[發明專利]壓力傳感器

有效

• 申請號: 200780053760.7
• 申請日: 2007-07-12
• 公開（公告）號: CN101743462A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發明（設計）人: A·克拉梅;F·卡舒貝克;K·博內特;H·布雷德勒
• 申請（專利權）人: ABB研究有限公司
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G01L1/24
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李娜;王忠忠

技術領域

本發明涉及基于壓力傳感器單元的壓力感測元件的領域，通過利用 光源照亮來讀出該壓力感測元件的光學特性中的壓力導致的變化。更進 一步地，本發明涉及用于操作這樣的壓力感測元件的方法以及對這樣的 壓力感測元件的使用。

背景技術

根據專利文獻并且根據其它技術公開物，已公知利用半導體材料中 的光致發光或吸收特性來測量諸如溫度和壓力之類的參數。

一些作者已提出使用用于壓力感測的體(bulk)GaAs的吸收邊緣的 位移。然而，他們報道了一些困難，例如熱穩定和溫度串擾效應。報道 了在補償之后剩余的溫度誤差是1.5bar/K。而不補償的話它可能是 40bar/K。

其他作者證實例如GaAs/Al(x)Ga(1-x)As、InGaAs/GaAs系統的發 光光譜和吸收對壓力校準是有益的。他們還報道特別地對于高壓力體系 (幾GPs)使用AlGaAs和InGaAs/GaAs量子阱激光器結構的激光線的位 移。對于后者來說，主要的問題涉及模式跳變和滯后。除了對于光學壓 力感測使用帶隙位移之外，帶隙位移還可以被用于調諧半導體激光器二 極管的激光器波長。已報道調諧范圍大于200nm。

發明內容

因此，本發明的一個目標是提供一種壓力傳感器組件，其中即便沒 有被抵消，也減少了根據現有技術的組件的至少一些上述缺點。特別地， 改進了具有至少一個基于半導體的壓力感測元件的壓力傳感器，通過利 用至少一個光源的照亮來讀出該壓力感測元件的光學特性中的壓力導 致的變化。目的是獲得一種具有高精度的和低的由溫度效應引起誤差的 差動壓力傳感器。

這樣的和其它的目標得以實現，因為壓力傳感器包括被定位在單獨 的壓力艙中的至少兩個基于半導體的壓力感測元件，感測元件被定位成 基本上彼此相鄰并且感測元件由相同的光源照射，其中使用至少兩個對 應的檢測器來檢測透射通過所述感測元件的光，并且其中基于這些檢測 器的輸出評估在所述兩個壓力艙中的差動壓力。

因此，提出了一種基于半導體光學濾波器的差動壓力傳感器。施加 于半導體材料的壓力改變它們的光學特性，尤其是光譜吸收邊緣頻率。 我們提出使用半導體作為光學濾波器，并且特別地當暴露于液體靜壓力 時采用它們吸收邊緣的藍移。優選地通過檢測來自光源的總透射光功率 來監控濾波器邊緣的壓力導致的光譜位移。為了避免溫度效應，我們使 用彼此靠近定位的兩個壓力艙，以避免兩個壓力艙之間的溫度差并且評 估透射通過兩個濾波器的差信號。本發明的新穎性在于使用兩個壓力艙 用于測量差動壓力。另外，優選地可以通過使用另外分離的四象限傳感 器來實現溫度補償。評估單個光源的透射光的差信號的概念使得能夠實 現線性傳感器響應和通常由靜態壓力和/或溫度產生的零點誤差的補 償。

本概念采用壓力對半導體的內在晶格變形，這導致其帶隙能量以及 由此的光學特性的變化。較高的壓力導致發射器的光學輸出頻率的增 加，或者對于無源器件(例如濾波器)來說，它導致其吸收邊緣的藍移。 因此，提出使用半導體作為光學濾波器，并且當暴露于液體靜壓力時采 用它們吸收邊緣的藍移。使用光源來在透射中測量該光譜位移。下面描 述該發明的可能的實施例：在該系統中的光由從發光二極管發射的兩個 同樣的光束來描述。光束透射通過放置在不同的壓力艙中的兩個濾波 器。在隨后的檢測器二極管中檢測光束幅度或功率。在兩個檢測器中測 量強度之間的差，并且由適當的電子器件來評估強度之間的差。作為濾 波器，提出一種由嵌入在玻璃基體中的半導體納米晶體構成的材料。該 系統的優點是其提供高度的自由度以適應(tailor)所期望的邊緣位置 并且它廉價且商業上可獲得(例如SCHOTT、光學濾波器)。可替換地， 濾波器還可以由體半導體晶體制成或包括體半導體晶體，該體半導體晶 體例如是GaAs。GaAs的優點是比SCHOTT玻璃的壓力系數高兩倍。傳感 器尤其適于測量粗糙環境條件下的大壓力。

本發明的新穎性還在于使用兩個壓力艙來測量施加于這兩個艙的 差動壓力。所提出的評估單個光源的透射光的差信號的概念使得能夠實 現準線性傳感器響應和通常由靜態壓力和/或溫度產生的零點誤差的補 償。使用兩個不同半導體的改進的概念允許甚至更好的誤差補償。