CN101730840A - 使用钛基超弹性合金的压力和机械传感器 - Google Patents

使用钛基超弹性合金的压力和机械传感器 Download PDF

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Abstract

压力和机械传感器包括由具有小于约80GPa的弹性(杨氏)模量和大于约1000MPa的抗拉强度的钛和钽合金形成的感测部件。高强度和低弹性模量以及非常低的弹性模量温度依赖性和非常低的线性热膨胀在很大的温度范围内导致了高分辨率和精确测量。

Description

使用钛基超弹性合金的压力和机械传感器
技术领域
本发明涉及例如电容式压力传感器的机械传感器，其具有挠曲部件。本发明尤其涉及具有由钛基合金形成的挠曲部件的传感器，该合金在很大的温度范围内具有极低的杨氏模量、极高的抗拉强度和稳定特点。
背景技术
电容式压力传感器已经广泛地用于工业、航空航天以及其它控制和监控系统中。电容式压力传感器可以被配置以感测绝对压力、表压、差压或这些压力的结合。
由包括金属、玻璃、蓝宝石和硅的各种材料制造电容式压力传感器。电容式压力传感器的性能依赖于形成传感器的挠曲部件的材料，例如两个腔的电容式压力传感器的中心隔膜，的物理特性。这些物理特性包括弹性模量(或杨氏模量)、材料的抗拉强度、弹性模量和抗拉强度的温度依赖性、热膨胀性质和滞后效应。
依赖于感测部件的挠曲的其它机械传感器也同样受相同的材料性质的影响。对改进电容式压力传感器和具有可挠曲的感测部件的其它机械传感器有不断的要求，以提供扩展的操作范围、低滞后作用、较大的信号噪声比、对温度作用的减小的校正以及在温度滞后作用方面的改善的稳定性。
发明内容
本发明是改进的传感器，该传感器包括由具有小于约80GPa的杨氏模量和大于约1000MPa的抗拉强度的钛基合金形成的挠曲部件。钛基超弹性合金可包含例如钛、第IVa族元素、除了钛之外的第Va族元素以及填隙元素。钛基合金可以是例如具有Ti-24原子％(Nb+Ta+V)-(Zr，Hf)-O的合金组的组合物。
在一个实施例中，传感器是电容式压力传感器，所述部件是隔膜，其作为被感测的压力的函数挠曲。在这个实施例中，钛合金在约100°K至500°K的温度范围内提供接近零的温度依赖性和接近零的线性热膨胀。高抗拉强度导致低滞后、扩展的操作范围以及改善的过压特性。低杨氏模量导致高于具有例如不锈钢的隔膜的传统压力传感器所获得的信号噪声比的信号噪声比。
附图说明
图1是具有钛基超弹性合金的中心隔膜和隔离隔膜的压差单元的横截面视图。
图2是比较钛基超弹性合金、NiSpan(镍铬钛恒弹性合金)和Elgilloy(埃尔吉洛伊非磁性合金)的作为温度函数的杨氏模量的图表。
图3是比较钛基超弹性合金、NiSpan和Elgilloy的线性热膨胀系数的图表。
图4是比较NiSpan和钛基超弹性合金的压力滞后特点的图表。
图5是显示具有带有被连接的应变传感器的可挠曲的超弹性合金隔膜的压力传感器横截面视图。
图6显示出具有可挠曲的超弹性合金隔膜的压力传感器，电阻作为压力的函数变化。
具体实施方式
图1是压差传感器10的横截面视图，其使用钛基超弹性合金部件。压差传感器10包括单元半部12和14、中心隔膜16、绝缘体18和20、电极22和24、隔离管26和28以及隔离隔膜30和32。在这个例子，中心隔膜16与隔离隔膜30和32(和可选地单元半部12和14)由钛合金形成，所述钛合金的杨氏模量小于约80GPa和其抗拉强度大于约1000Gpa。
在这个例子中，压差传感器10是电容式传感器。中心隔膜16将单元半部12和14之间的空间分割成第一腔34和第二腔36。隔离管道26穿过单元半部12从隔离隔膜30延伸至第一腔34。类似地，隔离管道28从隔离隔膜32延伸至第二腔36。
电极22形成在绝缘体18的内壁上，同时电极24形成在绝缘体20的内壁上。电极22和中心隔膜16形成具有电容C1的第一感测电容器，同时第二电极24和中心隔膜16形成具有电容C2的第二感测电容器。
腔34和36与隔离管26和28被填充介电填充流体。在过程流体将压力P1施加到隔离隔膜30上时，所述压力由介电填充流体通过隔离管26传输至腔34中。类似地，在过程流体将第二压力P2施加到隔离隔膜32上时，压力P2由填充流体通过隔离管28传输至第二腔36。
在中心隔膜16响应于被施加的压力P1和P2挠曲时，电容C1和C2改变。挠曲的量是压力P1和P2之间的差的函数。这种压差可通过测量电容C1和C2来获得。信号处理电路40将测量的电容C1和C2转换成表示压差的输出值。
压差传感器10利用钛基合金，其具有非常低的杨氏模量、高的抗拉强度、接近零的线性热膨胀和接近零的杨氏模量温度依赖性。低的杨氏模量导致改善压力传感器10的信号噪声比，是因为杨氏弹性模量越低，对于给定压力来说，应变(挠曲)越大。较高的抗拉强度导致低的滞后(实质上，零到弹性极限)、扩展的操作范围和较高的过压限制。低热膨胀系数和低的杨氏模量温度依赖性导致减小的压力传感器10的温度校正，改善的稳定性和减小的温度滞后。
钛超弹性合金的例子在Saito等的美国专利No.6,607,693、Furuta等的美国专利No.6,979,375、kuramoto等的美国专利公开No.2004/0055675、Furuta等的美国专利公开No.2004/0115083、和Whang等的美国专利公开No.2005/0072496中被描述。这些钛基超弹性合金被日本爱知县的Toyota Central R&D Labs称为商标名称GUM
Figure G2008800158323D00031
它们还在Science，Vol.300，464-467(April 2003)的Saito等的MultifunctionalAlloys Obtained via a Dislocation-Free Plastic Deformation Mechanism、R&D Review of Toyota CRDL，Vol.38，No.3(2003)的Nishino的SuperMultifunctional Alloy“GUM METAL”和在Metallurgical and MaterialsTransactions，vol.37A，657(2006)的Kuramoto等的Plastic Deformationin a Multifunctional Ti-Nb-Ta-Zr-O Alloy中被描述。
钛基超弹性合金包含钛、第IVa族元素(例如锆(Zr)或铪(Hf))、除了钛之外的第Va族元素(例如钒(V)、铌(Nb)或钽(Ta))以及例如氧、氮或碳等的填隙元素。第IVa族元素(锆或铪)对降低杨氏模量和提高强度有贡献。第Va族元素(V、Nb和Ta)对降低杨氏模量有贡献。填隙元素(O、N或C)对提高强度有贡献。所述合金具有体心立方或体心四方晶体结构。钛基超弹性合金可以通过熔融工艺或通过烧结来形成。之后，合金经受冷加工，以显著地提高其抗拉强度。低的杨氏模量和高抗拉(弹性极限)强度以及高弹性变形能力，允许合金具有好的冷加工性质。
对于具有挠曲部件的机械传感器(例如电容式压力传感器10)，钛基超弹性合金具有80GPa或更小的杨氏模量，优选地具有在约60-70Gpa范围内的杨氏模量。合金的弹性极限抗拉强度至少是约1000MPa，在一些情形下是1200MPa或更大。
如Saito等在Science，vol.30，464(2003)中报道的，对于90％的冷加工合金，线性膨胀系数在从100°K到500°K的温度范围内不超过2×10- 6/°K。因此，冷加工的钛基合金显示出与Invar合金类似的线性膨胀系数，但是在更宽的温度范围上。
杨氏模量的温度依赖性也在扩展的温度范围上也接近零。如Saito等报道的，冷加工的钛基超弹性合金的杨氏模量基本上在77°K和500°K之间保持恒定。这种接近零的温度依赖性与Elinvar合金的温度依赖性相当，但存在于更宽的温度范围内。
高强度和低杨氏模量，在用于压力传感器10的挠曲元件(中心隔膜16)时，提供了非常高的分辨率和精确的压力测量。温度特性在100°K至500°K的很宽的范围内提供了改善的温度稳定性能。
因为合金是耐腐蚀的，所以隔离隔膜30和32也可以由与中心隔膜16相同的材料形成。钛基超弹性合金的低热膨胀性允许将中心隔膜16和隔离隔膜30和32(以及例如杯部12和14的其它部件)与常见的低膨胀固态材料一起被使用。
钛基超弹性合金具有三个另外的共有特点。第一，它们具有约2.24的成分平均平衡电子数[电子/原子(ea)比]。第二，根据DV-Xα簇方法，它们具有约2.86至约2.90的键级(Bo值)，其表示键合强度。第三，它们具有约2.43至约2.49的“D”电子轨道能级(Md值)。满足上述标准的组合物的例子包括Ti-12Ta-9Nb-3V-Zr-O和Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O[摩尔百分比(mol％)]。
不锈钢是用于工业精确压力和挠曲机械传感器的最常见的材料。通过比较，钛基超弹性合金的抗拉强度在室温可以是1200GPa，其比传统的不锈钢高三倍。另外，钛基超弹性合金的杨氏模量在300°K(室温)可以是例如60GPa，其比传统的不锈钢低4倍。极低的杨氏模量和高抗拉强度以及与有利的热学性质的组合与将传统的不锈钢用于挠曲元件的传感器相比产生了相当大的改善。
图2至4将钛基超弹性合金的特点与由于具有相对低的杨氏模量已经被用于压力传感器的两个另外的合金材料(Elgilloy和NiSpan)进行比较。图2显示出在-40℃(223°K)和100℃(373°K)之间的温度范围内Elgilloy、NiSpan和钛基超弹性合金的比较。钛基超弹性合金在所有温度具有相当低的杨氏模量，杨氏模量随着温度的变化小于Elgilloy或NiSpan中的任一种。
图3显示出以毫米为单位的作为温度的函数的线性膨胀或位移。钛基超弹性合金的温度系数约为1.16×10-5/℃。与之相比较的是，NiSpan为1.63×10-5/℃和Elgilloy为6.17×10-6/℃。
图4显示出NiSpan和钛基超弹性合金的压力滞后特点。在图3中，张应力显示为应变％的函数。如图4所示，NiSpan在应变从0％增加到约0.25％时显示出滞后。与之相比，钛基超弹性合金对于在0％和0.6％之间的应变没有显示出滞后。
图1中显示出的压差传感器仅表示使用钛基超弹性合金作为挠曲感测部件的机械传感器的一个例子。例如，使用钛基超弹性合金的其它电容式压力传感器可以被配置以测量绝对压力或表压。另外，电容式压差传感器可以被配置以具有成并肩配置的单元半部，具有两个挠曲隔膜，而不是如图1所显示的配置。
另外，图1显示的压差传感器可以包括另外的电极，以为线性化目的产生另外的电容器。例如，在美国专利No.6,295,875中显示使用了另外的电极。
在另一实施例中，在美国专利No.6,843,133中描述的所述类型的电容式压力传感器将钛基超弹性合金用作挠曲感测部件(隔膜)。传感器可以以过程流体与钛基超弹性合金隔膜直接接触为特征，或可以与图1所显示的传感器相似，包括隔离物和介电填充流体。
图5显示出压力传感器50，其包括腔52、超弹性合金隔膜54、应变感测桥传感器56、电子信号处理隔室58和信号处理电路60。过程压力P传送至感测腔52，并且向超弹性合金隔膜54施加压力。过程压力可以由过程流体直接传送或通过介电填充流体来传送。流体压力使得隔膜54挠曲，进而在应变感测桥56中产生应变。应变感测桥56例如可以是硅压电电阻桥，其被结合、沉积或嵌入到超弹性合金隔膜54中。由信号处理电路60对来自桥56的信号进行处理，以产生是过程压力P的函数的输出。隔室58可以被真空密封，使得所述输出表示绝对压力，或可以保持在大气压力下，使得来自信号处理电路60的输出表示表压。
图6显示出压力传感器70，其包括感测腔72、基准腔74、超弹性合金隔膜76、电接触件78和80以及信号处理电路82。基于腔72中的过程流体压力和基准腔74中的压力之间的压力差，隔膜76挠曲。如果腔74中的参考压力是真空，那么压力传感器70测量绝对压力。如果参考压力是大气压，传感器70测量表压。
信号处理电路82基于接触件78和80之间的电阻提供表示测量的压力的输出。隔膜76的电阻是钛基超弹性合金的电阻率、接触件78和80之间的隔膜76的长度以及隔膜76的横截面面积的函数。随着压力的增加，隔膜76挠曲，使得其在接触件78和80之间的长度增加。另一方面，横截面面积不发生显著变化，电阻率不改变。因此，增加的压力导致接触件78和80之间的电阻增加。
如由图1、5和6显示的实施例所显示的，钛基超弹性合金隔膜作为压力的函数挠曲，并且所述挠曲可以被用于利用感测的电容、感测的应变或感测的电阻产生表示压力的输出。
虽然参考优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识到在不偏离本发明的精神和范围的情形下可以对本发明的形式和细节进行改变。

Claims (33)

1.一种传感器，其特征在于，挠曲部件，其对被感测的参数产生响应，且由具有小于约80GPa的杨氏模量和大于约1000MPa的抗拉强度的钛基合金形成。
2.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括传感器主体，其中，所述挠曲部件被安装到所述传感器主体上。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述被感测的参数是压力，且所述传感器主体和所述挠曲部件限定至少一个压力感测腔。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述传感器包括电容式压差传感器，且所述挠曲部件包括设定在第一腔和第二腔之间的中心隔膜，所述中心隔膜可作为所述第一腔和第二腔中的流体压力的函数挠曲。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述第一腔和第二腔被填充介电填充流体，且其中第一和第二隔离隔膜分别将压力从过程流体传送至所述第一腔和第二腔中的介电填充流体。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述第一和第二隔离隔膜由所述钛基合金形成。
7.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括被连接至所述挠曲部件的应变响应装置，用于产生作为所述挠曲部件的挠曲的函数的输出。
8.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括用于提供作为所述挠曲部件的电阻的函数的输出的电路，该电阻基于所述挠曲部件的挠曲而改变。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述钛基合金包含钛、至少一种第IVa族元素、至少一种除了钛之外的第Va族元素以及至少一种填隙元素。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中，所述至少一种第IVa族元素来自由锆和铪构成的组，其中所述第Va族元素来自由铌、钽和钒构成的组，以及其中所述填隙元素来自由氧、氮和碳构成的组。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述钛基合金包括Ti-24原子％(Nb+Ta+V)-(Zr，Hf)-O的组合物。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述钛基合金具有约为2.24的成分平均平衡电子数[电子/原子(ea)比]；具有基于DV-Xα簇方法的约2.86至约2.90的键级(Bo值)；并具有约2.43至约2.49的“D”电子轨道能级(Md值)。
13.一种压力传感器，包括：
第一腔；和
隔膜，靠近所述第一腔设置，所述隔膜由具有小于约80GPa的杨氏模量和大于约1000MPa的抗拉强度的钛基合金形成。
14.根据权利要求13所述的压力传感器，进一步包括：
作为所述隔膜的挠曲的函数变化的电容。
15.根据权利要求13所述的压力传感器，进一步包括：
连接至所述隔膜的应变响应装置，用于产生作为所述隔膜的挠曲的函数的输出。
16.根据权利要求13所述的压力传感器，进一步包括：
电接触件，连接至所述隔膜以提供作为所述隔膜的挠曲的函数的电阻。
17.根据权利要求13所述的电容式压力传感器，其中，所述钛基合金具有小于约70Gpa的杨氏模量。
18.根据权利要求17所述的电容式压力传感器，其中，所述钛基合金具有约60GPa的杨氏模量。
19.根据权利要求13所述的电容式压力传感器，其中，所述钛基合金具有大于约1200Mpa的抗拉强度。
20.根据权利要求13所述的电容式压力传感器，其中，所述钛基合金包含第IVa族和第Va族元素。
21.根据权利要求20所述的电容式压力传感器，其中，所述钛基合金包括Ti-24原子％(Nb+Ta+V)-(Zr，Hf)-O的组合物。
22.根据权利要求13所述的电容式压力传感器，其中，所述钛基合金具有约为2.24的成分平均平衡电子数[电子/原子(ea)比]；具有基于DV-Xα簇方法的约2.86至约2.90的键级(Bo值)；和具有约2.43至约2.49的“D”电子轨道能级(Md值)。
23.一种压力传感器，包括：
传感器主体；
隔膜，由所述传感器主体支撑且可作为流体压力的函数挠曲，所述隔膜具有小于约80GPa的杨氏模量和大于约1000MPa的抗拉强度；和
用于基于所述隔膜的挠曲产生表示感测的压力的输出的装置。
24.根据权利要求23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隔膜的挠曲的函数而改变的电容。
25.根据权利要求23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隔膜的挠曲的函数而改变的电阻。
26.根据权利要求23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隔膜的挠曲的函数而改变的应变。
27.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，所述隔膜的杨氏模量小于约70GPa。
28.根据权利要求27所述的压力传感器，其中，所述隔膜具有约60GPa的杨氏模量。
29.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，所述隔膜具有大于约1200Mpa的抗拉强度。
30.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，所述隔膜由钛基合金形成。
31.根据权利要求30所述的压力传感器，其中，所述钛基合金包含第IVa族和第Va族元素。
32.根据权利要求31所述的压力传感器，其中，所述钛基合金包括Ti-24原子％(Nb+Ta+V)-(Zr，Hf)-O的组合物。
33.根据权利要求30所述的压力传感器，其中，所述钛基合金具有约为2.24的成分平均平衡电子数[电子/原子(ea)比]；具有基于DV-Xα簇方法的约2.86至约2.90的键级(Bo值)；和具有约2.43至约2.49的“D”电子轨道能级(Md值)。
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