CN101479586B - 使用近最终形状的烧结陶瓷的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容压力传感器，其形成有由近最终形状的烧结陶瓷制成的传感器主体和膜片。在一种结构中，差压传感器具有两个烧结陶瓷单元半，而内部烧结陶瓷膜片位于两个单元半之间。在另一种结构中，两个并排的烧结陶瓷单元半具有单独的烧结陶瓷膜片，并且两个单元半的室由金属管连接。

Description

使用近最终形状的烧结陶瓷的压力传感器
技术领域
本发明涉及一种压力传感器。尤其是，本发明涉及一种电容压力传感器，其具有由烧结陶瓷制成的烧制成近最终形状的单元体和膜片部件，以使昂贵的机械加工操作最小化。
背景技术
电容压力传感器已经在工业过程、航天以及其它控制和监测系统中找到广泛的用途。电容式压力感测单元可以被构造成感测绝对压力、表压、差压、或这些压力的结合。
在一些情况下，电容压力传感器用于测量那些可能腐蚀传感器的金属零件的流体的压力。用于解决此问题的一种技术是使用隔离膜片将压力传感器与过程流体分开。然后油填充物将压力传感器耦合到隔离膜片，从而施加到隔离膜片的压力通过油填充物传递到电容压力传感器的膜片。然而，这种隔离技术会在压力测量中引入误差。
电容压力传感器已经由诸如金属、玻璃、蓝宝石和硅的多种材料制造而成。需要继续对电容压力传感器(尤其是差压传感器)进行改进，以提供更小的传感器，所述更小的传感器使用油填充物的体积更消，而且制造成本更低。
发明内容
压力传感器对单元体和膜片使用近最终形状的烧结陶瓷。此应用的理想材料是显示出低杨氏模量具有高断裂韧度的烧结陶瓷。诸如压力管和电连接器的金属零件可以在烧制它们之前或之后加入到烧结陶瓷部件内。
附图说明
图1是由两个烧结陶瓷单元半和烧结的陶瓷中心膜片形成的差压单元的剖视图；以及
图2是包括并排布置的两个烧结陶瓷单元半的差压单元的剖视图，其中每一个单元半具有单独的烧结陶瓷膜片。
具体实施方式
图1是由单元半12和14与膜片16形成的差压传感器10的剖视图。单元半12和14与膜片16由近最终形状的烧结陶瓷形成。
在图1中所示的实施例中，单元半12和膜片16形成第一室18，而单元半14和膜片16限定第二室20。金属管22延伸穿过单元半12，以将压力下的流体提供给室18。类似地，金属管24延伸穿过单元半14以提供到室20的流体连接。单元半通过钎焊接合11连接。在室18的壁上的电容板26与在膜片16的暴露到室18的面上的板28形成第一电容器C1。在室20的壁上的板30与膜片16的面向室20的面上的板32形成第二电容器C2。
当烧制陶瓷部件时，可以将诸如管22和24的金属零件钎焊到所述陶瓷部件内，或者在烧制陶瓷部件之后，可以添加金属零件。类似地，在烧制陶瓷材料期间或在烧制陶瓷材料之后，可以将电连接器蒸加(braise)到陶瓷材料内。图1示出了导线34，其在膜片16上的板28和32与传感器10外部之间提供连接，导线34可以插入单元半14中的蚀刻通道内，可以保持在适当的位置并用玻璃粉密封。这也可以是陶瓷部件的烧制过程的一部分。导线36在板26与传感器10外部之间提供连接。导线38在板30与传感器10外部之间提供连接。
取决于室18内的填充流体与室20内的填充流体之间的压力差，膜片16将偏转而改变第一和第二电容器的相对电容。信号处理电路(未示出)将电容C1和C2转化成表示差压的测量值。
温度传感器40可以连接到压力传感器10。温度传感器40可以是厚膜热电偶或类似器件。引线42和44将温度传感器40连接到信号处理电路。如本文所示，温度传感器40附于压力传感器10的外侧。温度传感器40还可以用在内表面上。
使用烧结陶瓷作为形成单元半12和14以及膜片16的材料具有显著的优点。首先，可以使用可成形为近最终形状(近净形)的制造方法制造部件。陶瓷部件在生坯状态下从压制、铸型或模制的粉形成为期望的形状。然后通过烧制(在炉内加热)，或者通过使用微波能量使陶瓷部件密实。所得到的烧结陶瓷部件基本上具有最终产品的完成形状和尺寸。因为使用可成型为近最终形状的方法完成制造，所以只需要表面精加工(即，磨削)，以获得期望的物理尺寸。
虽然钎焊被示为单元半12与14之间的连接，但是熔接粘接提供了一种可以得到更紧密公差的技术。在熔接粘接中，单元半12和14被夹在一起，从而每个部件的陶瓷材料与另一部件内的材料熔接。为了在压力下保持熔接粘接，可以将收缩速率大于陶瓷材料的收缩速率的金属夹钳放在两个部件被粘接的区域上。当结构冷却到室温时，夹钳在压力下保持熔接粘接。
优选的烧结陶瓷的一个示例是由Surmet Corporation，Burlington，Massachusetts生产的商品名为
Figure G2007800234996D00031
的氮氧化铝尖晶石，一种氮氧化铝的透明形式。
Figure G2007800234996D00032
已经发展做为一种新型的透明防护件。例如，在美国专利No.4,520,116中说明了此透明防护件。适于压力传感器应用的其它陶瓷包括其它氮氧化铝尖晶石、铝酸镁尖晶石、氧化铝以及钇稳定、部分稳定氧化锆(PSZ)。烧结陶瓷压力传感器膜片的优选的机械特性是断裂韧度超过大约1.5MPam-1/2和弹性模量小于大约350GPa(50.8×106磅每平方英寸)。通过在模内挤压或铸型或通过使用快速原型法/无固体外形制造方法，将含有适当粘合剂的粉形成为模型，这些和其它氧化物陶瓷可成形为近最终形状。在形成之后，使用通常接受的陶瓷处理作业来烧制零件，以达到最终的密实的近最终形状。也可以使用隔离挤压而压实未烧制的生坯模型。可以单独烧制这些零件，并通过钎焊熔接将零件组装到一起，或者在烧制之前，可以在一次操作下使它们在生坯状态下金属化并被烧制，同时沉积所有电引线和电容电极。在特定情况下，可以使用微波能量处理零件。
图2示出了差压传感器50，其具有并排结构，而不是如图1中所示的背靠背结构。差压传感器50包括单元半52和54以及膜片56和58，它们形成两个并排独立的电容器传感器单元。金属管60连接室62和64。
室62的壁上的电容器板66和膜片56的内壁上的电容器板68形成第一电容器C1。导线67在电容器板66与传感器50外部之间提供连接。导线69在电容器板68与传感器50外部之间提供连接。
类似地，室64的内壁上的电容器板70和膜片58的内壁上的电容器板72形成第二电容器C2。导线71在电容器板70与传感器50外部之间提供连接。导线73在电容器板72与传感器50外部之间提供连接。
O型环74和76在膜片56和58与板78之间提供密封。在板78与每个膜片56和58之间引入流体。流体可以是从隔离膜片传递压力的填充流体，或者可以是过程流体本身。
诸如电容器板66、68、70和72的金属部件没有被暴露到施加压力以偏转膜片56和58的流体。因此，差压传感器50的并排结构提供了不用隔离膜片的选择。
O型环74和76安装到膜片56和58的外表面内的槽内。这些槽在生陶瓷的成形过程期间形成在膜片56和58内。
近最终形状的烧结陶瓷压力传感器还允许温度传感器的制造作为制造过程的一部分。金属温度传感器材料可以被金属化(metalize)到图1的单元半12或14或图2的单元半52和54的内表面或外表面上。通过在金属化步骤中形成温度传感器，可以不用昂贵的单独零件。
图2中所示的并排结构还提供了允许测量管线压力和差压两者的潜力。可以实现这一点，同时整个传感器的尺寸减小，并且可选择不需要隔离膜片和油填充物的结构。
本发明很适于批量制造，但不需要复杂的机械加工，或不需要与半导体型批量制造相关联的外来设备、化学制品、和专业安全要求。
虽然已经参照优选的实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的精神和保护范围的情况下可以在形式和细节上做改变。

Claims (25)

1.一种传感器，包括传感器主体和安装到所述传感器主体的可偏转部件，所述可偏转部件响应于要感测的参数，其特征在于，所述传感器主体和所述可偏转部件由烧结陶瓷形成，所述烧结陶瓷包括氮氧化铝尖晶石或铝酸镁尖晶石。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述要感测的参数是压力，其中，所述可偏转部件限定至少一个压力感测室。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述传感器包括电容差压传感器，其中，所述可偏转部件包括位于第一室与第二室之间的中心膜片，且所述中心膜片能够作为所述第一和第二室内的流体压力的函数进行偏转。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述第一和第二室填充有将压力分别传递给所述第一和第二室的流体。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器主体包括具有室的第一部和具有室的第二部；
其中，所述第一部延伸入并连接所述第二部；以及
其中，所述可偏转部件安装在所述第一部室和所述第二部室之间。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述具有室的第一部、所述具有室的第二部和所述可偏转部件由近最终形状的烧结陶瓷形成。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述烧结陶瓷包括弹性模量小于大约350GPa(50.8×106磅每平方英寸)且断裂韧度大于大约1.5MPam-1/2的陶瓷材料。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中，金属温度传感器固定到所述传感器主体的表面。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器主体包括差压传感器的第一部和差压传感器的第二部，所述第二部与所述第一部分离并且通过金属管连接。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中，所述第一部和所述第二部中的每一个包括填充有填充流体并与过程流体隔离的室。
11.一种压力传感器，包括：
第一室；
位于所述第一室附近的第一膜片，所述第一膜片和所述第一室由近最终形状的烧结陶瓷形成，所述烧结陶瓷包括氮氧化铝尖晶石或铝酸镁尖晶石。
12.根据权利要求11所述的压力传感器，还包括：
电容，其作为所述膜片的偏转的函数而变化。
13.根据权利要求11所述的压力传感器，还包括：
由近最终形状的烧结陶瓷形成的第二室；
其中所述第一膜片位于所述第一室与所述第二室之间。
14.根据权利要求13所述的压力传感器，还包括：
电极，其连接到所述膜片和所述第一和第二室，以提供作为所述膜片的偏转的函数而变化的电容。
15.根据权利要求11所述的传感器，其中，所述烧结陶瓷包括弹性模量小于大约350GPa(50.8×106磅每平方英寸)且断裂韧度大于1.5MPa m-1/2的陶瓷材料。
16.根据权利要求11所述的传感器，还包括连接到所述第一室的金属温度传感器。
17.一种压力传感器，包括：
传感器主体；
膜片，其被所述传感器主体支撑，并且其偏转作为流体压力的函数，且所述传感器主体和所述膜片由近最终形状的烧结陶瓷形成，所述烧结陶瓷包括氮氧化铝尖晶石或铝酸镁尖晶石；以及
装置，用于基于所述膜片的偏转产生表示感测压力的输出。
18.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，所述用于产生输出的装置响应于作为所述膜片的偏转的函数而变化的电容。
19.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，所述烧结陶瓷包括弹性模量小于大于350GPa(50.8×106磅每平方英寸)且断裂韧度大于1.5MPam-1/2的陶瓷材料。
20.一种形成压力传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
近最终形状形成烧结陶瓷的传感器主体和膜片，所述烧结陶瓷包括氮氧化铝尖晶石或铝酸镁尖晶石；
将所述传感器主体和所述膜片机械加工到最终尺寸；和
组装所述传感器主体和所述膜片，以形成所述传感器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过将金属化的表面钎焊在一起而组装所述传感器。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，在组装之前，将电导线、电容器和温度传感器样型施加到所述陶瓷零件。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，形成步骤包括将陶瓷粉形成最终被烧制成近最终形状的模型的铸型、挤压或快速原型成形其中之一。
24.根据权利要求20所述的传感器，其中，所述传感器主体和所述膜片在烧制之前组装，然后被一起烧制以制造所述传感器。
25.根据权利要求20所述的传感器，其中，所述烧结陶瓷包括弹性模量小于大约350GPa(50.8×106磅每平方英寸)且断裂韧度大于1.5MPa m-1/2的陶瓷材料。
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