[0001] 本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的测量传感器。

[0002] 由现有技术已知一些这样的测量传感器，例如作为压力测量传感器用于电容式探测一个外部的作用在测量传感器上的压力。一种这样的电容式压力测量传感器具有一个基体和一个设置在基体上的测量膜片，其中在测量膜片与基体的相互面对的面上设置一些平面的电极以便形成一个电容。在压力作用到测量膜片上时，在测量膜片与基体之间的间距发生改变继而通过各测量电极形成的电容器的电容发生改变，从而可以探测作用的压力。

[0003] 在按这一原理构造的测量传感器中成问题的是，通过快速的温度变化，所谓的热冲击，例如一个从20℃到80℃的温度突变，并且由于一种在测量传感器内的较缓慢的温度平衡会导致测量传感器在结构机械上的变形，这些变形由于由此引起的测量膜片的挠曲而产生测量值的变化，尽管没有发生压力变化。在缓慢的温度变化过程中，通过热传导经由在测量膜片与基体之间的玻璃焊接连接使温度水平平衡，从而不会引起测量传感器和特别是测量膜片的变形。但在快速的温度交变时，如其例如在一次热冲击中出现的那样，只在较长的时间以后才实现在测量膜片与基体之间的温度平衡，从而由于温度梯度，测量膜片相对于基体变形，在传感器内部的电容状况发生改变并且冒充一个压力变化。

[0004] 为了补偿这样的错误测量，由现有技术例如由EP1186873B1已知，在一种将测量膜片设置在基体上的玻璃焊接连接中，设置一个用于检测温度变化的温度传感器。通过该温度传感器可以分辨具有陡的温度梯度的温度变化和真实的压力变化并且借助一种电子的处理可以补偿输出的测量值。

[0005] 按照公司内部的现有技术还试图，借助测量膜片的弯曲线和由此改变的电容值识别发生的热冲击并紧接着校正虚假的测量值。

[0006] 但关于上述的补偿方法不利的是，只有借助虚假的测量值才能识别一次热冲击的存在并因此需要对测量值的进行很快的信号处理。此外成问题的是，不可能可靠地识别和处理在时间上叠加的事件，例如一次压力冲击与一次热冲击的叠加。

[0032] 图1示出一个按照本发明的测量传感器1的第一实施例，测量传感器包括一个基体3、一个经由一个焊接环16设置在基体3上的测量膜片5以及设置在测量膜片5和基体3上的测量电极10、11。一个在测量膜片5与基体3之间形成的间隙12经由一条通道13与一个压力平衡装置15连接，压力平衡装置在该实施例中由一个压力平衡膜片17构成，它经由一个连接层18与基体3的背面连接。压力平衡装置15具有一个在压力平衡膜片17与基体3的背面之间的另外的间隙14，它用于确保在测量传感器1的内部等压的压力状况( )。不仅间隙12而且还有该另外的间隙14都充填一种具有与空
气相比提高热导率κ的流体。

[0033] 为了探测一个作用到测量膜片5上的压力，设置在测量膜片5和基体3上的测量电极10、11形成一个测量电容CM，其容量通过测量电极10、11的面积、处在测量电极10、11之间的介质的介电常数以及通过焊接环16确定的缝隙间距s确定。在测量电极10、11的半径在5至6mm的范围内和缝隙间距约16μm时，测量电容CM的数值为约50pF。通过压力作用到测量膜片5上，在测量电极10、11之间的缝隙间距s发生改变，从而经由一种电容改变可确定从外面作用的压力。由于热冲击例如在小于一秒内从20℃突变到80℃的温度，可能导致测量传感器1在结构机械上的变形。发生这些变形 ，是因为测量膜片5在较高的温度下比基体3更强地膨胀，并且由于其径向固定，为了平衡该张力而出现向外拱起。通过测量膜片5的拱起，在测量膜片5与基体3之间的缝隙间距s在充填空气的测量传感器1中加大了至多2.1μm，从而由于测量传感器1的温度突变而探测到一个被信以为真的压力降。通过用氦充填间隙12，可以一方面达到将最大的缝隙变化Δsmax从2.1μm减小到1.5μm，而另一方面导致更快地平衡由热引起的缝隙间距s的加大。

[0034] 如在图5中所示的那样，通过用氦充填间隙12，可以将缝隙变化Δs从其最大值Δsmax＝1.5μm在约7秒内缩小到0.5μm，相反，在充填空气的测量传感器中，为了使缝隙变化Δs缩小到0.5μm，需要15秒以上的时间。如由图5可看出的那样，在充填甘油或水情况下，还可进一步减小缝隙变化的最大值Δsmax，但这些充填材料由于液体的不可压缩性与气体相比更少适用于在压力测量传感器1中的应用。

[0035] 图2示出按照本发明的压力测量传感器1的另一实施例，其中相对于在图1中所示的压力测量传感器，压力平衡装置15由一个膨胀容器19构成。膨胀容器19具有一个可变的容积，从而在外部的压力作用到测量膜片5上时，通过膨胀容器19的容积的改变确保在测量传感器1的内部等压的压力状况。一个膨胀容器19可以例如由一个压力风箱或折叠风箱构成。

[0036] 图3示出用于按照本发明的测量传感器1的另一实施例，其中压力平衡装置15由一个具有一个弹簧加载的活塞21的压力平衡容器20构成。通过一个具有一个弹簧加载的活塞21的压力平衡容器20可以类似如通过膨胀容器19或压力平衡膜片17那样确保在测量传感器1的内部控制不变的压力状况并因此在不变的条件下探测外部的压力作用。

[0037] 图4示出在从20℃到80℃的温度突变的该实例中在一次热冲击作用以后8.2秒的温度分布的比较，其中用标记41标明一个充填空气的测量传感器1的示意图，而用标记42标明一个充填氦的测量传感器1的示意图。示意图41、42示出通过测量传感器1垂直于测量膜片5的一个中心的剖面。示出的是半个测量传感器1，其中视图从设置在左边的测量传感器的中心到测量传感器在右边的边缘，亦即到安装焊接环16的区域。

[0038] 如由视图41可看出的那样，从热冲击作用到其上的测量膜片5开始主要经由焊接环16进行温度传播，从而产生一个温度曲线，其中等温线从焊接环16开始椭圆形在测量传感器1的基体3中传播。

[0039] 在视图42示出的充填氦的测量传感器1中可明显看出，在与在上述视图中的同一时刻，等温线明显进一步扩展到基体3中，并且不仅从经由焊接环16的连接开始，而且还从充填氦的间隙12开始进行等温线的传播。

[0040] 为了进行说明，这种特别在基体3的上面上，亦即在第二测量电极11的区域内使人觉察到的到基体3中的较快的温度传播以与一个标准测量传感器1比较的方式示出在图6中。温度分布在图6中分别是在测量传感器1的中心。特性曲线61和63表示在一个充填空气的测量传感器1中的温度分布，其中特性曲线61表示在测量膜片5的中心的温度分布，而特性曲线63表示在基体3的表面的中心的温度分布。用特性曲线62和64表示用于一个充填氦的测量传感器1的温度分布，其中特性曲线62表示在测量膜片5的中心的分布，而特性曲线64相应地表示在基体3的表面的中心的温度分布。

[0041] 在一个充填空气的测量传感器1中，温度 随着测量膜片5在热冲击作用情况下突变式地在该实例中在1秒以下升高到79℃并接着近似线性地接近80℃的最大温度 (参见特性曲线61)。在基体3的上面上的温度 只较缓慢地上升并且在10秒以后达到约62℃的数值，在20秒以后达到一个约73℃的数值并且在剩下的测量区域内直到30秒逐渐靠近地接近80℃的数值(参见特性曲线63)。

[0042] 与此相反，在一个充填氦的测量传感器1中，测量膜片5的温度 在第一秒内只升高到75℃，在热冲击作用以后直到5秒升高到约78℃并且接着在热冲击以后直到约15秒近似线性地接近80℃的最大值(参见特性曲线62)。由于氦的提高的热导率κ，因此测量膜片5的温度 在一次热冲击以后比在一个传统的测量传感器中更缓慢地上升。基体3的表面的温度 与在充填空气的测量传感器1中的温度分布相比明显更快地上升，从而在充填空气的传感器中只在10秒以后才达到62℃的数值已在约3秒以后达到并且在继续的分布中已在约11秒以后达到74℃的数值(参见特性曲线64)。

[0043] 在图5中以不同的充填介质的比较示出对在测量膜片5与基体3之间的缝隙变化Δs的影响。在图5中所示的曲线图中绘出了在热冲击作用以后在从0至30秒的时间范围内对于不同的充填介质的缝隙变化Δs的分布。此外在各个特性曲线中还记录了达到一最大的缝隙变化Δsmax的时刻tmax。从对于一个充填空气的和一个充填氦的测量传感器1的特性曲线52和53的比较显而易见的是，可以将最大的缝隙变化Δsmax从约2.2μm减小到1.5μm。通过采用甘油作为充填介质可以将最大的缝隙变化Δsmax进一步减小到1.25μm，而通过采用水作为充填介质可以将最大的缝隙变化Δsmax进一步减小到1.0μm。对于一个充填空气的测量传感器1的特性曲线52和对于一个充填氦的测量传感器1的特性曲线53的比较还表明，最大的缝隙变化Δsmax在一个充填氦的测量传感器1中已在一个0.6秒的时间tmax以后达到并且在该时刻以后还比在充填空气的测量传感器1中明显更快地下降，在后者中最大的缝隙变化Δsmax只在一个tmax1.2秒的时间tmax以后才达到。继续比较特性曲线52和53表明，在一个充填氦的测量传感器1中，缝隙变化Δs已在约12.5秒以后缩小到0.25μm，相反，在一个充填空气的测量传感器1中，为了这种缩小需要约22.5秒。

[0044] 在图7中描述了对于一个充填空气的测量传感器1以及对于一个充填氦的测量传感器1的在图5中确定的最大的缝隙变化Δsmax的时刻的测量膜片5和基体3的上面的一个轴向位移a。轴向位移a根据半径从测量传感器1的中心开始并且一直到达在10mm后的焊接环16被绘出。在图7中还记入了这些区域，在其中设置测量电容CM以及一个基准电容CR或为此设置的测量和基准电极10、11、23。借助设置在一个接近焊接环16的区域内的基准电容CR，由于在测量膜片5与基体3之间的电容的测量缝隙只有不大的改变，有可能使借助测量电容CM测定的电容值标准化并且由此测定一个测量值M，它与生产引起的测量缝隙的波动以及缓慢的和似静态的温度变化无关。

[0045] 如由图7的曲线图可看出的那样，轴向位移a在一个充填氦的测量传感器1中对于测量膜片5是较小的而基体上面是较大的，从而由此引起在图5中所示的最大的缝隙变化Δsmax减小。

[0046] 图8最后示出一个充填空气的测量传感器1和一个充填氦的测量传感器1在一次热冲击以后测定的测量值M＝1-CR/CM的比较的图。如图8中所示，通过使用氦作为充填介质，可以将热冲击的最大影响减小30％以上，从而由此明显减小测量误差的概率。

[0047] 图9示出图1的测量传感器1的一种附加的进一步发展，其中除了充填在测量膜片5与基体3之间的间隙12外，还设置一个中间膜片7以及其他的电极25，用于探测热冲击。通过中间膜片7，可以将一次热冲击的影响进一步减小到测定的测量值，因为由于中间膜片7的较小的热质量，明显比基体3更快地对该热影响做出反应并因此以几乎与测量膜片5相同的方式经受该热影响。设置在中间膜片7与基体3之间的其他的电极25，由于压力作用到测量膜片5上对于中间膜片7保持无影响，可以用于探测由于一次热冲击引起的在结构机械上的变形，从而由于利用其他的电极25测定的测量值而使附加的测量值补偿是可能的。

[0048] 为了确保在测量传感器1的内部的不变的压力状况，有意义的是，中间膜片7设有一些通口，从而注入到间隙12中的流体无阻碍地循环并且还可以流入到压力平衡装置15中。

[0049] 附图标记清单

[0050] 1 测量传感器

[0051] 3 基体

[0052] 5 测量膜片

[0053] 7 中间膜片

[0054] 10 第一测量电极

[0055] 11 第二测量电极

[0056] 12 间隙

[0057] 13 通道

[0058] 14 第二间隙

[0059] 15 压力平衡装置

[0060] 16 焊接环

[0061] 17 压力平衡膜片

[0062] 18 连接层

[0063] 19 膨胀容器

[0064] 20 压力平衡容器

[0065] 21 活塞

[0066] 23 基准电极

[0067] 41 第一视图

[0068] 42 第二视图

[0069] a 轴向位移

[0070] a0 静止位置

[0071] CM 测量电容

[0072] CR 基准电容

[0073] κ 热导率

[0074] M 测量值

[0075] Δs 缝隙变化

[0076] Δsmax 最大的缝隙变化

[0077] t 时间

[0078] 温度