用于大压力范围的耐介质压力传感器

技术领域

本公开涉及一种压力传感器及其用于测量压力的用途。

背景技术

燃料电池在电动汽车领域变得越来越重要。其运行所需的氢气 必须在高压(高达700巴或更高)下被储存和运输。为此提供所需 的基础设施包括用于从制造氢气的本地发生器直至通过加氢站进行 分配的构造。在氢气罐、管道连接等中使用压力传感器非常重要。 压力传感器也越来越多地用于其他领域并与其他介质相关联，尤其 是在宽泛的压力范围内。

特别是氢气的高压和化学性质对压力传感器来说是一个特殊的 挑战。一方面，重要的是要在氢气罐等中精确测量700bar或更高的 低压到中压和高压。可能的。另一方面，氢具有嵌入金属晶格结构 的特性，这会导致材料脆化，从而破坏材料。普遍存在的高压和高 温也加速了这种扩散过程。除氢以外的介质也会对压力传感器中使 用的材料的电阻造成问题。

由于这些和其他原因，本公开是必要的。

发明内容

各个方面涉及一种压力传感器，包括壳体、与壳体一起形成密 封的空腔的柔性膜、布置在腔中的传感器元件，以及位于空腔中的 气态介质。

各个方面涉及压力传感器在诸如容器、管道或管线的压力传导 装置中的使用，其中压力传感器具有壳体、柔性膜，其与壳体一起 形成密封的腔，一个布置在空腔中的传感器元件，以及位于空腔中 的气态介质。

附图说明

下面参照附图更详细地解释根据本公开的压力传感器。附图中 所示的元件不必相对于彼此按比例绘制。相同的参考符号可以表示 相同的组件。相同的附图标记表示相同或相似的部分。

图1包含图1A和1B，并且在图1A(B)中以垂直纵截面(A) 和沿轴线B-B的水平横截面示出压力传感器的基本实施例。

图2包含图2A和2B，并且在图2A(B)中以垂直纵截面(A) 和沿轴线B-B的水平横截面示出布置在TO状壳体内的压力传感器 的实施例。

图3包含图3A和3B，并且在图3A(B)中作为实施例以垂直 纵截面(A)和沿轴线B-B的水平横截面示出了具有金属波纹管 (Metallbalg)的压力传感器。

图4包含图4A和4B，并且示意性地示出了没有压力负荷的压 力传感器(A)和具有压力负荷的压力传感器(B)以说明几何关系。

图5包含图5A、5B和5C，并且以俯视图(A)和侧向截面图 (B)示意性地示出了膜、例如不锈钢膜，以及示出图表(C)，该 图表示出了膜的挠度与膜上位置的相关性。

图6示出了一图表，该图表示出了空腔内的压力变化与外部压力负 荷的相关性。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考了构成本说明书的一部分的附图， 并且其中为了说明的目的示出了可以在其中实践本公开的特定实施 例。诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“领先的”、“随后 的”等方向性术语与要描述的图的方向相关地使用。因为实施例的 组成部分可以以各种取向定位，所以方向指定用于说明的目的，并 且决不是限制性的。应当理解，在不超出本公开的范围的情况下， 也可以使用其他实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此， 以下详细描述不应被视为限制，并且本公开的范围由所附权利要求 限定。

应当注意，除非另外明确说明，否则这里描述的各种实施例的 特征可以相互组合。

本说明书中使用的术语“粘合”、“固定”、“连接”、“耦 合”和/或“电连接/电耦合”并不意味着元件或层必须彼此直接接触； 可以在“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/ 电耦合”的元件之间提供中间元件或中间层。然而，根据本公开， 上述术语还可以可选地具有特定含义，即元件或层彼此直接接触， 也就是说在“粘合”、“固定”、“连接”、“耦合”和/或“电连 接/电耦合”的元件之间没有提供中间元件或中间层。

此外，例如关于形成或布置在表面“之上”的部件、元件或材 料层所使用的词语“在……之上”在本文中可以意味着该部件、元 件或材料层“间接地”在隐含表面上布置(例如、放置、形成、沉 积等)，其中一个或多个附加部件、元件或层被布置在隐含表面与 部分、元件或材料层之间。然而，关于形成或布置在表面“之上” 的部件、元件或材料层所使用的词语“在……之上”可以可选地具 有特定含义，即部件、元件或材料层被“直接”布置(例如，放置、 形成、沉积等)在隐含表面上，例如与隐含表面直接接触。

图1示出了根据本公开的压力传感器的基本实施例。

根据图1的压力传感器10包括壳体11、与壳体11一起形成密 封的空腔13的柔性膜12、布置在空腔13中的传感器元件14和位于 空腔13中的气态介质15。

待测量并从外部作用在膜上的压力P在图1中用箭头表示。传 感器元件14不直接测量从外部作用在膜上的压力P，而是检测物理 参量的变化，该变化如下产生：由于外部压力P将膜12向内压入空 腔13一定量并且占据一个如附图标记12A所示的位置。根据其工作方式，压力传感器可以被设计为压力变换器或压力变送器。从外部 作用在膜12上的压力P将膜压入空腔13中一定的体积量ΔV，即变 化体积，由此空腔13的体积减少了、而气态介质的压力15增加了 该体积量ΔV。该压力增加可以通过设计为压力传感器的传感器元件 14测量并且用作外部压力的量度。在执行校准之后，校准曲线可以 存储在布置在ASIC上的评估电路中。ASIC可以与传感器元件一起 集成在一个共有半导体芯片上，也可以作为单独的组件提供在空腔 内或空腔外。

然而，除了空腔13内的压力变化之外，还可以测量另一个物理 参量，该物理参量通过向内按压膜12而得到改变。例如，可以测量 膜12的偏移，在这种情况下，传感器元件12可以设计为光学或超 声波传感器，其例如通过测量由传感器元件发射并在膜上反射的光学或声音脉冲的传播时间来确定膜的降低。这在下面使用特定实施 例更详细地描述。

传感器元件14因此可以具有以下组中的一个或多个传感器，该 组包括压力传感器、热导传感器、声速传感器、燃烧热传感器、催 化传感器、电感式传感器、电容式传感器、电阻式传感器、光学传 感器或磁传感器。

不管传感器元件14的功能和操作模式如何，传感器元件14都 可以构造和制造为微机电传感器(MEMS)。

根据一个实施例，气态介质15是空气，特别是大气压下的空气。 这简化了制造过程，因为在将膜固定到壳体期间不必提供另一种气 体的人工气氛。由于所有气体都是可压缩的，原则上也可以使用任 何其他气态介质。

根据一个实施例，柔性膜12由金属制成，特别是钢或不锈钢制 成。壳体11也可以由金属制成，特别是由钢或不锈钢制成。这为压 力传感器形成了对腐蚀性介质(例如氢气)的最佳抵抗力。

如将在进一步实施例中看到的，柔性膜12可以具有层状结构。 这可以以围绕膜的中心点的同心圆的形式提供，其中膜在这些同心 圆中的每一个中是波纹状的。因此确保了膜可以不受外部压力的影 响并且可以延伸到空腔中。在一定程度上，膜利用波纹区域的材料 扩展到空腔中。然而为此目的，也可以提供除层状结构之外的合适 的膜设计。特别是对于较低的压力也可以考虑使用没有这种结构的 膜。

在另外的实施例中还将看到，压力传感器的壳体可以具有固定 结构，该固定结构被配置为将压力传感器与外部固定元件连接。例 如，这可以是外螺纹、内螺纹或卡扣连接。外部固定元件可以例如 布置在氢气罐或管道的内壁上并且是固定结构的对应物。

图2在2A(B)中以垂直纵截面(A)和沿轴线B-B的水平横截 面示出压力传感器的实施例。

根据图2的压力传感器20包含壳体21、与壳体21一起形成密 封的空腔23的柔性膜22、布置在空腔23中的传感器元件24和位于 空腔23中的气态介质25。图2A再次显示了处于下压状态的膜22A。

压力传感器20的壳体21由多个部分构成。它具有圆形金属底 板21.1，传感器元件24安置在其上表面上。除了传感器元件24之 外，ASIC半导体管芯26被安置在基板21.1的上表面，其通过例如 接合线与传感器元件24电连接。引脚27与半导体管芯24和26电 连接，这些引脚被引导穿过基板21.1并且作为外部接触元件从其下 表面突出。在底板21.1的边缘区域上安置有圆柱形壳体壁21.2，膜 22位于壳体壁21.2的内壁之间。在该实施例中，空腔因此由底板 21.1、圆柱形壳体壁21.2和膜22形成。压力传感器20的该部分因 此类似于TO封装。

此外，壳体21具有上部圆柱形金属块21.3，其下部段具有的外 径略小于圆柱形壳体壁21.2的内径。利用该下部段，金属块21.3被 推入圆柱形壳体壁21.2的上部段中。圆柱形金属块21.3还具有内孔， 该内孔具有不同直径的两个部段。当具有相对较小直径的第一上部 段21.3A从上表面向下延伸时，具有相对较大直径的第二下部段 21.3B与其邻接，其中膜22布置在该第二部段21.3B下方，并且可 以例如固定到下部段21.3B的下边缘处。如箭头P所示，气体流过 上部段21.3A，然后充满下部段21.3B。

从图2A中还可以看出，金属块21.3的上部段具有外螺纹，利 用外螺纹可以将压力传感器20例如插入到压力传导装置的壁的具有 内螺纹的孔中，压力传导装置例如是压力容器，诸如氢气罐或管道。

图3包含图3A和3B，并且在图3A(B)中以垂直纵截面(A) 和沿轴线B-B的水平横截面示出了压力传感器的实施例。

根据图3的压力传感器30包括壳体31、与壳体31一起形成密 封的空腔33的柔性膜32、布置在空腔33中的传感器元件34和位于 空腔33中的气态介质35。图3A再次示出了处于下压状态的膜32A。 因此，壳体31应理解为用于传感器系统(电路板、传感器元件、电 路元件)的容纳部以及传感器的压力室的密封部。

压力传感器30的壳体31包括具有中心孔的圆柱形金属块31.1。 中心孔具有直径相对较大的第一上部段和与第一部邻接的直径相对 较小的第二下部段。膜32A固定到上部段的上边缘处，使得上部段 形成空腔33。塞子31.2插入孔的第二下部段中，使得塞子的上表面 和金属块31.1的上表面在孔的第一上部段内彼此共面。在塞子31.2 的上表面上布置有PCB 37，传感器元件34固定在该PCB上。在PCB 37上还安置有ASIC半导体管芯36，其通过接合线与传感器元件34 电连接。引脚38与半导体管芯34和36电连接，这些引脚被引导通过塞子31.2并且作为外部接触元件从塞子的下表面突出。在当前情 况下，引脚突出到金属块31.1的向外敞开的下中心孔中。

图3中所示的实施例包括空腔33中存在的、在传感器元件34 和ASIC芯片36之间的明线连接。没有明线连接的其他实施例也是 可以想到的。例如，传感器元件(例如MEMS芯片)和ASIC芯片 可以布置在共有载体(基板)上。传感器元件、特别是作为MEMS 芯片也可以与ASIC芯片一起单片集成在单个半导体芯片上。最后， 还可以设想将传感器元件和ASIC芯片制造为由客户安装到电路板 上的SMD封装(表面安装器件)。

从图3A还可以看出，金属块31.1的上部段具有外螺纹，利用 外螺纹可以将压力传感器30例如插入到压力传导装置的壁的具有内 螺纹的孔中，压力传导装置例如是压力容器，诸如氢气罐或管道。

图4包含图4A和4B，并且示意性地示出了没有压力负荷的压 力传感器(A)和具有压力负荷的压力传感器(B)。

使用图4中给出的参数，即V

在假设封闭在空腔中的气态介质为理想气体的情况下，首先适 用：

1)

2)

Δp

此外，假设圆柱形腔具有半径r＝0.5cm和高度h＝0.6cm。由 此在假设腔中温度恒定的情况下获得以下内容。

>T

>V

>p

>压力负荷：

>p

如果还假设压力传感器具有以下测量参数：

>压力范围300-1200hPa→900hPa

>绝对精度+/-1hPa

>＝＞那么传感器可以得出900/1＝900“压力水平”。

由此获得以下最低条件以得出某个压力范围：

>

以下公式适用于膜的挠度：

其中：

w 挠度

ν 泊松数

a 半径

p

E 杨氏模量

h 膜厚。

由此可以如下计算变化体积。

图6示出了一图表，该图表示出了空腔内的压力变化与外部压 力负荷的相关性。

对于曲线，下列值a和h从下到上均适用(a和h的量如图5A 和5B所示)：

a＝2.5mm；h＝400μm

a＝5.0mm；h＝600μm

a＝5.0mm；h＝400μm

a＝5.0mm；h＝200μm

a＝7.5mm；h＝400μm

以宽箭头显示的范围确定了最小可分辨压力范围。对于参数a＝5.0 mm和h＝400μm的曲线，适合的是压力转换100bar/10mbar＝ 104，FS范围为100bar，绝对精度为0.1bar。

图6中所示的结果涉及平面体积膜。此示例计算证明了一般功 能。根据相应几何形状和压力进行定制，市售的金属膜和组装膜将 显示出明显更好的性能。

示例1是一种压力传感器，包括：壳体；柔性膜，与壳体一起 形成密封的空腔；布置在空腔中的传感器元件；以及位于空腔中的 气态介质。

示例2是根据示例1的压力传感器，其中气态介质是空气。

示例3是根据示例2的压力传感器，其中空气处于大气压、或 处于正压或负压下。

示例4是根据前述示例中任一项的压力传感器，其中柔性膜由 金属制成。

示例5是根据示例4的压力传感器，其中金属为钢或不锈钢。

示例6是根据前述示例中任一项的压力传感器，其中柔性膜具 有层状结构。

示例7是根据前述示例中任一项的压力传感器，其中传感器元 件是微机电传感器(MEMS)。

示例8是根据前述示例中任一项的压力传感器，其中传感器元 件具有包括以下项的组中的一项或多项：压力传感器、热导传感器、 声速传感器、燃烧热传感器、催化传感器、电感式传感器、电容式 传感器、电阻式传感器、光学传感器或磁传感器。

示例9是根据前述示例中任一项的压力传感器，其中压力传感 器是耐腐蚀性介质的。

示例10是根据示例9的压力传感器，其中压力传感器是耐氢的。

示例11是根据前述示例中任一项的压力传感器，其中壳体具有 固定结构，固定结构被配置为将压力传感器与外部固定元件连接。

示例12是根据示例11的压力传感器，其中固定结构具有外螺 纹、内螺纹或卡扣连接部。

示例13是根据前述示例中任一项的压力传感器，其中传感器元 件与包括评估电路的ASIC一起单片集成在半导体管芯上。

示例14是根据示例1至12中任一项的压力传感器，其中压力 传感器除了传感器元件外还具有半导体管芯，半导体管芯带有布置 在半导体管芯上的ASIC，ASIC包括评估电路。

示例15是一种压力传感器在诸如容器、管道或管线的压力传导 装置中的用途，其中压力传感器具有：壳体、与壳体一起形成密封 的空腔的柔性膜、布置在空腔中的传感器元件、以及位于空腔中的 气态介质。

尽管本文已经图示和描述了特定实施例，但是本领域技术人员 将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等效实现 可以替代所示出和描述的特定实施例。该提议旨在涵盖此处讨论的 特定实施例的任何修改或变化。因此，本公开旨在仅由权利要求及 其等同物限制。