmospheric air pressure.
  • the pressure sensor is designed as a differential pressure sensor
  • one of the two sides of the measuring diaphragm is supplied with a first medium pressure to be measured and a second medium pressure to be measured is supplied to the other side of the measuring diaphragm.
  • a differential pressure ie the difference between the two media pressures.
  • the object is achieved by a pressure sensor and a method for operating such a pressure sensor.
  • the object is achieved by a pressure sensor for
  • Pressure sensor element comprises a semiconductor material and a measuring membrane, wherein on a first side of the measuring membrane, a first pressure and on a second side of the measuring membrane, a second pressure is applied, so that the measuring membrane a
  • the measuring membrane has at least one integrated resistance element and the control / evaluation unit using the integrated resistive element determines an electrical signal for Druckmessdorfnbeées, wherein the illuminant is an optical excitation of the pressure sensor element and the control / evaluation unit based on a due optical excitation caused change in the electrical signal determines the first and / or second pressure inherent static pressure value and performs a correction or compensation of the pressure measured variable with the aid of the static pressure value.
  • the effect called photoconductivity is exploited to obtain information about a static pressure.
  • the static pressure is inherent in at least one of the two sides of the measuring membrane applied media pressure.
  • photoconductive effect is an effect attributed to the internal photoelectric effect, in which the increase in the electrical conductivity of semiconductor materials occurs due to the formation of unbonded electron-hole pairs upon irradiation, Understood.
  • the pressure sensor element which comprises at least one semiconductor material and a measuring diaphragm
  • an electrical signal for example a bridge voltage signal
  • the static pressure value can thus be determined.
  • a pressure measured variable determined by the pressure sensor is corrected or compensated.
  • An advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the optical excitation comprises a plurality of individual optical pulses.
  • a further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the measuring diaphragm has further integrated resistance elements and in each case one light-emitting means is provided for each further resistance element.
  • a further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the lighting means is a light emitting diode.
  • a further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the optical excitation occurs cyclically and wherein during two cycles, the control / evaluation unit the last determined static pressure value for correction or
  • the object is achieved by a method for operating a pressure sensor, which is designed in particular according to one of the preceding embodiments, wherein the pressure sensor comprises a pressure sensor element, which comprises a semiconductor material and a measuring diaphragm to the first side on a first pressure and a second side is applied a second pressure, the method comprising the following steps:
  • Detecting the change of the electrical signal several individual electrical signal values are detected.
  • the embodiment provides that the change in the electrical signal is determined by averaging the detected individual electrical signal values.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the optical excitation is carried out cyclically during the measuring operation.
  • a last advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the correction or compensation is performed via a look-up table and / or a mathematical equation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the pressure sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of the pressure sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a test setup which was used to investigate the effect
  • FIG. 4 shows an experimentally determined first measurement curve or measurement curves
  • FIG. 5 shows a second measurement curve or measurement curves determined experimentally on the basis of the experimental setup
  • FIG. 7 shows a third measuring curve or measuring curves experimentally determined on the basis of the experimental setup
  • FIG. 8 shows an exemplary correction function which can be used for the correction or compensation of the pressure measurement variable of a pressure sensor
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the method steps of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the pressure sensor 1 according to the invention.
  • This comprises a housing 2, a pressure sensor element 3 arranged in the housing 2 and a lighting means 4 likewise arranged in the housing.
  • the introduced into the housing 2 pressure sensor element 3 comprises a semiconductor material, preferably silicon on.
  • a measuring diaphragm 5 for example.
  • the measuring diaphragm 5 at a first side pi, eg. An atmospheric pressure, and at a second side a second pressure p 2 , for example.
  • a to be measured Media pressure which is a static pressure inherent fed.
  • the measuring membrane again comprises four resistance elements 6, which are generated, for example, by doping the semiconductor material.
  • the resistance elements 6 integrated in the measuring diaphragm 5 in this manner are typically arranged in the edge region of the measuring diaphragm 5 in order to detect the pressure-dependent deflection of the measuring diaphragm 5 in the form of a resistance change.
  • the pressure sensor 1 can determine or output a pressure measured variable.
  • Fig. 1 thus shows a relative pressure sensor.
  • the invention is equally applicable to an absolute pressure or differential pressure sensor.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of the pressure sensor 1 according to the invention, which additionally comprises a control / evaluation unit 8 in addition to the light source 4 with a corresponding light source drive unit 7, the resistance elements 6.
  • Resistance elements 6 are connected to a Wheatstone bridge 9 and the control / evaluation unit 8 is typically used to detect an electrical signal 10 representing the resistance values, for example the bridge voltage signal U B. On the basis of the detected electrical signal 10, in the case shown the
  • Fig. 3 shows a test setup which was used to study the effect.
  • Experimental set-up comprises a first assembly 1 1 and a second assembly 12, which are connected to each other via a hydraulic chamber assembly 13.
  • the first module 1 1 has a light emitting diode 4 (short: LED) on a transistor Outline carrier type 8 (short: TO-8) and the second module a pressure sensor element, which is also located on a TO-8 carrier.
  • the hydraulic chamber assembly 13 has a filler neck 14 for filling the hydraulic chamber assembly 13 with a diaphragm seal fluid or a silicone oil.
  • the pressure sensor element is electrically connected to a sensor electronics, which in particular comprises a control / evaluation unit. About the sensor electronics, the electrical signal, which due to the change in resistance of the
  • Resistance elements 6 of the Wheatstone bridge 9 results, converted into a pressure measurement.
  • FIG. 4 shows a multiplicity of first measurement curves determined experimentally on the basis of the experimental setup described above.
  • both the LED and the pressure sensor element via the hydraulic chamber composite was simultaneously subjected to the static pressure.
  • the pressure sensor element was optically excited by the LED.
  • the optical excitation was carried out by a variety of optical
  • the change or deviation of the electrical signal was detected by averaging the detected multiple individual signal values, wherein the variation or deviation represents the difference of the optical signal with optical excitation and the electrical signal without optical excitation.
  • the pressure sensor element showed both a
  • FIG. 5 shows a multiplicity of second measurement curves determined experimentally on the basis of the experimental setup described above.
  • the pressure sensor element was replaced by a photodiode as a receiver in the experimental setup described and both the LED and the photodiode were exposed to the static pressure, wherein the hydraulic chamber assembly was not filled with the diaphragm seal fluid.
  • the linearity deviations are due to the fact that the effect is superimposed on both the photodiode and the LED.
  • the amplifier circuit shown in Fig. 6 (a) was used, which images a photon current of 0 to 15 ⁇ to an output of 0 to 15V.
  • FIG. 6 (b) shows a photon current of 0 to 15 ⁇ to an output of 0 to 15V.
  • FIG. 7 shows a multiplicity of third measurement curves determined experimentally on the basis of the experimental setup.
  • the pressure sensor element was again replaced by a photodiode as a receiver in the experimental setup described and both the LED as well as the photodiode were exposed to the static pressure, the hydraulic chamber assembly once filled with the diaphragm seal fluid and once was unfilled. From Fig. 7 it can be seen that a temperature-dependent
  • the photoelectric effect can also be used to estimate the static pressure in a pressure sensor, so that the measurement error of a pressure sensor can be reduced with the aid of a mathematical model.
  • a correction function as shown by way of example in FIG. 8, can be used.
  • control / evaluation unit 8 is designed to carry out the method according to the invention shown schematically in FIG. 9 and described below according to the following method steps:
  • Light source for example.
  • the optical excitation can be effected by a single or selectively via a plurality of light sources, preferably in each case a light source for a resistance element. It has proved to be advantageous if the lighting means is pulsed, i. the respective optical excitation is carried out by a plurality of individual optical pulses, which follow one another directly. Furthermore, it has proven to be advantageous if the optical excitation is performed cyclically during the measuring operation.
  • Resistive elements 6 is carried out, an electrical signal 10 is preferably detected by each of the resistive elements 6.
  • the optical excitation is generated by a plurality of individual pulses, it is advantageous to change the electrical signal by a

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Abstract

Drucksensor (1) zum Bestimmen einer Druckmessgröße, umfassend zumindest ein Gehäuse (2), ein in dem Gehäuse (2) angeordnetes Drucksensorelement (3), ein ebenfalls in dem Gehäuse (2) angeordnetes Leuchtmittel (4), sowie eine Regel-/Auswerteeinheit (8), wobei das Drucksensorelement (3) ein Halbleitermaterial und eine Messmembran aufweist, wobei an einer ersten Seite der Messmembran (5) ein erster Druck (p1) und an einer zweiten Seite der Messmembran (5) ein zweiter Druck (p2) angelegt ist, sodass die Messmembran (5) eine druckabhängige Auslenkung erfährt, wobei die Messmembran (5) zumindest ein integriertes Widerstandselement (6) aufweist und die Regel-/Auswerteeinheit (8) mit Hilfe des integrierten Widerstandselements (6) ein elektrisches Signal (10) zur Druckmessgrößenbestimmung ermittelt, wobei durch das Leuchtmittel (4) eine optische Anregung des Drucksensorelementes (3) erfolgt und die Regel-/Auswerteeinheit (8) anhand einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung des elektrischen Signals (10) einen dem ersten und/oder zweiten Druck inhärenten statischen Druckwert ermittelt und eine Korrektur bzw. Kompensation der Druckmessgröße mit Hilfe des statischen Druckwertes durchführt.

Description

Drucksensor und Verfahren zum Bedienen eines Drucksensors
Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zur Bestimmung einer Druckmessgröße sowie ein Verfahren zum Bedienen eines solchen Drucksensors.
Drucksensoren dienen zur Erfassung von Drücken und werden gerne in der industriellen Messtechnik, bspw. zur Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung verwendet. Dabei kommen je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Ausprägungen von Drucksensoren zum Einsatz. So kann ein Drucksensor bspw. als Absolutdrucksensor, als
Relativdrucksensor oder auch als Differenzdrucksensor ausgebildet sein. Vom Prinzip her sind jedoch alle Drucksensoren gleich aufgebaut und umfassen typischerweise ein Gehäuse in dem ein Drucksensorelement angeordnet ist. In der Druckmesstechnik werden gerne Halbleiter-Drucksensorelemente, bspw. auf Silizium basierende
Drucksensorelemente, eingesetzt. Die Halbleiter-Drucksensorelemente weisen dabei eine Messmembran auf, welche in ihrem Randbereich typischerweise vier
Widerstandselemente integriert hat. Die Messmembran wird auf ihrer ersten Seite mit einem ersten Druck und auf ihrer zweiten Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagt, sodass die beiden Drücke eine Auslenkung der Messmembran hervorrufen. Die druckabhängige Auslenkung der Messmembran wird über die integrierten
Widerstandselemente erfasst und ausgewertet, sodass eine Druckmessgröße
ausgegeben werden kann. In Abhängigkeit davon, ob es sich um einen
Relativdrucksensor, einen Absolutdrucksensor oder einen Differenzdrucksensor handelt, wird die Messmembran mit den entsprechenden beiden Drücken beaufschlagt. In dem Fall, dass der Drucksensor als Absolutdrucksensor ausgebildet ist, wird eine der beiden Seiten der Messmembran einem Vakuum ausgesetzt und der anderen Seite der Messmembran wird ein zu messender Mediendruck zugeführt. Der Absolutdrucksensor misst somit den Absolutdruck, also den zu messenden Mediendruck im Vergleich zu dem Vakuum als Referenzdruck.
In dem Fall, dass der Drucksensor als Relativdrucksensor ausgebildet ist, wird eine der beiden Seiten der Messmembran einem atmosphärischen Luftdruck als Referenzdruck ausgesetzt und der anderen Seite der Messmembran wird ein zu messender
Mediendruck zugeführt. Der Relativdrucksensor misst somit einen Relativdruck, also den zu messenden Mediendruck im Vergleich zu dem atmosphärischen Luftdruck.
In dem Fall, dass der Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgebildet ist, wird einer der beiden Seiten der Messmembran ein erster zu messender Mediendruck und der anderen Seite der Messmembran ein zweiter zu messender Mediendruck zugeführt. Der Differenzdrucksensor misst somit einen Differenzdruck, also die Differenz der beiden Mediendrücke.
Gemeinsam haben alle Drucksensoren, dass die ermittelte Druckmessgröße Messfehler aufweist. Diese Messfehler werden in der Spezifikation des jeweiligen Drucksensors über einen Toleranzbereich, in dem die ermittelte Druckmessgröße, mit einer definierten Wahrscheinlichkeit zutreffend ist, angegeben. Eine Ursache für solche Messfehler sind Änderungen eines dem Mediendruck inhärenten statischen Drucks. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit vorzuschlagen derartige Messfehler zu verringern.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Drucksensor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Drucksensors.
Hinsichtlich des Drucksensors wird die Aufgabe durch einen Drucksensor zum
Bestimmen einer Druckmessgröße gelöst, umfassend zumindest ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse angeordnetes Drucksensorelement, ein ebenfalls in dem Gehäuse
angeordnetes Leuchtmittel, sowie eine Regel-/Auswerteeinheit, wobei das
Drucksensorelement ein Halbleitermaterial und eine Messmembran aufweist, wobei an einer ersten Seite der Messmembran ein erster Druck und an einer zweiten Seite der Messmembran ein zweiter Druck angelegt ist, sodass die Messmembran eine
druckabhängige Auslenkung erfährt, wobei die Messmembran zumindest ein integriertes Widerstandselement aufweist und die Regel-/Auswerteeinheit mit Hilfe des integrierten Widerstandselements ein elektrisches Signal zur Druckmessgrößenbestimmung ermittelt, wobei durch das Leuchtmittel eine optische Anregung des Drucksensorelementes erfolgt und die Regel-/Auswerteeinheit anhand einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung des elektrischen Signals einen dem ersten und/oder zweiten Druck inhärenten statischen Druckwert ermittelt und eine Korrektur bzw. Kompensation der Druckmessgröße mit Hilfe des statischen Druckwertes durchführt.
Erfindungsgemäß wird der als Photoleitung bezeichnete Effekt dazu ausgenutzt, eine Information über einen statischen Druck zu erhalten. Der statische Druck ist einem zumindest an einer der beiden Seiten der Messmembran anliegenden Mediendruck inhärent.
Allgemein wird unter Photoleitung ein dem inneren photoelektrischen Effekt zugeordneter Effekt, bei dem die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien aufgrund der Bildung von ungebundenen Elektron-Loch-Paaren bei Bestrahlung erfolgt, verstanden. Aufgrund der Bestrahlung des Drucksensorelements, welches zumindest ein Halbleitermaterial und eine Messmembran umfasst, wird ein elektrisches Signal, bspw. ein Brückenspannungssignal, verändert. Anhand dieser Änderung kann somit der statische Druckwert ermittelt werden. Mit Hilfe dieses statischen Druckwertes wird ein durch den Drucksensor ermittelte Druckmessgröße korrigiert bzw. kompensiert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass die optische Anregung mehrere optische Einzelimpulse umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass die Messmembran weitere integrierte Widerstandselemente aufweist und jeweils ein Leuchtmittel für jedes weitere Widerstandselement vorgesehen ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass das Leuchtmittel eine Leuchtdiode ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass die optische Anregung zyklisch erfolgt und wobei während zweier Zyklen die Regel- /Auswerteeinheit den zuletzt ermittelten statischen Druckwert zur Korrektur bzw.
Kompensation verwendet.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors, welcher insbesondere nach einem der vorhergehenden Ausgestaltungen ausgebildet ist, gelöst, wobei der Drucksensor ein Drucksensorelement umfasst, welches ein Halbleitermaterial und eine Messmembran an die an einer ersten Seite ein erster Druck und an einer zweiten Seite ein zweiter Druck angelegt ist aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Optische Anregung des Drucksensorelementes;
Erfassen einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung eines elektrischen Signals;
Ermitteln eines statischen Druckwerts aufgrund der Änderung des elektrischen Signals; Korrektur bzw. Kompensation einer durch den Drucksensor ermittelten Druckmessgröße anhand des statischen Druckwerts .
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur optischen Anregung mehrere optische Einzelimpulse verwendet werden und zur
Erfassung der Änderung des elektrischen Signals mehrere elektrische Einzelsignalwerte erfasst werden. Insbesondere sieht die Ausführungsform vor, dass die Änderung des elektrischen Signals durch eine Mittelwertbildung der erfassten mehreren elektrischen Einzelsignalwerte ermittelt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die optische Anregung zyklisch während des Messbetriebes durchgeführt wird.
Eine letzte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Korrektur bzw. Kompensation über eine Look-up Tabelle und/oder eine mathematische Gleichung durchgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 : eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors,
Fig. 2: ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Drucksensors, Fig. 3: einen Versuchsaufbau der zur Untersuchung des Effekts diente,
Fig. 4: eine anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelte erste Messkurve bzw. Messkurven,
Fig. 5: eine anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelte zweite Messkurve bzw. Messkurven,
Fig. 6(a): eine Verstärkerschaltung einer Photodiode,
Fig. 6(b): ein Ausgangssignal der Verstärkerschaltung,
Fig. 7: eine anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelte dritte Messkurve bzw. Messkurven,
Fig. 8: eine beispielhafte Korrekturfunktion, die zur Korrektur bzw. Kompensation der Druckmessgröße eines Drucksensors verwendbar ist, und
Fig. 9: eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors 1.
Dieser umfasst ein Gehäuse 2, ein in dem Gehäuse 2 angeordnetes Drucksensorelement 3 und ein ebenfalls in dem Gehäuse angeordnetes Leuchtmittel 4. Das in das Gehäuse 2 eingebrachte Drucksensorelement 3 weist ein Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, auf. In das Drucksensorelement 3 ist eine Messmembran 5, bspw. durch einen Ätzprozess, eingebracht. Zur Bestimmung einer Druckmessgröße wird, bspw. wenn der Drucksensor 1 als Relativdrucksensor ausgebildet ist, der Messmembran 5 an einer ersten Seite ein erster Druck p-i , bspw. ein Atmosphärendruck, und an einer zweiten Seite ein zweiter Druck p2, bspw. ein zu messender Mediendruck, dem ein statischer Druck inhärent ist, zugeführt.
Zur Erfassung einer durch Anlegen der Drücke p-ι und p2 erzeugten druckabhängigen Auslenkung umfasst die Messmembran wiederum vier Widerstandselemente 6, die bspw. durch Dotieren des Halbleitermaterials erzeugt werden. Die auf diese Weise in die Messmembran 5 integrierten Widerstandselemente 6 sind typischerweise im Randbereich der Messmembran 5 angeordnet, um die druckabhängige Auslenkung der Messmembran 5 in Form einer Widerstandsänderung zu erfassen. Basierend auf den
Widerstandsänderungen der Widerstandselemente 6 kann der Drucksensor 1 eine Druckmessgröße ermitteln bzw. ausgeben.
Fig. 1 zeigt somit einen Relativdrucksensor. Die Erfindung ist jedoch im gleichen Maße auch auf einen Absolutdruck- oder Differenzdrucksensor übertragbar.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 , welcher neben dem Leuchtmittel 4 mit entsprechender Leuchtmittelansteuereinheit 7, den Widerstandselementen 6 zusätzlich eine Regel-/Auswerteeinheit 8 umfasst. Die
Widerstandselemente 6 sind zu einer Wheatstone-Brücke 9 verschaltet und die Regel- /Auswerteeinheit 8 dient typischerweise zur Erfassung eines die Widerstandswerte repräsentierenden elektrischen Signals 10, bspw. dem Brückenspannungssignal UB. Anhand des erfassten elektrischen Signals 10, in dem dargestellten Fall der
Brückenspannung UB, ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit 8 eine Druckmessgröße. Fig. 3 zeigt einen Versuchsaufbau der zur Untersuchung des Effekts diente. Der
Versuchsaufbau umfasst eine erste Baugruppe 1 1 und eine zweite Baugruppe 12, die über einen hydraulischen Kammerverbund 13 miteinander verbunden sind. Die erste Baugruppe 1 1 weist eine Leuchtdiode 4 (kurz: LED) auf einem Transistor Outline Träger des Typs 8 (kurz: TO-8) und die zweite Baugruppe ein Drucksensorelement, welches sich ebenfalls auf einem TO-8 Träger befindet auf. Der hydraulische Kammerverbund 13 weist einen Einfüllstutzen 14 zum Befüllen des hydraulischen Kammerverbundes 13 mit einer Druckmittlerflüssigkeit bzw. einem Silikonöl auf. Das Drucksensorelement ist elektrisch mit einer Sensorelektronik, die insbesondere eine Regel-/Auswerteeinheit umfasst, verbunden. Über die Sensorelektronik wird das elektrische Signal, welches sich aufgrund der Widerstandsänderung der
Widerstandselemente 6 der Wheatstone-Brücke 9 ergibt, in eine Druckmessgröße überführt.
Fig. 4 zeigt eine Vielzahl von anhand des zuvor beschriebenen Versuchsaufbaus experimentell ermittelten ersten Messkurven. Hierzu wurde sowohl die LED als auch das Drucksensorelement über den hydraulischen Kammerverbund gleichzeitig mit dem statischen Druck beaufschlagt. Zusätzlich wurde das Drucksensorelement durch die LED optisch angeregt. Konkret wurde ein Relativdrucksensor bei unterschiedlichen statischen Drücken (p = 0 - 40 bar) und unterschiedlichen Temperaturen (T = -20°C - 70°C) betrieben. Die optische Anregung erfolgte durch eine Vielzahl von optischen
Einzelimpulsen bei den entsprechenden Drücken und Temperaturen. Erfasst wurde die Änderung bzw. Abweichung des elektrischen Signals über eine Mittelwertbildung der erfassten mehreren Einzelsignalwerte, wobei die Änderung bzw. Abweichung die Differenz des elektrischen Signals mit optischer Anregung und dem elektrischen Signal ohne optische Anregung darstellt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, zeigte das Drucksensorelement sowohl eine
druckabhängige als auch eine temperaturabhängige Änderung des elektrischen Signals in Form der Brückenspannung, sodass eine Ermittlung eines statischen Druckwertes zur Korrektur bzw. Kompensation der Druckmessgröße durch Ausnutzung des
photoelektrischen Effekts prinzipiell möglich erscheint.
Fig. 5 zeigt eine Vielzahl von anhand des zuvor beschriebenen Versuchsaufbaus experimentell ermittelten zweiten Messkurven. Hierfür wurde in dem beschriebenen Versuchsaufbau das Drucksensorelement durch eine Photodiode als Empfänger ersetzt und sowohl die LED als auch die Photodiode wurden dem statischen Druck ausgesetzt, wobei der hydraulische Kammerverbund nicht mit der Druckmittlerflüssigkeit befüllt war. Die Linearitätsabweichungen sind darauf zurückzuführen, dass sich der Effekt sowohl an der Photodiode als auch an der LED überlagert. Zur Auswertung der Photodiode wurde die in Fig. 6(a) dargestellte Verstärkerschaltung verwendet, die einen Photonenstrom von 0 bis 15 μΑ auf ein Ausgangssignal von 0 bis 15 V abbildet. Exemplarisch ist in Fig. 6(b) ein solches Ausgangssignal abgebildet.
Fig. 7 zeigt eine Vielzahl von anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelten dritten Messkurven. Hierfür wurde in dem beschriebenen Versuchsaufbau wiederum das Drucksensorelement durch eine Photodiode als Empfänger ersetzt und sowohl die LED als auch die Photodiode wurden dem statischen Druck ausgesetzt, wobei der hydraulische Kammerverbund einmal mit der Druckmittlerflüssigkeit befüllt und einmal unbefüllt war. Aus Fig. 7 wird ersichtlich, dass sich ein temperaturabhängiger
Absorptionskoeffizient des Druckmittler ergibt, welcher bei der Korrektur bzw.
Kompensation ebenfalls zu beachten ist.
Aus den ersten bis dritten Messkurven ergibt sich, dass der photoelektrische Effekt auch zur Abschätzung des statischen Druckes in einem Drucksensor verwendet werden kann, sodass mit Hilfe eines mathematischen Modells der Messfehler eines Drucksensors reduziert werden kann. Hierzu kann bspw. eine Korrekturfunktion, wie sie in Fig. 8 exemplarisch dargestellt ist, verwendet werden.
Zur Korrektur bzw. Kompensation ist die Regel-/Auswerteeinheit 8 dazu ausgelegt, das in Fig. 9 schematisch dargestellte und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren gemäß folgender Verfahrensschritte auszuführen:
Optische Anregung des Drucksensorelementes 100 durch zumindest ein
Leuchtmittel, bspw. in Form einer Leuchtdiode ist. Die optische Anregung kann dabei durch ein einziges oder selektiv über mehrere Leuchtmittel, vorzugsweise jeweils ein Leuchtmittel für ein Widerstandselement, erfolgen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Leuchtmittel gepulst wird, d.h. die jeweilige optische Anregung erfolgt durch eine Vielzahl an optischen Einzelimpulsen, welche unmittelbar aufeinander folgen. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die optische Anregung zyklisch während des Messbetriebes durchgeführt wird.
Erfassung einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung des elektrischen Signals 101 , wobei in dem Fall, dass jeweils ein Leuchtmittel 4 für ein Widerstandselement 6 und somit eine selektive optische Anregung der
Widerstandselemente 6 erfolgt, wird vorzugsweise jeweils ein elektrisches Signal 10 von jedem der Widerstandselemente 6 erfasst.
In dem Fall, das die optische Anregung durch mehrere Einzelimpulse erzeugt wird, ist es vorteilhaft die Änderung des elektrischen Signals durch eine
Mittelwertbildung der erfassten Einzelsignalwerte zu bestimmen. - Ermitteln eines statischen Druckwerts aufgrund der Änderung des elektrischen
Signals (102).
Korrektur bzw. Kompensation einer durch den Drucksensor ermittelten
Druckmessgröße anhand des statischen Druckwerts (103). Bezugszeichenliste
1 Drucksensor
Gehäuse
3 Drucksensorelement
Leuchtmittel
5 Messmembran
6 Widerstandselement
7 Leuchtmittelansteuereinheit
8 Regel-/Auswerteeinheit
9 Wheatstone-Brücke
10 Elektrisches Signal
1 1 Erste Baugruppe
12 Zweite Baugruppe
13 Hydraulischen Kammerverbund
14 Einfüllstutzen
15 TO-8 Gehäuse
16 Sensorelektronik
17 Photodiode
Pi Erster Druck
P2 Zweiter Druck
UB Brückenspannung

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensor (1 ) zum Bestimmen einer Druckmessgröße, umfassend zumindest ein Gehäuse (2), ein in dem Gehäuse (2) angeordnetes Drucksensorelement (3), ein ebenfalls in dem Gehäuse (2) angeordnetes Leuchtmittel (4), sowie eine Regel- ZAuswerteeinheit (8), wobei das Drucksensorelement (3) ein Halbleitermaterial und eine Messmembran aufweist, wobei an einer ersten Seite der Messmembran (5) ein erster Druck (p-i) und an einer zweiten Seite der Messmembran (5) ein zweiter Druck (p2) angelegt ist, sodass die Messmembran (5) eine druckabhängige Auslenkung erfährt, wobei die Messmembran (5) zumindest ein integriertes Widerstandselement (6) aufweist und die Regel-/Auswerteeinheit (8) mit Hilfe des integrierten Widerstandselements (6) ein elektrisches Signal (10) zur Druckmessgrößenbestimmung ermittelt, wobei durch das Leuchtmittel (4) eine optische Anregung des Drucksensorelementes (3) erfolgt und die Regel-/Auswerteeinheit (8) anhand einer aufgrund der optischen Anregung
hervorgerufenen Änderung des elektrischen Signals (10) einen dem ersten und/oder zweiten Druck inhärenten statischen Druckwert ermittelt und eine Korrektur bzw.
Kompensation der Druckmessgröße mit Hilfe des statischen Druckwertes durchführt.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei die optische Anregung mehrere optische Einzelimpulse umfasst.
3. Drucksensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Messmembran (5) weitere integrierte Widerstandselemente (6) aufweist und jeweils ein Leuchtmittel (4) für jedes weitere Widerstandselement (6) vorgesehen ist.
4. Drucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leuchtmittel (4) eine Leuchtdiode ist.
5. Drucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Anregung zyklisch erfolgt und wobei während zweier Zyklen die Regel- ZAuswerteeinheit (8) den zuletzt ermittelten statischen Druckwert zur Korrektur bzw. Kompensation verwendet.
6. Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors (1 ), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (1 ) ein Drucksensorelement (3) umfasst, welches ein Halbleitermaterial und eine Messmembran (5) an die an einer ersten Seite ein erster Druck (p-i) und an einer zweiten Seite ein zweiter Druck (p2) angelegt ist aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Optische Anregung des Drucksensorelementes (100);
- Erfassen einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung eines elektrischen Signals (101 ); Ermitteln eines statischen Druckwerts aufgrund der Änderung des elektrischen Signals (102);
Korrektur bzw. Kompensation einer durch den Drucksensor ermittelten
Druckmessgröße anhand des statischen Druckwerts (103).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur optischen Anregung (100) mehrere optische Einzelimpulse verwendet werden und zur Erfassung der Änderung des elektrischen Signals mehrere elektrische Einzelsignalwerte erfasst werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Änderung des elektrischen Signals (10) durch eine Mittelwertbildung der erfassten mehreren elektrischen Einzelsignalwerte ermittelt wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die optische Anregung (100) zyklisch während des Messbetriebes durchgeführt wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Korrektur bzw. Kompensation über eine Look-up Tabelle und/oder eine mathematische Gleichung durchgeführt wird.
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